測試場時統(tǒng)設備誤差分析及處理技術

胡曉鳴,何占雄

摘 ?要： 針對測試場對試驗控制信息、時間信息和準頻率信息要求較高的特點，設計了基于GPS授時的時間統(tǒng)一系統(tǒng)。在簡要介紹時統(tǒng)設備組成的基礎上，對影響系統(tǒng)的誤差因素進行了分析，著重從調(diào)制解調(diào)方面討論了B碼終端誤差，從系統(tǒng)同步和失步方面討論了守時誤差；提出了從增強B碼解調(diào)器適應能力、時統(tǒng)守時精度、取樣信號時刻精度三個方面減小時統(tǒng)誤差的處理措施，指出系統(tǒng)設計中通過合理進行誤差分配，控制顯著誤差，可實現(xiàn)系統(tǒng)的技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一。

關鍵詞： 時統(tǒng)設備； GPS授時； IRIG?B碼； 守時誤差

中圖分類號： TN06?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0107?03

Error analysis and processing technique of time synchronization equipment in test range

HU Xiao?ming， HE Zhan?xiong

（Aerospace Life?support Industries Co.， Ltd.， Xiangyang 441003， China）

Abstract： According to the characteristic that the test range has serious requirements for experiment control information， time information and frequency information， a GPS?based time synchronization system is proposed. The composition of the time synchronization system is introduced. The equipment error factors are analyzed. The terminal error of B code is discussed in modulation and demodulation emphatically. The timing error is discussed focusing on system synchronization and out?of?synchronization. A measure to mitigate time synchronization error by improving the adaptability of B code demodulator， time synchronization accuracy and sampling signal time precision is proposed. It is pointed out that a well?balanced tradeoff between technical performance and economic affordability can be realized with rational distribution of error and control of notable error.

Keyword： time synchronization equipment； GPS timing； IRIG?B code； timing error

測試場時統(tǒng)設備是試驗靶場的重要保障系統(tǒng)，用來為各種被試設備和參試設備提供統(tǒng)一的時間基準，保證各種測試設備高精度同步運行。受測試靶場應用需求的影響，對時統(tǒng)設備輸出的試驗過程控制信息、標準時間信息和標準頻率信息信號質(zhì)量要求較高，為了達到相應的技術指標，需要對時統(tǒng)設備的誤差來源和影響進行分析，從而采取可行的、有針對性的處理措施，實現(xiàn)系統(tǒng)的技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一。

1 ?測試場時統(tǒng)設備組成

測試場時統(tǒng)設備是基于GPS授時的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，基本組成[1]見圖1。系統(tǒng)主要包括時統(tǒng)設備、監(jiān)控設備和用戶接口處理設備，時統(tǒng)設備主要有銣原子頻標組、GPS定時接收機、時碼信號產(chǎn)生器和頻率信號分路器組成，用來為用戶設備提供多種時間信息和頻率信息；監(jiān)控設備主要由計算機和接口單元組成，用來實時監(jiān)控時統(tǒng)設備和用戶接口處理設備的工作狀態(tài)；用戶接口處理設備主要由時碼接收卡和終端控制卡組成，用來產(chǎn)生用戶設備的控制信號和時間信號。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼28t1.tif>；

圖1 測試場時統(tǒng)設備基本組成

GPS授時是一種高精度的定時校頻方法，其輸出采用標準時間IRIG?B碼作為時統(tǒng)設備與用戶設備之間接口的時間信號標準。時碼接收卡從標準的時間碼中解調(diào)出需要的時間信息和頻率信息，并送至終端控制卡，從而實現(xiàn)所有的任務設備都同步于標準時間碼。因此，GPS的時間信息精度、GPS定時接收機獲取的時間精度、時碼信號產(chǎn)生器的精度、時碼接收終端卡的設計等因素均會對定時精度產(chǎn)生影響。所以，只有對影響測試場時統(tǒng)設備的誤差進行分析，才能更有針對性地采取相應措施，避免出現(xiàn)時間同步誤差超差等問題。

