短波授時在高精度授時領域的應用

左兆輝 淮鴿 戴群雄

摘要：基于我國短波授時系統，對短波授時高精度應用的意義進行了分析。利用BD/GPS授時的高精度特性以及短波授時的高可靠性，通過BPM有效性篩選、精密時差測量和低功耗設計3個關鍵技術，設計了一種可靠的高精度授時系統。試驗表明，上電馴服30 min，系統的定時精度達到±1E-10，滿足高精度授時領域的應用需求。

關鍵詞：短波授時；有效性篩選；精密時差測量；低功耗；高可靠；高精度

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）24-55-4

0引言

隨著衛星導航技術的快速發展，高精度授時一般以北斗、GPS等衛星導航授時為主，而短波授時由于其穩定性和準確度相對較差，通常作為輔助授時手段使用。然而，短波授時以其覆蓋范圍大、接收設備實現簡單、成本低及抗摧毀性強[1]等特點，在授時領域仍然具有廣闊的應用前景。同時短波授時的這些特點在非常時期會顯得尤為重要，當衛星授時受到干擾時，短波授時將會變成一種最為可靠的授時手段[2-3]，因此對其在高精度授時領域開展應用的研究具有重要意義。

1短波授時信號

我國的BPM短波授時系統于1970年建成，目前采用4種發播頻率（2.5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz），BPM短波授時臺發播程序如表1所示，周期為30 min；4個頻率的發播時間如表2所示，其中5 MHz和10 MHz是全天連續發播[4]。

BPM短波授時臺通過電臺向外發播BPMc時號。BPM的UTC時號固定超前UTC（NTSC）20 ms。UTC信號采用正弦波形，即時刻起點為零相位。UTC秒信號是用1kHz的標準音頻信號中的10個周波去調制其發射載頻以產生長度為10個周波的音頻信號，其時長為10 ms，起點（零相位）為協調時的秒起點。每秒產生一個這樣的時號，2個時號起始之間的間隔為協調時的1 s。UTC整分信號是用1kHz的標準音頻信號中的300個周波調制其發射載頻以產生長度為300個周波的音頻信號，其時長為300 ms，起點（零相位）為協調時的整分起點。類似地，UT1分信號和秒信號時長分別為300 ms，100 ms。1 min呼號前40 s為莫爾斯電碼，后20 s為女聲普通話語音廣播[5]。無載波調制是不加音頻調制的載頻信號。

2系統架構及工作原理

為了獲得一個短期及長期穩定度都比較優良的時頻信號，本文提出了利用BD/GPS雙模授時模塊產生一個穩定的秒脈沖信號，利用其對恒溫晶振進行馴服，從而獲得較高的頻率準確度。在BD/GPS衛星導航信號丟失時，采用短波授時定時校準恒溫晶振，消除恒溫晶振的長期累計誤差。同時，通過短波授時信號有效性篩選策略，有效克服短波授時信號不穩定導致的短波授時精度低的缺點，為短波授時高精度應用奠定基礎。高精度短波授時系統架構如圖1所示。

其中，短波授時模塊可接收10 MHz，15 MHz短波授時信號，輸出1PPS，1PPM授時信號，定時精度≤1.5 ms，為高精度短波授時系統提供毫秒量級時源參考。BD/GPS雙模接收模塊完成BD/GPS導航信號的接收，輸出1PPS+TOD授時信號，為高精度短波授時系統提供精密時源參考及位置信息。在BD/GPS授時有效時，時頻控制模塊解析BD/GPS雙模接收模塊獲取的時間及位置信息，并將時間及位置信息轉發給短波授時模塊用于傳播時延修正及時間保持；在BD/GPS授時無效時，短波授時模塊維持之前的時間及位置信息，也可通過通信接口單元手動為短波授時模塊設置時間及位置信息。

短波授時信號和BD/GPS授時信號首先通過時源優選單元進行時源選擇，時源優先級BD/GPS授時>短波授時，即在BD/GPS授時有效時，優先使用BD/GPS雙模接收模塊輸出的時間信息作為系統的參考時源。在BD/GPS授時無效、短波授時有效時，經過時源優選后的1PPS和1PPM信號經BPM有效性篩選后為系統提供有效的時源參考。同時，為有效減小BD/GPS雙模接收模塊、短波授時模塊輸出秒的抖動帶來的隨機誤差，設計了脈沖信號卡爾曼濾波[6]模塊，對1PPS時源參考信號進行濾波處理，大大提高時源參考的可靠性。

在外時源參考有效時，時碼產生單元以恒溫晶振輸出的10 MHz頻率信號為參考，產生1PPS，10 MHz，IRIG-B（DC）碼等各種授時信號，時差測量單元完成外部時源參考1PPS與晶振輸出的1PPS之間時間延遲測量，依據測量結果及系統裝訂的時延零值對系統輸出的授時信號的相位進行調整[7]，實現輸出授時信號的同步處理，同步后的授時信號經過隔離放大后輸出。

在外時源參考有效時，頻標馴服單元對恒溫晶振進行馴服。為避免恒溫晶振往復振蕩，在BD/GPS授時有效時，間隔5 min校準一次恒溫晶振；在BD/GPS授時無效、短波授時有效時，考慮短波授時UTC時號的發播時刻，間隔30 min校準一次恒溫晶振。經過馴服的恒溫晶振可以有效提高其輸出10 MHz的頻率準確度和穩定度，為系統的高精度授時輸出奠定基礎。

實時時鐘（RTC）用于本地時間的維持，在外參考時源有效時，對RTC的初始時間進行設置，在系統斷電后，使用電池供電，維持本地時間，以保證系統重新加電后能夠盡快獲取有效的時間信息。

