IRIG-B碼終端中閏秒時間的處理

楊志剛，鄭麗麗

(中國電子科技集團公司第27研究所通信技術(shù)室，河南鄭州 450047)

由于地球自轉(zhuǎn)速度減慢，UTC同TAI時間誤差在2012年上半年就已＞0.9 s，北京時間2012年7月1日07時59分59秒(世界時6月30日23時59分59秒)全球同時進行閏秒，北京時間將出現(xiàn)07時59'60″的罕見景象。

國內(nèi)在6月至7月間進行了神州八號飛船與天宮一號的自動及手動交會對接試驗任務(wù)。而閏秒的出現(xiàn)打破了每分鐘60 s的時間運行規(guī)律，作為航天測控和彈道測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)中的IRIG-B碼終端是否能適應閏秒對時間的調(diào)整，能否保證整個測控系統(tǒng)在閏秒時刻與UTC時間一致，并滿足所有測控系統(tǒng)時間的統(tǒng)一，使測控系統(tǒng)圓滿完成此次任務(wù)。鑒于這種情況，由航天測控總體單位牽頭，從4月開始對國內(nèi)正在使用和進行研測控設(shè)備進行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示GJB 2991—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范中并未出現(xiàn)對閏秒的要求，幾乎所有測控設(shè)備中的時頻分系統(tǒng)均無閏秒的調(diào)整功能。為確保此次任務(wù)，應完成對之前研制的測控設(shè)備中時頻分系統(tǒng)的改造，保障交會對接測控設(shè)備的時間統(tǒng)一。

應用于航天測控中的IRIG-B碼終端，其可靠性要求較高，通常采用冗余設(shè)計［1］，利用GPS系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)和外部IRIG-B碼多種時間系統(tǒng)作為終端的外部時間基準。根據(jù)對在用測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)改造實踐，結(jié)合現(xiàn)階段時頻分系統(tǒng)中IRIG-B碼終端要求，提出了在IRIG-B碼終端中閏秒的處理方法與流程。以下分別介紹了閏秒的出現(xiàn)對航天測控的影響、外部時間基準、IRIG-B碼終端設(shè)計和終端中時間信息及閏秒的處理。

1 閏秒對航天測控的影響

國際原子時(TAI)是基于國際單位系統(tǒng)中的SI秒。TAI利用全球分布的同步原子鐘系統(tǒng)得到，計算時對單臺原子鐘的時間加權(quán)平均，并對已知影響因素修正。平時所用的世界協(xié)調(diào)時(UTC)是一種折衷的世界尺度，利用原子時的速率，而在時刻上逼近世界時。UTC同TAI相差0.9 s，便對UTC作一整數(shù)秒的調(diào)整，也就是通常所說的“閏秒”。由于地球活動的不可預知性，也導致閏秒的不可預知［1］。正常情況下，UTC在6月30日或12月31日的最后一秒進行，國內(nèi)采用同UTC同時調(diào)整的方法進行閏秒，所以對于北京時間，就相應在7月1日或1月1日7時的最后一秒。在閏秒時，由國家授時中心提前8周發(fā)布閏秒信息。

時間頻率分系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)的重要組成部分之一，擔負著為系統(tǒng)提供準確而穩(wěn)定的時間頻率基準的任務(wù)。時頻分系統(tǒng)須適應閏秒對時間的調(diào)整。否則，將造成分布在不同地區(qū)的測控系統(tǒng)與國家測控中心時間的不統(tǒng)一，從而引發(fā)測控站間的通信不暢，無法共享數(shù)據(jù)，導致測控數(shù)據(jù)計算分析錯誤甚至將造成測控任務(wù)的失敗。

2 外部時間基準

2.1 IRIG-B碼

IRIG-B碼是美國靶場測量組織制定的標準時間碼格式，其在國際上已得到了廣泛的應用，且已成為國際通用標準。結(jié)合國內(nèi)航天測控和時頻技術(shù)的發(fā)展，新制定的 GJB 2991A—2008《B時間碼接口終端》規(guī)范［2］，作為IRIG-B碼終端的設(shè)計標準。標準中規(guī)定IRIG-B碼分為直流碼和交流碼兩種碼型，其中交流碼是以1 kHz正弦波載頻對直流碼幅度調(diào)制后形成的，碼元幀格式如圖1所示。同GJB 2991—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范相比，新標準在碼元定義中，增加了閏秒修正標志和年編碼，時間碼編碼位置如表1所示。

圖1 IRIG-B碼元的幀格式

其中年的個位和10位交替出現(xiàn)于45～48位，年的個位與偶數(shù)秒出現(xiàn)在同一幀中，年的10位標志為“1”時，表明45～48位表示的是年的10位，反之，則是年的個位，在閏秒時，年的10位無法與奇數(shù)秒相對應時，舍棄年的10位。

