某型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備授時(shí)精度超差故障分析

曹佩武 馮云 孔琦

摘要：針對(duì)某型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備在功能性能鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)的GPS、GLONASS工作模式下授時(shí)精度超差故障現(xiàn)象進(jìn)行研究分析，查找故障原因，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，提出改進(jìn)措施并進(jìn)行措施驗(yàn)證，對(duì)提高衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備工作可靠性和保持武器系統(tǒng)之間的時(shí)間同步具有重要意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備；授時(shí)精度；變量

Keywords： satellite navigation terminal equipment；time service accuracy；variable

0 引言

授時(shí)是指確定、保持某種時(shí)間尺度，并通過有線或無線的方式將代表這種尺度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的一系列過程。在各種授時(shí)方法中，衛(wèi)星授時(shí)因具有覆蓋范圍廣、精度高、全天候和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)時(shí)間精確同步的最佳選擇。授時(shí)功能在許多領(lǐng)域尤其在信息化戰(zhàn)爭中具有重要作用，已廣泛用于各級(jí)軍事系統(tǒng)和各種作戰(zhàn)操作中，如戰(zhàn)場實(shí)時(shí)態(tài)勢感知、精確打擊武器的制導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、兵力的調(diào)動(dòng)與作戰(zhàn)實(shí)施。

1 故障現(xiàn)象

某型武器系統(tǒng)各型裝備加裝衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備后將獲得衛(wèi)星授時(shí)功能，并將時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一到衛(wèi)導(dǎo)時(shí)間系統(tǒng)，從而保持各武器系統(tǒng)的時(shí)間同步，為一體化聯(lián)合組網(wǎng)作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。

該型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，工作模式有BDS、GPS、GLONASS和自適應(yīng)四種，其中自適應(yīng)工作狀態(tài)采用自動(dòng)降級(jí)處理，優(yōu)先級(jí)從高到低分別為BDS>GPS>GLONASS。設(shè)備主要工作在自適應(yīng)模式，在露天定點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)精度測試時(shí)滿足不大于50ns的指標(biāo)要求，但在手動(dòng)選擇工作模式下定點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)精度測試時(shí)，卻出現(xiàn)GPS、GLONASS授時(shí)精度超出50ns指標(biāo)要求的故障。

2 故障原因分析

為了便于分析問題，查找故障原因，列出了該型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備與時(shí)間數(shù)據(jù)信息輸出有關(guān)的部件，并明確各個(gè)部件之間的信息交互關(guān)系，如圖1所示。

該型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備接收處理系統(tǒng)包含一個(gè)全功能板卡、一個(gè)抗干擾天線、兩個(gè)定向天線和配套的射頻電纜。接收處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出邏輯設(shè)計(jì)為通過串口4輸出定位、定向和時(shí)間等信息，串口1、串口2、串口3分別用于定位和定向的授權(quán)部件以及IC芯片的加注。

接收處理系統(tǒng)中的全功能板卡接收抗干擾天線和定向天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過解算得到當(dāng)前的位置、速度、時(shí)間等信息，完成組幀后，按照1Hz的頻率通過串口4向外輸出至綜合處理板，綜合處理板將定位信息分別輸出至綜合顯控和標(biāo)準(zhǔn)顯控；全功能板卡同時(shí)輸出LVTTL電平的1PPS信號(hào)給綜合處理板，綜合處理板將LVTTL電平的1PPS信號(hào)變換為RS422差分電平的1PPS信號(hào)對(duì)外輸出。

根據(jù)該型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備的時(shí)間數(shù)據(jù)信息輸出邏輯，列出可能造成上述故障現(xiàn)象的所有情形，建立如圖2所示的故障樹。

2.1 硬件異常

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備授時(shí)原理，衛(wèi)導(dǎo)授時(shí)終端需先完成定位再獲得時(shí)間信息。對(duì)衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備在露天環(huán)境下進(jìn)行定位精度和抗干擾性能指標(biāo)測試，均滿足要求，說明設(shè)備的抗干擾天線和全功能板卡硬件工作正常，可以排除底事件X1、X2、X3。

2.2 軟件異常

全功能板卡為某型衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備的核心部件，屬軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，軟件由定向軟件、定位授時(shí)軟件、接口軟件、抗干擾軟件構(gòu)成。其中，定位授時(shí)軟件主要完成BDS、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)捕獲跟蹤，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和授時(shí)信息實(shí)時(shí)輸出功能。全功能板卡接收天線信號(hào)，通過射頻模塊完成輸入射頻信號(hào)的下變頻處理，并將得到的中頻模擬信號(hào)輸出至基帶信號(hào)處理單元。經(jīng)A/D變換后，基帶信號(hào)處理單元結(jié)合RTC授時(shí)單元給出的時(shí)間信息，對(duì)BDS、GPS、GLONASS導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行快速捕獲；完成信號(hào)的捕獲后，通過跟蹤通道單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤、觀測量提取和導(dǎo)航電文提取。基帶信號(hào)處理單元向PVT解算單元輸出導(dǎo)航電文和碼偽距、多普勒頻率、載波相位測量和本地時(shí)間等觀測量數(shù)據(jù)。PVT解算單元通過特定模塊電路完成導(dǎo)航電文的格式轉(zhuǎn)換，通過IC卡完成電文的解密處理，結(jié)合觀測量數(shù)據(jù)完成PVT解算處理，得出用戶終端的精確位置、速度、時(shí)間信息。

