一種高可用北斗授時裝置設(shè)計與實現(xiàn)

戎強，劉鐵強，尹繼凱，王彬

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050081）

0 引言

隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，北斗授時技術(shù)在國民經(jīng)濟、大眾生活、國防建設(shè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并正在國內(nèi)外得到更為快速的應(yīng)用推廣。然而，在北斗授時裝置的工程實際應(yīng)用過程中，存在多種不同類型的設(shè)備型譜[1,2]，這些設(shè)備大多可以輸出一種和幾種類型的北斗授時信號[3,4]，例如10MHz、100MHz等頻率信號以及1pps授時、B碼、NTP、PTP、Tod等多種體制的時碼信號[5-7]，但輸出信號的類型和輸出信號的路數(shù)一般都是固定不變的，往往無法滿足工程應(yīng)用中存在的多變的授時需求。因此，迫切需要一種可以滿足大多數(shù)用戶授時需求的裝置，設(shè)計一種輸出信號可根據(jù)用戶的具體需求進行配置的授時裝置是解決該問題的有效方法之一。針對這一問題，本文提出了一種北斗授時鏈路的時延模型，在介紹了北斗授時、時鐘馴服、零值校準等基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種輸出信號類型可按照用戶需求配置的高可用北斗授時裝置，并開展了實驗驗證。

1 基本原理

1.1 北斗授時鏈路時延模型

北斗授時鏈路時延模型主要包括北斗溯源鏈路時延、北斗授時鏈路時延、時頻傳輸線纜時延，如圖1所示。

圖1 北斗授時鏈路時延模型

圖中UTC（Universal Time Coordinated，協(xié)調(diào)世界時）中心維持國家標準時間[8]，遠程時間比對鏈路實現(xiàn)北斗時間向UTC中心時間的溯源，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和授時裝置共同實現(xiàn)北斗授時服務(wù)，時頻信號傳輸電纜實現(xiàn)授時信號向用時系統(tǒng)的傳遞。其中，1ppsUTC為UTC中心的國家標準時間，1ppsBD為北斗時間，1ppsST為授時裝置輸出的定時信號，1ppsOUT為傳輸線纜末端的定時信號。這里，τSY為北斗溯源鏈路時延，表示1ppsBD與1ppsUTC之間的鏈路時延偏差；τBD為北斗系統(tǒng)鏈路時延，表示1ppsST與1ppsBD之間的鏈路時延偏差；τXL為傳輸線纜時延，表示1ppsOUT相對于1ppsST的時延偏差。

圖1中，在τSY、τBD、τXL相互獨立的前提下，1ppsUTC到1ppsOUT的總時延τZSY可表示為式(1)：

1.2 北斗授時基本原理

在北斗授時應(yīng)用過程中，對于已知精密坐標的固定用戶，觀測到1顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)精密時間測量與同步。若觀測到4顆衛(wèi)星，則可精密確定接收機天線所在位置的坐標、速度以及用戶時間相對北斗時間的精確鐘差，進而實現(xiàn)精確授時[9]。圖2給出了北斗授時時間測量原理。

圖2 北斗授時時間測量原理

圖2 中，tΔ為用戶鐘相對北斗時間的真時差，即：

式(2)中，BDt為用戶接收機接收到的北斗時刻信號，且有：

式(3)中，Ut為用戶機時刻；R為偽距。

由圖2可以看出：

式(4)中，Rc是直接得到的偽時差；SVtΔ 為星載鐘相對于北斗時間的時差，可從導(dǎo)航電文中獲得；τΣ為衛(wèi)星到地面接收機的總時延。則由式(4)可得到：

其中，τΣ可表示為：

式(6)中，Rτ為只考慮衛(wèi)星至接收機距離的時延；iτ和tτ為由電離層和對流層引入的附加時延；rτ為接收機天線、天線線纜及接收機本身引入的設(shè)備時延[10]。其中，Rτ、iτ和tτ可由北斗導(dǎo)航電文中提供的數(shù)據(jù)計算得到，rτ可由接收機標校得到，進而可求得用戶鐘相對于北斗時間的真時差Δt。

1.3 時鐘馴服基本原理

時鐘馴服電路[11]由北斗接收機、銣鐘、DDS（Direct Digital Synthesis，直接數(shù)字頻率合成）模塊、濾波模塊、10MHzPLL模塊、分頻模塊、比相及時鐘馴服模塊等模塊構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 時鐘馴服原理

圖3 中，北斗接收機提供代表北斗整秒時刻的1pps信號和1pps信號有效標志信號；銣鐘輸出高精度的10MHz信號；DDS模塊用于實現(xiàn)10MHz信號的移相和零值扣除；濾波模塊實現(xiàn)對DDS輸出10MHz信號的濾波和平滑；10MHzPLL模塊實現(xiàn)10MHz信號的指標提升；分頻模塊通過10MHz分頻得到1pps信號；比相模塊通過測量來自北斗接收機模塊的1pps信號與來自分頻模塊的1pps信號的時差，通過時鐘馴服算法得到對銣鐘模塊的時鐘校準信號。

