船載時間統一系統GPS跳秒問題研究與改進

毛江錕　劉洪源

摘 要：介紹了船載時間統一系統的組成和GPS模塊的工作原理。指出了現有時間統一系統存在的GPS跳秒問題。針對船載時間統一系統GPS跳秒問題，建立FTA故障樹分析模型，分析故障底事件，定位了GPS跳秒問題的故障部位是GPS定時接收機，并深入分析GPS接收機關于閏秒的相關原理，進一步精確定位了GPS跳秒問題的原因是GPS接收機的閏秒修正軟件算法存在缺陷。為了解決該問題，采用在GPS解碼程序中增加GPS跳秒檢測機制的方法，檢測GPS芯片是否發生跳秒現象來避免產生器誤同步，從而避免GPS跳秒問題導致的系統時間異常。通過搭建GPS模塊程序驗證平臺和設計GPS驗證測試軟件進行測試，結果表明改進后的GPS解碼程序在檢測到GPS定時接收機跳秒后，能使GPS定時接收機復位，并設置GPS信息不可用，避免產生器誤同步，從而有效解決了GPS跳秒問題。

關鍵詞：船載;時間統一;GPS;跳秒;FTA（故障樹分析）;閏秒

中圖分類號：TP274????? 文獻標識碼：A

Research and Improvemen of GPS Jump Second

Problem for Timing System on Ship

MAO Jiang-kun， LIU Hong-yuan

（China Satellite Marine Track & Control Department， Jiangyin，Jiangsu 214431， China）

Abstract：Describes the composition of the ship timing system and the working principle of the GPS module. pointed out the GPS jump second problem of current timing system. For it establishing FTA model and analysis fault bottom events， which positioned the fault location is GPS timing receiver. And analyzed deeply the principle of GPS receiver on the leap second， further pinpoint the reasons is the defect of GPS receiver second correction software algorithm. In order to solve this problem， by means of increasing the GPS jump second detection mechanism in GPS decoding process， which detect jump second phenomenon of GPS chip to avoid the generator false synchronous， and avoid GPS jump second leading to System time anomaly. By setting up the GPS module program verification platform and designing the GPS verification test software for testing. The results show that GPS timing receiver jump second is detected by the improved GPS decoding procedure， which can reset GPS timing receiver， and set the GPS information is not available， to avoid generator false synchronous， so as to effectively solve the GPS problem.

Key words：ship; timing system; GPS; jump second; FTA （fault tree analysis）; leap second

船載時間統一系統為船舶各用戶及配套設備提供標準頻率和標準時間信號，確保岸船設備之間時間同步，特別是對科學試驗中整個試驗系統時間和頻率的統一、保證測量數據正確有效有著重大意義。因GPS信號有覆蓋廣、精度高等特點，成為了船載時間統一系統的主要對時手段之一，船載GPS對時校頻技術也日趨成熟，但在使用過程中也陸續發現了一些問題，其中GPS跳秒問題比較突出，該問題直接導致輸出時間錯誤。通過深入分析GPS模塊相關工作原理，并進行相應改進，預期解決GPS跳秒問題，以提高船載時間統一系統的可靠性。

1 GPS跳秒問題介紹

船載時間統一設備在開機后出現控制器和監控軟件告警的情況，日志記錄GPS時間不一致。GPS參考時間比正常時間快19秒，一直保持直到4小時左右后恢復正常，跳秒期間時統設備控制器對外告警，現象描述如圖1所示。

2 基于FTA的GPS跳秒問題研究

2.1 GPS模塊工作原理分析

船載時間統一系統主要由GPS模塊、北斗模塊、時碼產生、頻標輸出、B（AC）輸出、B（DC）輸出、控制模塊、電源等部分組成[1-2]，系統原理圖如圖2所示。

其中，GPS模塊主要由GPS接收機和單片機組成。GPS模塊的原理圖如圖3所示。GPS接收機接收美國導航衛星系統發布的星歷數據，先解調出粗略的時間報文給出時間可用標志，閏秒修正完成后再給出閏秒標志表示現在的時間有效，此時的時間才是標準的UTC（世界協調時）。單片機僅根據時間可用標志選通GPS秒信號輸出到產生模塊，產生模塊根據可用標志執行同步和B（DC）時間更換操作。

由圖2和圖3可知，GPS時間異常主要與GPS模塊、控制模塊、產生器、電源等因素有關，此問題的頂事件是GPS跳秒，根據時統設備的雙冗余工作原理，需深入模塊內部分析。

2.2 FTA分析模型及底事件分析

由圖2和圖3可知，GPS跳秒，影響因素包括：GPS模塊的定時接收機異常、GPS模塊的控制程序異常、多主通訊異常、控制器異常、產生器異常等。建立GPS跳秒問題故障樹分析模型，如圖4所示。

此問題現象是GPS模塊跳秒，且同時在控制器和產生器上出現，按照故障樹所羅列的各因素，通過時間統一設備GPS模塊上預留的GPS定時接收機測試接口，檢測到GPS定時接收機發出的GPS數據比正常情況快了19秒。經分析捕獲的數據，GPS收星狀態、天線狀態、時間可用狀態等均正常，但GPS數據在不明條件下發出的時間數據在UTC時和GPS時之間變換，導致GPS定時接收機發出GPS時間時GPS模塊解調出的時間快19 s。從而在監控軟件和控制模塊上監測到GPS時間快19 s。

