一種高精度時頻信號同步系統

張林華

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

在信號測量時頻應用系統中，如何建立各測量站間時頻信號的同步，提升信號同步精度和穩定度，是系統設計必須關注并解決的核心技術問題[1-2]。時頻信號應用系統通常有主從同步和本地同步2種方式。主從同步工作方式受制于使用空域、站間信號傳輸設備、傳輸網絡、系統成本等因素的影響，限制了系統的應用范圍，降低了站間時頻信號的同步精度。本地同步方式解決了主從同步的不利因素，系統同步精度主要受制于各測量站時頻設備產生的同步信號間的同步精度和設備成本。本文設計了一種高精度時頻信號同步系統，采用通用化、低成本、平臺化的硬件，融合軟時統技術，以無通信共視技術和時頻生成技術為核心，集成高精度GNSS接收機，可接收BD(B1、B2、B3C)、GPS(L1、L2C)、GLONASS(L1、L2)等多頻點衛星信號，實現多路高精度1 PPS、10 MHz標頻信號、B(DC)碼等時頻信號輸出，實現時頻信號測量系統中各測量站間信號測量的高精度同步和標頻信號的穩定。

1 高精度時頻信號同步系統

本高精度時頻信號同步系統在各信號測量站配置單一的時頻信號同步設備，各時頻信號同步設備接收BD/GPS/GLONASS衛星信號[3]，以高精度時頻單元為基礎，將自主創新的軟時統技術平臺與衛星同步技術、高穩馴服技術、多參考無損切換技術、時頻綜合技術、高精度守時技術以及時頻生成技術進行結合，為各時頻信號測量站提供1 PPS同步脈沖、10 MHz標頻信號、B(DC)碼、網絡時間協議(NTP)等系統應用需求信號輸出。通過采用獨有的衛星共視算法技術，實現各時頻信號測量站間信號測量的高精度同步。系統架構框圖如圖1所示。

圖1 高精度時頻信號同步系統架構框圖

系統按需求預置接收的衛星信號(BD、GPS、GLONASS)，接收導航授時信息，恢復時間消息(TOD)和參考1 PPS作為參考信號，測量單元采用軟硬件結合的方式實現高精度的頻差和相差測量。通過運算單元對晶振老化特性、溫度特性進行分離補償，準確地濾波及分析數據噪聲情況，選擇合適的環路帶寬，保證高精度時間同步和高穩低噪頻率同步，實現智能馴服恒溫晶振。系統內置恒溫晶體振蕩器(OCXO)，當外參考有效時，根據馴服期間的溫度和壓控數據，可智能分離晶振溫度和老化特性；若外參考無效，則對OCXO進行精準補償，進而達到高精度守時。同時將馴服產生的高穩的OCXO 100 MHz頻率和1 pps作為基準，通過時碼生成單元產生B碼和其它串行時間碼，結合時頻綜合技術生成高精度的10 MHz標頻信號和1 PPS同步脈沖信號。

1.1 時頻信號同步設備硬件設計

時頻信號同步設備由GNSS測向接收機、高精度時頻測量單元、接口擴展單元、高穩定銣鐘等功能模塊組成。硬件架構組成如圖2所示。

圖2 時頻信號同步設備硬件架構組成框圖

GNSS測向接收機和高精度時頻測量單元是時頻信號同步設備的架構核心，當GNSS測向接收機接收BD、GPS、GLONASS衛星導航授時信息時，系統可憑借載波相位觀測及導航定位算法，產生1 PPS、海運事業無線電技術委員會(RTCM)標準協議差分串行數據、定位數據。高精度時頻測量單元同時兼具接收衛星信號和外參考GNSS源功能，通過測量GNSS測向接收機恢復的參考1 PPS與銣鐘Ru_10 M之間的相差，馴服控制銣鐘，將銣鐘的Ru_10 M與高精度時頻測量單元上的10 MHz OXCO進行馴服，實現馴服鎖相回復輸出產生本地高精度的1 PPS、高穩低噪的10 MHz標頻信號、B(DC)碼和NTP等時碼及頻率信號。各模塊與高精度時頻測量單元通過內部CAN總線進行有效鏈接，單元模塊之間獨立性強、耦合度低，可根據系統的不同應用需求配置不同的接口擴展輸出模塊，具備輸出可擴展性；同時高精度時頻測量單元通過內部的CAN總線對各功能擴展模塊進行訪問監測，具有極高的通用性，增加了系統的適用性。

1.2 時頻信號同步系統軟體設計

時頻信號同步系統以軟時統技術平臺為基礎，采用模塊化設計，主要包括信號處理、馴服和守時、時碼輸出、設備管控等功能軟件模塊[4]。

信號處理功能軟件模塊主要包含時源的有效性判斷，時間跳變偵測、時源信息更新和時源狀態上報。

系統采用“動態環路帶寬技術”，使其具備高精度的頻率源(銣鐘、晶振)馴服功能，同時融合“增量式比例積分微分(PID)自動控制”算法，完成對頻率源高精度馴服。針對GNSS衛星信號外部時源參考源和溫度對銣鐘的短穩、長穩產生影響這一問題，可在系統內部預建立對應的PID參數列表，預設相應的環路帶寬控制參數。根據馴服過程壓控數據變化情況、跟蹤鎖定相位情況及時間參量，可智能判定環路帶寬適宜性，從而自動增減環路帶寬。同時系統利用增量式PID控制算法完成高精度馴服，有效降低馴服對本振穩定度的影響，成功實現時源跟蹤馴服[5]。

增量式PID算法的基本原理如圖3所示。

圖3 增量式PID算法原理圖

增量式PID算法公式如下：

Δm=KP[ek-ek-1]+KIek+

KD[ek-2ek-1+ek-2)]

(1)

式中：ek表示本次相差；ek-1表示上一次相差；KP、KI、KD分別表示比例、積分、微分控制系數；Δm表示本次壓控調節增量。

2 系統性能測試驗證

2.1 10 MHz信號輸出驗證

10 MHz標頻信號輸出相噪指標測試驗證見圖4，短穩指標測試驗證見圖5，10 MHz標頻信號輸出相噪和穩定度測試結果見表1。

圖4 10 MHz相噪指標測試

圖5 10 MHz短穩指標測試

表1 10 MHz相噪和穩定度輸出測試表

2.2 同步精度測試

在4個測量站組成的時頻測量系統中，對4套設備進行同步精度測試，測試結果見表2，測試驗證見圖6。

表2 同步精度測試表

圖6 同步精度測試驗證

3 結束語

本高精度時頻同步系統經過多項目實際應用驗證，10 MHz標頻信號的穩定度從10-11提高到10-12，站間的時間同步精度從50 ns提升到6 ns，遠優于同類時頻信號同步設備。該設備具有廣泛的應用前景和相當高的應用性價比。