時延零值通過高速示波器測量系統輸出的1PPS與授時線纜末端的1PPS之間的時差得到[8]，通過時頻控制模塊的通信接口下發并固化存儲。

試驗結果統計表明，在0.5 h內，利用BD/GPS衛星信號校準恒溫晶振，被校晶振的頻率準確度可達±1E-10，即系統的定時精度可達到±1E-10。

3關鍵技術

3.1 BPM有效性篩選

由于短波授時信號自身的不穩定性，可能導致短波授時模塊不能連續輸出有效授時信號，為了有效解決該問題，提高系統授時的穩定性及可靠性，設計了針對短波授時1PPS，1PPM的有效性篩選策略。

短波授時1PPS有效性篩選策略：在短波授時有效后，通過時差測量單元得到短波授時1PPS與系統1PPS時差，當授時有效標志連續超過50 s有效時，對時差值做平均，依據時差均值對本地1PPS調一次初相，完成與短波授時1PPS的同步；如果計時過程中出現短波授時無效，則清零計時，待短波授時有效后重新開始計時，1PPS有效性篩選流程如圖2（a）所示。

短波授時1PPM有效性篩選策略：當短波授時有效后，在連續4 min內，統計當1PPM信號到來時1PPM出現時刻與本地維持的整分時刻的時差，如果連續4 min時差一致，則認為1PPM授時信號有效，主動跟蹤短波1PPM來修正本地時間的整分時刻。否則，繼續使用本地維持的時間，1PPM有效性篩選流程如圖2（b）所示。

3.2基于時鐘內插與TDC結合的精密時差測量

晶振輸出的1PPS與參考時源的1PPS之間的時差通過精密時差測量單元實現。精密時差測量單元采用時鐘內插[9]與時間數字轉換（TDC）技術結合的方式完成高精度時差測量。時鐘內插完成初步測量，采用恒溫晶振輸出的10 MHz鐘采樣，測量分辨率為10 ns，測量范圍寬，可達±1 s；TDC完成精測，采用德國ACAM公司的TDC-GPX時間測量芯片，測量精度可達到27 ps[10]。采用2種方式結合，實現高分辨率、全范圍的測量，為銣鐘馴服及輸出授時信號相位調整提供依據。精密時差測量原理如圖3所示。

時鐘內插完成時差信息的初步測量，以參考時源輸出的1PPS作為START信號，以系統輸出的1PPS作為STOP信號，統計START信號與STOP信號之間的時鐘周期數，獲取初始鐘差信息3=（×1/107） s；使用TDC-GPX時間測量芯片測量START與10 MHz信號上升沿之間的時差1以及STOP信號與10 MHz上升沿之間的時差2，最終獲取時差結果=1+3-2。

時鐘內插測量精度主要由內插的頻率信號準確度決定，本文中使用的頻率參考來源于恒溫晶振，在1 h內，恒溫晶振經過精密馴服之后，其頻率準確度可達≤1E-12[11]，即1 s之內給測量帶來的誤差不會超過1 ps。精測的精度由TDC-GPX的測量分辨率決定，其測量分辨率可達到27 ps，故通過精密鐘差測量，理論上測量精度優于28 ps。考慮到機箱及板卡噪聲會引起信號抖動，結合以往工程經驗，時差測量精度接近±50 ps。

3.3低功耗設計

為了簡化系統硬件組成，節約成本，降低功耗，設計中采用了低功耗晶振源技術、低功耗算法技術。

（1）低功耗晶振源技術

采用低功耗恒溫晶振源，同時在硬件設計上采取了以下措施：

①盡量減小加熱部分體積，加熱部分體積小于5 mm3；

②保證加熱器同芯片接觸良好，保證被加熱部分熱傳導更充分；

③避免加熱器同周圍其他物體接觸，避免熱傳導散熱；

④加熱器表面采取拋光處理，減少對外輻射；

⑤采用金屬盒將整個加熱系統封閉起來，減少對外對流傳導；

⑥盡量減少金屬盒體積，提高內部熱密度；

⑦金屬盒內貼ABS塑膠隔熱，塑膠表面電鍍鋁膜，增強熱反射率。

通過實測，普通方式加熱功率約為1.2 W，采取低功耗晶振源技術以后可以降低到0.25 W，大大降低了系統功耗。

（2）低功耗算法技術

為了使硬件更簡單，采用無壓控技術，實現原理如圖4所示。

正常跟蹤參考期間，低功耗晶振和外參考1PPS進行比相，測量出低功耗晶振的頻差和相差，根據頻差和相差對輸出分頻定時器進行調整，輸出高精度的1PPS。同時采集環境溫度，根據測量的頻率，結合時間因數和環境溫度因數，分別計算出晶振的老化和溫度特性。進入守時期間，根據學習的溫度特性、老化特性，推測晶振頻率，動態調整分頻和相位調整參數，實現高精度守時。

以上設計充分利用軟件算法技術，簡化了硬件構成，功耗很低。同時，在系統守時運行期間，通過降低CPU運行主頻，自動休眠與守時無關進程，可大幅度釋放CPU資源，通過實測，CPU的工作電流可穩定在8 mA以內，大大降低守時運行時的系統功耗。

4結束語

本文利用BD/GPS授時的高精度特性以及短波授時的高可靠性校準本地恒溫晶振，得到了一種高可靠的高精度授時系統，同時，采用低功耗設計，簡化系統硬件組成，有效節約了成本，降低了功耗。試驗表明，上電馴服30 min，本系統的定時精度達到±1E-10，滿足高精度授時領域的應用需求。

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