因此，GPS跳19 s的原因是由GPS定時接收機數據異常導致的。

2.3 GPS跳秒問題機理分析

2.3.1 GPS接收機性能分析

如圖3所示，GPS接收模塊的核心是GPS接收機，單片機僅用于接收解調GPS的時間信息和時間可用性標志。該GPS接收模塊與其它型號的模塊相比，靈敏度高達-160dBm、定時精度為30ns、工作溫度范圍寬、動態性能好，是一款成熟的產品，已被大量應用于各種工程中[3]。選用該型接收機時，廠所進行了長期的測試，未發現時間跳變問題。

2.3.2 UTC閏秒調整原理

19秒的跳變正好與UTC對GPS時間的閏秒修正相符。

GPS接收機接收GPS全球定位系統發布的時間系統信息，該時間系統是一個利用軟件對GPS中所有地面鐘和衛星鐘在內的時鐘進行綜合處理得到的“紙面鐘”，它以國際原子時（TAI）為時間尺度，是一個連續的時間系統。而UTC是與地球自傳速率相關的不均勻的時間系統，與人們日常生活息息相關，經一定時間累積造成與原子時的偏差逐漸增大。為了照顧到不同的需求，國際無線電科學協會和國際天文學聯合會分別在1960年和1961年提出了一個國際協調方案，當UTC和GPS兩種時間系統相差大于0.9秒時，用時刻階躍1整秒的方式來調整，稱為閏秒[4-6]。

從1980年1月6日0時起，已作了19次閏秒調整，且均是正閏秒，即現在的GPS比UTC快19秒。

2.3.3 GPS接收機對閏秒的修正原理

通過實際測試，該接收機從串口報文發出時間信息的步驟如下：

首先，利用至少4顆GPS衛星進入定位模式;

其次，再根據出廠前保存在FLASH中的閏秒已修正值輸出粗略補償的GPS時間和可用標志;

經過一個周期（約12分鐘），收齊GPS星歷數據后，再根據星歷修正完當前UTC和GPS的偏差，最后輸出正確可用的UTC時間和閏秒修正標志。

經查，船載時間統一設備采用的接收機是在2012年前出廠的，該批次GPS定時接收機在出廠時內部已經固定了18 s的閏秒修正數。今年又執行了一次閏秒，由于該次閏秒沒有被保存在接收機的FLASH中，只能通過解算星歷得出[7-9]。因此正常情況下，開機后加上18s的固定修正數，此時接收機輸出的UTC時間應比正確時間快1秒，大約12分鐘后，再執行一次閏秒修正操作完成UTC的閏秒修正。

3 GPS跳秒問題改進及實驗驗證

GPS跳秒問題復現后，測試數據如下。

$GPGGA，062852.00，3709.80241，N，07952.34605，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*49

$GPGGA，062853.00，3709.80241，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*4B

$GPGGA，062838.00，3709.80242，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.3，M，-49.9，M，，*44

$GPRMC，062839.00，A，3709.80243，N，07952.34607，E，0.008，，171012，，，D*70

從第二行和第三行數據可以看出，問題出現時接收機輸出的時間信息快了18秒，此時輸出的是開機后粗略補償的GPS時間。

因此，GPS跳秒問題定位為GPS接收機的閏秒修正軟件算法存在缺陷。

針對該問題，在GPS解碼程序中增加故障檢測機制，檢測GPS芯片是否發生跳秒現象。若GPS定時接收機正常工作過程中，解碼程序檢測到GPS定時接收機跳秒，解碼程序發送控制指令給GPS定時接收機，使GPS定時接收機復位，并設置GPS信息不可用，避免產生器誤同步。

改進后的GPS模塊程序驗證平臺如圖5所示。該驗證平臺中的GPS模塊與圖3中的GPS模塊主要區別是斷開了GPS定時接收機發往單片機的鏈路[10]。在圖5中用計算機A模擬GPS定時接收機發出數據。運行測試驗證軟件，使計算機A的串口發送GPS定時接收機數據，用CAN總線助手確定GPS模塊接收正常后，通過測試驗證軟件，修改GPS定時接收機的設置以發出時間，用計算機B檢測GPS定時接收機狀態。

通過上述測試，在GPS時間調整后，GPS模塊發出的CAN數據指示GPS時間不可用，GPS檢測串口也指示出GPS定時接收機正常復位。上述驗證說明改進后的GPS解碼程序能夠在GPS跳秒后設置GPS信息不可用，避免產生器誤同步，同時復位GPS定時接收機，使其再次收星，避免問題現象發生。

另外，為了確保時間正確，可以將時間統一系統的產生器設置為手動同步方式，利用高穩定的銣鐘保證輸出信號的精度指標，在確定GPS接收正常且超出設置容差時，手動操作產生器，使其與GPS同步，也可防止該問題的發生。

4 結 論

船載時間統一系統的跳秒問題將直接導致用戶各設備接收異常的時間，針對該問題，采用FTA分析方法并深入剖析GPS模塊的相關工作原理，精準定位了GPS跳19秒問題的原因是GPS接收機的閏秒修正軟件算法存在缺陷，致使GPS模塊程序接收到錯誤信息。通過改進GPS解碼程序并搭建驗證平臺進行測試，解決了GPS跳秒問題，提高了船載時間統一系統GPS授時的可靠性。

參考文獻

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