2 ?誤差分析

測試場時間誤差是時統(tǒng)設備最關鍵的技術指標之一，時間誤差主要來自GPS定時誤差、B碼終端誤差和自守時誤差。GPS定時誤差主要包括衛(wèi)星星載鐘的誤差、星歷誤差、相對論效應引入的誤差、信號傳播引起的誤差、接收機引入的誤差等[2]。 一般情況下，對C/A碼接收計算得到的時間信息與GPS時間信息誤差為100～300 ns，對P碼接收計算得到的時間信息與GPS時間信息誤差為50～100 ns。相對于B碼終端誤差和自守時誤差，用戶參與處理GPS定時誤差的能力較弱，因此主要對B碼終端誤差和自守時誤差進行分析。

2.1 ?B碼終端誤差

鑒于用戶數(shù)量較多，時統(tǒng)設備不再為每個用戶單獨提供所需要的頻率信號和時間信號，而是輸出標準的B（AC）時間碼信號給所有用戶；用戶設備通過時碼接收卡解調(diào)B（AC）時間碼信號來獲得時間和頻率信息，因此時碼終端是實現(xiàn)時間統(tǒng)一的重要環(huán)節(jié)。

如果不考慮時間信息源的誤差，B（AC）碼的誤差主要來自調(diào)制解調(diào)誤差和傳輸?shù)牟淮_定延時。B（AC）碼調(diào)制原理見圖2。1 kHz正弦信號經(jīng)過不同幅度的放大后，利用B（DC）碼作為開關控制信號，形成B（AC）碼調(diào)制碼[3]。開關電路的延時為B（AC）碼調(diào)制誤差，約80 ns。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼28t2.tif>；

圖2 B（AC）碼調(diào)制原理

B（AC）碼解調(diào)原理見圖3。首先將交流碼變?yōu)橹绷鞔a，再利用過零電路檢測出的過零信息獲得秒脈沖精準點[4]，因此過零電路的檢測精度決定了B（AC）碼的解調(diào)誤差精度，約為0.2 μs。當系統(tǒng)產(chǎn)生的B（AC）碼需要遠距離傳輸時，路徑傳輸時延也成為時間同步誤差的主要來源。假設時碼產(chǎn)生器與時碼接收卡之間距離為10 km，那么傳輸延遲將達到34 μs。此外，遠距離傳輸將導致波形產(chǎn)生畸變，使信號的過零點產(chǎn)生漂移，過零點漂移造成1 PPS脈沖前沿產(chǎn)生漂移，誤差也將增加。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼28t3.tif>；

圖3 B（AC）碼解調(diào)原理

綜上所述，受信道傳輸或其他條件的影響，輸入到B碼終端的B（AC）碼或多或少會發(fā)生畸變，解調(diào)輸出的時間信息同步誤差一般會在10 μs左右，設計時必須對該誤差進行修正。

2.2 ?時統(tǒng)設備守時誤差

以上是基于系統(tǒng)能夠正確接收和解調(diào)1 PPS脈沖的情況下進行的誤差分析，當系統(tǒng)不能正確接收或解調(diào)1 PPS時，時統(tǒng)設備將采用內(nèi)部的銣原子頻標組進行計時同步，此時銣原子頻標的性能決定了時統(tǒng)設備的自守時誤差。

時統(tǒng)設備1 PPS脈沖通過銣原子頻標分頻得到，頻標精度和穩(wěn)定度是影響守時精度的關鍵因素。下面對這種影響進行分析。

銣原子頻標工作過程中準確度表達式為：

[A（t）=A0+D?t+A1（t）+A2（t）] （1）

式中：[A（t）]為頻率校準后[t]時刻的準確度；[A0]為[t=0]時刻頻標準確度；[D]為頻率標準老化率；[A1（t）]為頻率穩(wěn)定度對準確度的影響；[A2（t）]為外部特性對準確度的影響。

由式（1）可見：[t=0]時表示頻標校頻剛結(jié)束，理論上其準確度與授時臺的準確度相同，即誤差為0；實際上受頻標自身影響，誤差不可能達到0，因此將校頻后的準確度設為[A0]。時統(tǒng)頻標受老化率的影響，輸出頻率會產(chǎn)生漂移。老化率一般是線性的，引起頻標準確度的變化正比于[D?t]，可見老化率越大，工作時間越長，準確度就越差。