閏秒標志用于控制B碼接口終端進行閏秒調(diào)整，閏秒標志碼元為索引計數(shù)27、28所對應的兩個碼元。當B碼傳輸?shù)腢TC時間需向后閏秒調(diào)整時，閏秒標志編碼為01;當需向前閏秒調(diào)整時，閏秒標志編碼為10。

表1 時間編碼位置

2.2 GPS時間和北斗時間

GPS時間是一個與UTC相似但卻完全不同的原子時系統(tǒng)［3］。GPS時間與UTC時間的區(qū)別在于GPS無閏秒，而UTC閏秒的引入使得GPS時間與協(xié)調(diào)時UTC之差為已知累計閏秒的整數(shù)［3］。GPS廣播電文并不直接提供標準時間信息，其標準時間信息通過GPS時間歷元零點、星期計數(shù)器和星期中的時間計算獲得。在廣播電文中，提供與UTC時間累計閏秒的整數(shù)及提前8周預報閏秒信息。

北斗系統(tǒng)與GPS相同，其時間系統(tǒng)無跳(閏)秒，系統(tǒng)時間與中國科學院授時中心的UTC(NTSC)保持一致，相差＜1 μs。所傳輸?shù)拿總€超幀電文信息中，包含如下基本信息［3］:

時刻:表示本超幀第一幀對應的時刻，分化值為1 min。

閏秒:表示 UTC的閏秒，表示北斗系統(tǒng)時間和UTC整秒差值，分化值為1 s。電文信息中實時告知當前北斗時間和UTC的閏秒信息，同時在發(fā)生閏秒調(diào)整時會提前1 min預告相關(guān)信息。

時差:表示北斗系統(tǒng)時間和中國國家授時中心發(fā)布的UTC時差值＜1 s的部分，分化值為10 ns。

3 IRIG-B碼終端設(shè)計

3.1 工作原理

IRIG-B碼終端主要有基準接收選擇和時間信息處理及生成B碼組成［4］，如圖2所示。工作原理為接收GPS接收機、北斗接收機和外時統(tǒng)B碼解調(diào)時間基準與信息，根據(jù)基準狀態(tài)和監(jiān)控命令選擇其中一種時間基準及信息作為IRIG-B碼終端生成IRIG-B碼的時間參考源。對時間參考源中時間信息處理后，利用時頻分系統(tǒng)中的時鐘信號進行同步分頻，產(chǎn)生2 ms、5 ms、8 ms同步信號，分頻后進行同步編碼生成IRIGB碼［5］。IRIG-B碼終端作為航天測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)的一部分，其監(jiān)控采用分控和遠控兩種模式;分控是利用IRIG-B碼終端前面板進行功能設(shè)置和狀態(tài)查詢，遠控則是利用遠控計算機對其終端前面板進行相關(guān)設(shè)置及查詢。

圖2 IRIG-B碼終端原理框圖

3.2 IRIG-B碼終端硬件設(shè)計

硬件電路主要包括:接收機電路、基準接收選擇電路、時間信息處理及編碼電路和監(jiān)控電路4部分組成［6］。其中接收機電路根據(jù)對時間同步精度的需求分析，選擇相應的接收機和對應的接口芯片，進行接收機的時間基準和信息的提取;另外3部分電路采用Alter公司的 EP1C12Q240I7和 EPCS4芯片組成，利用EP1C12Q240I7內(nèi)部PLL數(shù)字鎖相環(huán)電路，將時鐘頻率倍頻到200 MHz，以此IRIG-B碼編碼時同步分頻的同步信號的同步精度。監(jiān)控電路中遠控模式根據(jù)測控系統(tǒng)的要求，采用RS422A差分信號與監(jiān)控分系統(tǒng)計算機通信，完成遠控命令的接收和狀態(tài)的上報;分控模式的操作面板處于前面板，由鍵盤和顯示屏組成，利用前面板的操作可完成功能設(shè)置和狀態(tài)查詢，進行單機的功能測試。硬件電路組成如圖3所示。

圖3 RIG-B碼終端硬件組成圖

利用FPGA構(gòu)建的硬件電路具有集成化程度高、程序采取并行方式運行和處理速度快的特點。其功能的實現(xiàn)主要通過FPGA編程，對于設(shè)備功能的增加僅需升級軟件便可完成，無需修改硬件電路，此次終端增加適應閏秒功能的改造，僅是通過升級FPGA程序而完成的。