1）跟蹤通道單元異常

在測試過程中，通過上位機(jī)軟件查看衛(wèi)星接收機(jī)BDS、GPS和GLONASS所用通道的收星情況，如圖3所示。

由圖3可見，各個(gè)衛(wèi)星通道能夠正確捕獲并跟蹤相應(yīng)的衛(wèi)星，說明跟蹤通道單元工作正常，可以排除底事件X4。

2）基帶信號(hào)處理單元異常

測試過程中，通過上位機(jī)軟件觀察，衛(wèi)星接收機(jī)能夠解算出各個(gè)衛(wèi)星的星歷，得出正確的方位角、俯仰角等信息，且BDS、GPS和GLONASS能夠獨(dú)立完成PVT解算，說明基帶信號(hào)處理單元工作正常，可以排除底事件X5。

3）對(duì)外接口單元異常

測試過程中，通過上位機(jī)軟件查看串口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議要求的輸出格式一致，說明對(duì)外接口單元工作正常，可以排除底事件X6。

4）PVT解算單元異常

測試過程中，分別切換至BDS定位、GPS定位和GLONASS定位工作模式，通過分析上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)，衛(wèi)星接收機(jī)在三種模式下均能正確輸出定位測速數(shù)據(jù)，且滿足定位測速指標(biāo)要求。與基準(zhǔn)接收機(jī)的1PPS信號(hào)進(jìn)行對(duì)比測試時(shí)，BDS授時(shí)精度滿足指標(biāo)要求，GPS和GLONASS授時(shí)精度超出50ns的指標(biāo)要求，此時(shí)利用上位機(jī)軟件通過衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備串口對(duì)GPS系統(tǒng)的1PPS延時(shí)進(jìn)行配置。當(dāng)配置好GPS系統(tǒng)的1PPS延時(shí)后，BDS/GLONASS系統(tǒng)的1PPS會(huì)出現(xiàn)偏差；配置好GLONASS系統(tǒng)的1PPS延時(shí)后，BDS/GPS系統(tǒng)的1PPS會(huì)出現(xiàn)偏差；配置好BDS系統(tǒng)的1PPS延時(shí)后，GPS/GLONASS系統(tǒng)的1PPS會(huì)出現(xiàn)偏差。因此，故障可定位為底事件X7，即PVT解算單元異常。

3 解決措施及驗(yàn)證

3.1 故障解決措施

針對(duì)因BDS、GPS和GLONASS三個(gè)系統(tǒng)的差異引起的1PPS延時(shí)不一致，在軟件設(shè)計(jì)改進(jìn)中增加了4個(gè)變量，分別對(duì)應(yīng)BDS-B3、BDS-B1、GPS-L1和GLONASS-R1四個(gè)頻點(diǎn)，通過程序語句獨(dú)立進(jìn)行1PPS延時(shí)補(bǔ)償設(shè)置。增加的變量如圖4所示，1PPS延時(shí)設(shè)置命令如圖5所示。

3.2 驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證故障解決措施的有效性，將修改后的定位授時(shí)軟件燒入全功能板卡，利用上位機(jī)軟件，通過衛(wèi)導(dǎo)終端設(shè)備串口分別設(shè)置BDS-B3、BDS-B1、GPS-L1和GLONASS-R1的1PPS延時(shí)，在露天環(huán)境定點(diǎn)進(jìn)行GPS和GLONASS工作模式下授時(shí)精度的測試，如圖6、圖7所示，測試結(jié)果為10.120ns和18.680ns，均滿足不大于50ns的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

針對(duì)GPS、GLONASS工作模式下授時(shí)精度超差的故障現(xiàn)象，建立故障樹，從軟件、硬件的角度進(jìn)行了故障原因分析，確定了故障根源，進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，經(jīng)充分驗(yàn)證，問題得到了解決。通過本次暴露的故障，在后續(xù)產(chǎn)品研制過程中應(yīng)吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，充分理解研制要求，與用戶保持可靠有效的溝通。本文的故障處理思路和解決方法可為后續(xù)該型產(chǎn)品類似故障的處理提供理論支持和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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