1.4 零值校準基本原理

由圖1可以看出，對于北斗授時裝置的零值校準可將北斗授時裝置放置于UTC中心，使北斗授時裝置直接接收空間北斗導(dǎo)航信號，用時間間隔計數(shù)器直接測量得到北斗授時裝置輸出的定時信號1ppsST與標準時間基準1ppsUTC的偏差τST－UTC，進而計算得到授時裝置的零值調(diào)整量為：

在考慮授時裝置與用時系統(tǒng)之間的傳輸線纜時延的情況下，授時裝置的時延補償調(diào)整量為：

2 授時裝置設(shè)計

2.1 設(shè)備組成與連接關(guān)系

北斗授時裝置通過接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，經(jīng)過實時PVT解算，獲得高精度的授時信號，并對銣原子鐘進行馴服，從而獲得準確度高、穩(wěn)定度好的時間頻率信號，輸出可選擇配置的10MHz、1pps、B碼、NTP、PTP等高精度的時間頻率信號，北斗授時裝置組成如圖4所示。

圖4 北斗授時裝置組成圖

圖4 中，北斗授時裝置由電源、銣鐘、頻率分路板、時鐘馴服板、10MHz PLL、母板、接收機卡、1pps輸出卡、監(jiān)控卡、電源接口面板、數(shù)碼管板、液晶板、按鍵與指示燈板等構(gòu)成。此外，該裝置配備了4個可靈活配置的板卡槽位。

北斗授時裝置各模塊的基本功能及其連接關(guān)系如下：

（1）電源接口面板具有外部220V交流電的電源接口，并將AC交流電傳輸給電源開關(guān)。

（2）電源開關(guān)實現(xiàn)電源接口面板與電源模塊間AC交流供電的聯(lián)通和切斷。

（3）電源模塊實現(xiàn)將220V交流AC供電轉(zhuǎn)換為授時裝置所需要的直流DC供電。

（4）銣鐘模塊接收來自時鐘馴服卡的時鐘馴服信號，輸出高精度的10MHz信號，為設(shè)備提供基準參考信號，同時銣鐘模塊接收來自時鐘馴服板卡的控制信號，實現(xiàn)對時鐘的校準。

（5）頻率分路板對10MHz進行多路分配，為設(shè)備提供6路高精度的10MHz信號。

（6）時鐘馴服板是實現(xiàn)北斗授時過程中時鐘同步的核心單元，由分路模塊、1pps生成模塊、比相模塊、控制模塊、整形模塊、DDS模塊、濾波模塊構(gòu)成。其中，分路模塊采用頻率信號驅(qū)動芯片實現(xiàn)對來自10MHz PLL的10MHz信號進行分路，其中1路直接輸出，另一路送給1pps生成模塊作為其主時鐘。1pps生成模塊接收控制信號的指令，對輸出的1pps信號進行超前、滯后調(diào)整。比相模塊對接收機輸出的1pps-in和1pps信號進行相位比對，1秒鐘完成一次測量和上報。整形模塊完成對來自銣鐘的10MHz信號的整形，得到10Mpps信號，并送給DDS模塊作為其主時鐘。DDS模塊接收控制中心的零值扣除指令，實現(xiàn)對頻率信號的超前、滯后移相，與1pps生成模塊聯(lián)合實現(xiàn)對整機零值的扣除。濾波模塊對DDS輸出的10MHz信號進行濾波、凈化處理。控制模塊是整個時鐘馴服板的處理中心，完成馴服算法、銣鐘馴服控制、零值扣除控制、比相模塊控制、1pps生成模塊控制以及DDS模塊控制。

（7）10MHzPLL以經(jīng)過DDS相位控制后的10MHz信號為參考，鎖相產(chǎn)生高穩(wěn)定度的10MHz輸出，實現(xiàn)對10MHz信號的凈化提純。

（8）母板是各個插卡、非標區(qū)各個模塊的公用接口平臺，為各個板卡、模塊提供標準化的統(tǒng)一供電和1pps信號、10MHz信號、串口通信信息接口。

（9）接收機卡是實現(xiàn)北斗授時的核心單元，接收北斗導(dǎo)航信號，輸出UTC時間和代表標準時間整秒時刻的1pps信號。

（10）1pps輸出卡是北斗授時裝置授時信號基準的輸出單元，實現(xiàn)代表北斗授時裝置定時時刻的1ppsST信號。

（11）監(jiān)控卡實現(xiàn)對整機的監(jiān)控，通過串口與每一個模塊連接，實現(xiàn)對各個模塊狀態(tài)的采集與監(jiān)控，同時也是授時裝置與上位機的唯一接口。