4 時間信息及閏秒的處理

4.1 時間信息處理

由《B時間碼接口終端》規(guī)范可知，在參考秒基準上升沿后10 ms時必須取得當前秒的時間信息，否則無法進行正常編碼。而對于GPS、北斗和外部IRIG-B碼在基準沿后10 ms時均可無法解調(diào)出當前秒的時間信息，由圖1可知，在IRIG-B碼信號參考秒基準沿480 ms后才可完全解調(diào)出當前秒的時間信息，而對于GPS和北斗系統(tǒng)，不同衛(wèi)星接收機提供的當前秒時間信息需要在秒基準沿后時間有所不同，通常需要100～200 ms，如圖4所示。

圖4 GPS北斗秒基準同串口信息的時序圖

通過解調(diào)外部基準的當前秒時間信息，不可直接用作生成B碼編碼的時間信息。否則，編碼時間信息與實際時間將慢1 s，需對解調(diào)出的時間信息根據(jù)時間的運行規(guī)律，采用在當前秒基準沿后將上一秒解調(diào)出的時間信息加1 s的方法對該信息進行處理，以此作為IRIG-B碼編碼的時間信息。而閏年的處理可通過判別，由軟件自動完成，但閏秒由于不可預知，因此需在閏秒時提前發(fā)布公告，根據(jù)不同外部參考基準和測控站的需求，采取不同方式進行相應的處理。時間處理程序流程如圖5所示，程序在秒基準信號上升沿后執(zhí)行。

圖5 時間信息處理流程

在整個時間信息處理流程中，并未詳細介紹閏秒修正的過程，以下針對不同情況，介紹閏秒的處理過程。

4.2 閏秒處理

IRIG-B碼終端的研制過程，對閏秒處理的前提是需了解閏秒的發(fā)生時刻和類型，判斷閏秒類型是正閏秒或負閏秒［7］。預告信息可通過GPS和北斗接收機接收的導航電文、IRIG-B碼外部基準信息以及國家授時中心提前8周發(fā)布的閏秒信息中獲得。盡管GPS和北斗導航系統(tǒng)提供的電文中包括了閏秒的預報信息，但這2種模塊可提供閏秒預報信息量較少，只能提供正確的UTC時間;除此之外，某些測控站提供的IRIG-B碼基準是按照GJB2991A—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范研制的，其閏秒時編碼中提供的時間信息與UTC時間相比存在了2 s的誤差。

閏秒預告信息的獲得采用從外部參考基準解調(diào)信息中提取和國家授時中心發(fā)布的預告信息兩種方式相結(jié)合。IRIG-B碼終端監(jiān)控模塊通過接收本機前面板設(shè)置的閏秒命令或測控站遠控下發(fā)的閏秒命令以及基準接收解調(diào)上報各基準閏秒預報信息，將二者邏輯組合后，下發(fā)到時間信息處理和生成B碼模塊。對于閏秒處理要求在秒中斷后，接收基準解調(diào)出的前一秒時間信息，判斷指令是否具有閏秒要求，若無要求，直接進行秒加1處理程序。否則，對閏秒類型進行判斷。下面針對不同閏秒類型的處理分別做出了介紹。

(1)閏秒類型為正閏秒時:判斷接收的前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'59″或1月1日7時59'59″(北京UTC時間閏秒時刻)，若是，當前秒直接設(shè)定為7月1日7時59'60″或1月1日7時59'60″，完成當前秒的時間信息處理;若不是，則判斷前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'60″或1月1日7時59'60″，若是，將當前秒直接設(shè)定為7月1日8時00'00″或1月1日8時00'00″，完成當前秒的時間信息處理及閏秒處理，取消閏秒命令。反之，進入秒加1程序，下一秒繼續(xù)采用前述的方式進行閏秒處理，直至完成閏秒。

(2)閏秒類型為負閏秒時:判斷接收的前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'58″或1月1日7時59'58″(北京UTC時間閏秒時刻)，若是，當前秒直接設(shè)定為7月1日8時00'00″或1月1日8時00'00″，完成當前秒時間信息處理及閏秒處理，并取消閏秒命令。若不是，則進入秒加1程序，下一秒繼續(xù)采用前述的方式進行閏秒處理，直至完成閏秒。

對于采用以 GJB2991A—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范的IRIG-B碼作為外部基準時，可將研制終端設(shè)定在守時情形下進行閏秒，完成閏秒后再將IRIG-B碼設(shè)置為外部基準，以規(guī)避原規(guī)范導致的錯誤。

5 結(jié)束語

通過7月1日的觀察，利用文中介紹的時間信息處理及閏秒處理方法，改造后的IRIG-B碼終端適應閏秒對時間的調(diào)整，實現(xiàn)測控站間的時間統(tǒng)一。對在研的IRIG-B碼終端設(shè)備，采用模擬不同的外部基準條件下進行閏秒，驗證了終端對閏秒的適應能力，針對不同基準可靈活、方便地進行閏秒。

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