銣原子頻標對時統(tǒng)設備守時的影響見式（2）：

[?t=t-ts=t0+0tA（t）dt] （2）

式中：[?t]為[t]時刻的時差；[t0]為[t=0]時刻的時差；[A（t）]為頻率校準后[t]時刻的準確度。

將式（1）代入式（2），得到式（3）：

[?t=t0+A0?t+0.5D?t2+A1（t）?t+A2（t）?t=t0+A0?t+0.5D?t2+?1（t）+?2（t）] （3）

式中：[?1（t）]為頻標穩(wěn)定度對時差的影響；[?2（t）]為頻標外部特性對時差的影響。

由式（3）可見，影響時統(tǒng)守時精度的因素包括初始頻標準確度[A0，]頻標老化率[D，]頻標穩(wěn)定度[?1（t）]和頻標外部特性[?2（t）。][A0]對時統(tǒng)造成的誤差隨時間呈線性增長，即守時時間越長，誤差就越大；[D]對時統(tǒng)造成的誤差隨時間呈平方關系，隨著守時時間的增長，其對誤差的影響越來越大。下面對時統(tǒng)同步和失步情況下的守時誤差進行分析。

（1） 同步情況下的時統(tǒng)誤差

同步情況下，系統(tǒng)能夠正常接收或解調(diào)出1 PPS，并每秒同步一次，將[t=1 s]代入式（2）可得：

[?t=t0+A] （4）

式中：[t0]為GPS同步定時誤差，約為300 ns。銣原子頻標準確度為[±5×10-11，]1 s的偏差為0.1 ns，因此同步情況下，時統(tǒng)每秒守時精度為300.1 ns。

（2） 失步情況下的時統(tǒng)誤差

失步情況下，系統(tǒng)不能夠正常接收或解調(diào)出1 PPS，就會造成時統(tǒng)誤差積累。此時守時誤差為：

[?t=t0+A?Tmax] （5）

假設銣原子頻標被同步一次后，系統(tǒng)就處于失步狀態(tài)，估算失步1 h之后的時統(tǒng)誤差。[t0]為GPS同步定時誤差，約為300 ns。銣原子頻標準確度為[±5×10-11，]1 h的偏差為360 ns，因此失步情況下，時統(tǒng)1 h的守時精度為660 ns。

3 ?處理措施

時統(tǒng)誤差為GPS定時誤差、B碼終端誤差和自守時誤差之和，減小時統(tǒng)誤差的關鍵是減小B碼終端誤差和自守時誤差。減小B碼終端誤差的方法是增強解調(diào)器的適應能力，提高時統(tǒng)自守時精度，這就要求必須采用高性能的頻率源；但是頻率源性能越高，其成本也就越高，因此在性能和經(jīng)濟性方面需要綜合考慮。

（1） 增強B碼解調(diào)器適應能力

系統(tǒng)采用B（AC）碼作為時間信號接口標準，但是B（AC）碼經(jīng)過長距離信道傳輸后，會產(chǎn)生波形失真和波形畸變，甚至誤碼。為適應長距離傳輸?shù)男枨?，需要采用容錯、提高調(diào)制比、多通道采集等措施來增強解調(diào)器的適應能力，下面逐一說明。

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調(diào)過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調(diào)時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調(diào)適應能力。

提高調(diào)制比 ?將B（AC）碼轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調(diào)制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數(shù)，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據(jù)幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調(diào)器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統(tǒng)守時精度

根據(jù)時統(tǒng)守時誤差分析，時統(tǒng)守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統(tǒng)在最嚴酷的條件下滿足時統(tǒng)的同步精度，下面舉例說明。

假設系統(tǒng)要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統(tǒng)執(zhí)行任務之前被GPS校頻修正，然后系統(tǒng)處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統(tǒng)同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統(tǒng)的任務時間為10 min，時統(tǒng)同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優(yōu)于1×10-8的晶振即可。在短期穩(wěn)定度方面，晶振性能一般優(yōu)于銣鐘；而對于長期穩(wěn)定度來說，銣鐘要遠遠優(yōu)于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統(tǒng)設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統(tǒng)同步精度可以選用不同的頻標源來實現(xiàn)，從而達到了技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態(tài)參數(shù)測量時，需要時統(tǒng)設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續(xù)測試多個數(shù)據(jù)，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結(jié) ?語

為了保證測試場時統(tǒng)設備技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一，系統(tǒng)設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統(tǒng)的可靠性，因此系統(tǒng)采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統(tǒng)會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外系統(tǒng)設計時還應保證監(jiān)控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現(xiàn)對時統(tǒng)設備的實時監(jiān)控。

參考文獻

[1] 童寶潤.時間統(tǒng)一技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2] 邱致和，王萬義.GPS原理與運用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 燕斌，趙飛.基于GPS授時的異地同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子科技，2008（12）：46?49.

