羅蘭C絕對時間同步快速恢復方法研究

李靖宇，溫國良，韓紅印

（91821部隊，廣東潮州，515736）

0 引言

羅蘭C系統實現授時必須具備兩個條件：發射時間(TOT)絕對時間同步、授時電文的播發。本文重點討論絕對時間同步過程中的常見問題。

1 羅蘭C授時的基本原理

1.1 絕對時間同步

1.1.1 發播偏差測量

羅蘭C絕對時間同步的基礎是建立信號發射時刻(TOT)與系統時間的關系。實現TOT與系統時間標志(基準)之間發播偏差測量是必須的環節。其測量原理如圖1所示。

圖1 發播偏差測量原理圖

發播偏差Δ=Δ1+Δ2。1PPS北斗為衛星接收機輸出的秒信號。1PPS本地是本地原子頻標經分頻鐘產生的秒信號。PIPS6信號由從天線電流取樣環反饋信號提取，相對真正發射時刻存在固定的反饋延遲約200ns，可以測量得出。

1.1.2 定義本地秒

第一步：長按分頻鐘同步按鈕，即可將1PPS本地與1PPS北斗完成相位同步，同步誤差小于10nS。

第二步：將衛星授時接收機輸出的時刻信息（例如：2021年08月10日16時10分25秒）賦予本地秒。輸入時刻信息過程中要超前10秒左右，待衛星接收機鐘面秒跳到該時刻時迅速按下確認按鈕。

1.2 授時電文播發

經過上述兩步操作即完成了本地秒（1PPS本地）的絕對時間同步。根據圖1的測量的數據即可獲取羅蘭C信號的發播時刻（TOT）。此信息通過分頻鐘串口輸送到編碼形成設備，編碼形成設備控制調制控制設備形成授時電文再通過發射機發射出去。其流程如圖2所示。

圖2 授時信號播發原理圖

2 發播時刻（TOT）的推算與監測

編碼形成設備和共視設備對發播偏差數據進行了顯示和監測，主要有共視偏差和同步調整兩個重要數據，分別對應Δ1和Δ2。

2.1 共視偏差

共視偏差反映的是本地秒（1PPS本地）與衛星接收機輸出的標準秒（1PPS北斗）的偏差，即圖1中的Δ1。共視偏差監測的是兩個秒信號的相位差，用普通計數器即可測量，在此不再贅述。

2.2 同步調整

同步調整窗口位于編碼形成設備界面，同步調整窗口數據與Δ2測量數據密切相關，其顯示數據直接反映了授時基準是否正確。一旦有大的波動往往預示著授時信號的錯發。

2.3 任意時間秒UNTOC計算方法

由于羅蘭C信號的周期（GRI）和UTC秒信號（1PPS）不是等周期信號，羅蘭C信號的臺鏈時間基準（CTR）與UTC秒信號只有在特定的秒上才是重合的。羅蘭C信號CTR重合（對準）的UTC秒為“符合時間（TOC）秒”，非TOC 秒與其后續最近出現的CTR之間的間隔為非TOC秒偏差（UNTOC）。東海臺鏈的GRI 為 83900us，其 TOCI 為 839S，共有（839-1）種 UNTOC。相關時間概念如圖3所示。

圖3 幾種時間關系

給定時間UNTOC按下述方法計算[1]：

（1）計算給定時間[MJD(d)hhmmss]與發射脈沖起始時間相差秒數t1：

（2）計算發射脈沖起始時間到給定時間扣除整數PCI后的余數t2

（3）用PCI減去該余數，即為該時間秒的UNTOC：

MJD（d）：給定日期的約化儒略日；

MJD（d0）：羅蘭起始日期的約化儒略日，等于36204；

LS：UTC閏秒，當前為27S；

Int (x) ：對 x 取整，PCI=2GRI。

對于主臺，ED=0，發射脈沖起始時間即是羅蘭起始時間。對于副臺，ED≠0，發射脈沖起始時間是羅蘭起始時間滯后發射延遲（ED）的時間，編碼形成設備軟件已設置為固定參數。

2.4 同步調整數據與△2的關系

UNTOC實際測量通常采用計數器，1PPS開門，CTR關門，所計間隔為正值。對于不同的非TOC秒，CTR與UTC秒的相互間隔（偏差）是不一樣的，不方便監測。利用測量值減去理論推算值則可以得到一個比較穩定的數值。

利用實測值Δ2與UNTOC理論計算值相減后的差值作為同步調整數據，用來衡量本地發射基準穩定度，同時它避免了只能在長時間間隔（TOCI）實施一次測量的缺欠，每秒都可以進行測量。

3 發播時刻（TOT）常見錯誤分析及基準恢復方法

3.1 發播時刻常見錯誤

發播時刻常見有以下3種錯誤：①溯源偏差過大，溯源設備界面顯示；②同步調整數值過大，同步調整窗口顯示；③在線邊和備用邊本地秒偏差過大，監測計數器顯示。

上述問題其主要問題在于以下方面：

3.1.1 參數設置

由公式（1）-（3）可以看出 ：閏秒、GRI、鐘面時間輸入錯誤均會影響到UNTOC理論值，進而導致同步調整數據顯示不準確。如果監測數據超差，要注意檢查相關參數輸入是否正確，尤其在設備重新開機對準時。