（12）數(shù)碼管板實現(xiàn)UTC時間的顯示。

（13）液晶板實現(xiàn)授時裝置關(guān)鍵狀態(tài)的顯示，同時可配合按鍵實現(xiàn)對一些關(guān)鍵設(shè)置項的操作。

（14）按鍵與指示燈板提供本地指令的設(shè)置和操作，同時對供電狀態(tài)、鎖定狀態(tài)、北斗狀態(tài)的指示。

（15）可配置槽位可根據(jù)用戶的具體需求進行配置。

2.2 可配槽位的配置方法

4個可配置的板卡槽位，采用通用總線架構(gòu)，可按照用戶的具體應(yīng)用需求進行配置。

（1）授時裝置共具有4個配置槽位，配置項包括5鐘板卡：10MHz卡、1pps卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡。

（2）同一種板卡最多可以配置4張，而不配置任何其他類型的板卡。例如，A用戶需要大量的1pps信號，而不需要別的信號，則A用戶可以選擇配置1～4張1pps卡，以滿足應(yīng)用需求。

（3）可按照具體需求配置兩種或三種不同的板卡，而其中某種板卡可以配置多張。例如，B用戶需要較多的1pps信號和更多的B碼信號，則B用戶可以選擇配置2張1pps卡，2張B碼卡。

（4）每種板卡可以各配置一張，從而形成北斗授時裝備的標準配置。例如，C用戶每種信號都需要，則C用戶可以采用標準配置，即10MHz卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡各配置一張，形成北斗授時裝置的標準型配置。

總之，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，配置合適的輸出板卡組合，最大限度的滿足用戶需求，提高了授時裝置的靈活性和可用性。

2.3 授時信號的校準方法

授時信號校準指的是利用測量儀器對授時裝置輸出的定時信號與UTC的偏差進行測量與修正的過程，主要包括授時裝置零值的校準、時碼信號的時延測量與校準。

（1）授時裝置零值的校準需要在UTC中心利用儀器測量授時裝置輸出的1ppsST與UTC中心1ppsUTC的時差（見圖1），并在授時裝置中對這一時延值進行扣除。

（2）時碼信號的時延測量與校準，需要測量10MHz卡、1pps卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡所輸出的時碼信號與1ppsST的時差，并在授時裝置中對這一時延值進行扣除。其中，10MHz信號與1ppsST的相位偏差可利用示波器進行測量；1pps信號與1ppsST的時差可利用時間間隔計數(shù)器進行測量；B碼與1ppsST的相位偏差可以利用示波器進行測量；NTP/PTP信號與1ppsST的相位偏差可利用網(wǎng)絡(luò)信號測試儀進行測量。

3 驗證與分析

基于3臺所設(shè)計的高可用北斗授時裝置，開展了實驗驗證：

第一步，在UTC中心對1號～3號三臺北斗授時裝置的零值進行標定，利用時間間隔計數(shù)器測量授時裝置輸出的1ppsST信號與UTC中心的1ppsUTC信號的時差，計算得到授時裝置的零值測試結(jié)果如表1所示。

表1 零值測量結(jié)果

由表1可見，三臺授時裝置零值的相對偏差峰峰值為6.6ns，說明同型號同批次的三臺設(shè)備零值一致性較好，零值較為接近。

第二步，將1號～3號三臺授時裝置配置為2張1pps卡，2張B碼卡，測量輸出信號與1ppsST的定時時刻偏差，測試結(jié)果如表2所示。

表2 時碼信號時延偏差測量結(jié)果

由表2可見，1pps信號的偏差峰峰值在0.3ns以內(nèi)，三臺授時裝置的1pps授時一致性較高；B碼信號的偏差峰峰值在2ns以內(nèi)，相對于B碼信號微秒量級的授時精度，2ns的偏差是滿足要求的。

第三步，將1號～3號三臺授時裝置配置為2張PTP卡，2張NTP卡，利用TimeACC儀器測量網(wǎng)絡(luò)授時信號相對于1ppsST的精度[12]，測試結(jié)果如表3所示。

表3 網(wǎng)絡(luò)授時信號時延偏差測量結(jié)果

由表3可見，PTP信號的偏差峰峰值在5ns以內(nèi)，相對于PTP信號幾百納秒量級的授時精度，5ns的偏差是滿足要求的；NTP信號的偏差峰峰值在0.5ms以內(nèi)，相對于NTP信號微秒量級的授時精度，0.5ms的偏差是滿足要求的。

4 結(jié)束語

根據(jù)所提出的北斗授時鏈路時延模型，在分析北斗授時相關(guān)基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制了一種輸出信號類型可按照用戶需求進行配置的高可用北斗授時裝置，并基于三臺北斗授時裝置開展了實驗驗證，實驗結(jié)果表明：研制的北斗授時裝置可通過接收北斗導(dǎo)航信號實現(xiàn)高精度的10MHz、1pps、B碼、NTP、PTP等多種體制的授時服務(wù)，其靈活的可配置設(shè)計極大的提高了該裝置滿足不同用戶需求的能力，具有較好的工程應(yīng)用與推廣價值。