[4] 聶浩.IRIG?B（AC）碼解調(diào)技術淺析[J].飛行器測控技術，1997（1）：1?5.

[5] 黃學德.導彈測控系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[6] 孫永燦.頻標性能對時統(tǒng)守時的影響[J].科技信息，2013（13）：58?59.

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調(diào)過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調(diào)時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調(diào)適應能力。

提高調(diào)制比 ?將B（AC）碼轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調(diào)制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數(shù)，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據(jù)幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調(diào)器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統(tǒng)守時精度

根據(jù)時統(tǒng)守時誤差分析，時統(tǒng)守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統(tǒng)在最嚴酷的條件下滿足時統(tǒng)的同步精度，下面舉例說明。

假設系統(tǒng)要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統(tǒng)執(zhí)行任務之前被GPS校頻修正，然后系統(tǒng)處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統(tǒng)同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統(tǒng)的任務時間為10 min，時統(tǒng)同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優(yōu)于1×10-8的晶振即可。在短期穩(wěn)定度方面，晶振性能一般優(yōu)于銣鐘；而對于長期穩(wěn)定度來說，銣鐘要遠遠優(yōu)于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統(tǒng)設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統(tǒng)同步精度可以選用不同的頻標源來實現(xiàn)，從而達到了技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態(tài)參數(shù)測量時，需要時統(tǒng)設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續(xù)測試多個數(shù)據(jù)，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結(jié) ?語

為了保證測試場時統(tǒng)設備技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一，系統(tǒng)設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統(tǒng)的可靠性，因此系統(tǒng)采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統(tǒng)會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外系統(tǒng)設計時還應保證監(jiān)控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現(xiàn)對時統(tǒng)設備的實時監(jiān)控。

參考文獻

[1] 童寶潤.時間統(tǒng)一技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2] 邱致和，王萬義.GPS原理與運用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 燕斌，趙飛.基于GPS授時的異地同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子科技，2008（12）：46?49.

[4] 聶浩.IRIG?B（AC）碼解調(diào)技術淺析[J].飛行器測控技術，1997（1）：1?5.

[5] 黃學德.導彈測控系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[6] 孫永燦.頻標性能對時統(tǒng)守時的影響[J].科技信息，2013（13）：58?59.

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調(diào)過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調(diào)時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調(diào)適應能力。

提高調(diào)制比 ?將B（AC）碼轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調(diào)制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數(shù)，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據(jù)幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調(diào)器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統(tǒng)守時精度

根據(jù)時統(tǒng)守時誤差分析，時統(tǒng)守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統(tǒng)在最嚴酷的條件下滿足時統(tǒng)的同步精度，下面舉例說明。

假設系統(tǒng)要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統(tǒng)執(zhí)行任務之前被GPS校頻修正，然后系統(tǒng)處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統(tǒng)同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統(tǒng)的任務時間為10 min，時統(tǒng)同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優(yōu)于1×10-8的晶振即可。在短期穩(wěn)定度方面，晶振性能一般優(yōu)于銣鐘；而對于長期穩(wěn)定度來說，銣鐘要遠遠優(yōu)于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統(tǒng)設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統(tǒng)同步精度可以選用不同的頻標源來實現(xiàn)，從而達到了技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態(tài)參數(shù)測量時，需要時統(tǒng)設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續(xù)測試多個數(shù)據(jù)，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結(jié) ?語

為了保證測試場時統(tǒng)設備技術性能和經(jīng)濟性能的統(tǒng)一，系統(tǒng)設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統(tǒng)的可靠性，因此系統(tǒng)采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統(tǒng)會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外系統(tǒng)設計時還應保證監(jiān)控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現(xiàn)對時統(tǒng)設備的實時監(jiān)控。

參考文獻

[1] 童寶潤.時間統(tǒng)一技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2] 邱致和，王萬義.GPS原理與運用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 燕斌，趙飛.基于GPS授時的異地同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子科技，2008（12）：46?49.

[4] 聶浩.IRIG?B（AC）碼解調(diào)技術淺析[J].飛行器測控技術，1997（1）：1?5.

[5] 黃學德.導彈測控系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[6] 孫永燦.頻標性能對時統(tǒng)守時的影響[J].科技信息，2013（13）：58?59.