3.1.2 裝備故障

常見裝備故障有衛星接收機輸出秒信號不穩定，亦或分頻鐘產生的本地秒不穩定，直接導致測量數據過大或者不穩定跳動。若衛星接收機故障，一般會雙邊溯源數據均不正常。若單分頻鐘故障，對應的溯源數據、同步調整數據、雙邊監測計數器均會顯示不正常，更換相關備件即可。

3.1.3 測量誤差

測量誤差常見于在線邊與備用邊偏差監測，監測計數器數值由10ns級跳至10us級。這主要是測量儀器分辨率問題。如圖4所示。

圖4 秒信號相位差測量示意圖

由圖4所示，秒信號相位差較大時，計數器分別用兩個秒信號的上升沿作為開、關門可以精確測量出其相位差值。如果兩個秒信號相位差過小，甚至重疊的情況下，計數器無法分辨，開關門可能由秒信號的相位噪聲觸發，此時測量的是秒信號的脈寬。脈寬一般是10us量級或者1ms量級，視設備不同而定。如果雙邊監測計數器跳到10us量級要高度懷疑雙邊同步過緊，出現此現象一般基準信號并無問題，可以用示波器進行波形檢測，將單邊1PPS拉開50ns，此現象可消失。

3.2 溯源缺失情況下時間基準恢復方法

如果出現絕對時間同步數據錯誤則意味著授時信號錯發，需要重新進行時間同步。若溯源設備故障，則很難完成同步。利用現有裝備，可以從下面兩個方面進行操作。

3.2.1 原子鐘守時方法

由于秒信號相位差測量要求比較精準，因此基準恢復的主要問題在于秒信號相位的同步，而秒的時刻信息來源則相對較廣。例如：手機的網絡時間就可以達到秒級精度，在溯源缺失情況下可以作為參考。

日常要注重利用臺站的原子鐘進行守時，以維持穩定的秒信號。其中TA1000型激光抽運原子鐘具有外部信號同步功能，方便進行守時。

如圖5所示，將外部（衛星接收機）輸出的秒信號連接到原子鐘1PPS-SYNC端口，打開時間管理界面，按下時間同步按鈕即可完成原子鐘1PPS與外部秒的同步。對于更精密的時間同步可以計算原子鐘1PPS與外部1PPS的線性偏移率，進行校準情況下可以同步到100ns以內。最好每周同步1次，以備溯源設備故障時可以將TA1000的1PPS參考信息源。

圖5 利用外信號同步原子鐘秒信號方法

對于5585B型原子鐘，沒有外部秒信號同步功能，可以利用計數器測量其1PPS與外部（衛星接收機）1PPS的相位差，記錄偏差值，也可長時間監測計算出線性偏移量。利用5585B原子鐘1PPS作為參考基準時，按下分頻鐘同步鍵后，需再進行相應移相處理，移相值即為日常記錄的秒信號相位差值，移相后即可完成秒信號同步。

利用原子鐘守時法在原子鐘重新加電后要重新進行同步或記錄秒信號相位差。

3.2.2 監測站數據反饋法

除了采用原子鐘守時法還可利用監測站反饋數據法進行逐步逼近。

因無穩定的參考秒信號，此時進行秒信號同步已無意義。可以先依據手機網絡等信息源提供的時刻信息完成鐘面信息輸入，確保信號播發，此時授時偏差較大，且數值隨機，往往從幾十到幾百毫秒不等。

若監測站可以監測到數據，可以根據監測站提供偏差值進行移相操作，逐步移相至us級以下偏差，此時秒信號基本完成了粗同步，再根據外部（手機）網絡等信息源提供的時刻信息對本地秒進行對時，對時完成后再根據監測站監測結果重復移相、對時操作，逐步逼近準確值。

此種方法受監測站接收條件影響，在接收機未鎖定或者鎖定錯誤情況下，提供的反饋數據參考性較差，同步精度也較低。甚至在偏差較大，信噪比較低的情況下，監測站也可能收不到信號，需要逐步對分頻鐘進行大幅度移相操作，以便監測站能夠接收到信號，此過程時間較長，不利于基準的快速恢復。

3.2.3 先移相后對時原則

在定義本地秒過程中，明確了先同步，再對時。即：先消除本地秒與UTC秒的相位差，使本地秒與UTC秒相位差同步到10ns以內，再對本地秒進行賦值。兩步不可以顛倒，否則會導致本地秒與UTC秒偏差過大，也就是未對準。此時，若調整溯源偏差到正常值，則會出現同步調整數據偏大；若調整同步調整數據到正常值，則會出現溯源偏差過大。

4 小結

絕對時間同步錯誤是羅蘭C臺站在日常播發中經常遇到的問題。尤其在溯源設備故障情況下，要恢復授時基準往往比較費時費力。本文通過分析相關原理，利用現有裝備，結合日常工作經驗提出了恢復基準的方法，對臺站相關故障處置具有參考意義。