衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中時(shí)間頻率系統(tǒng)的方法研究

王淑華，陳之純，郭芳，周明翔，江賢峰

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中時(shí)間頻率系統(tǒng)的方法研究

王淑華，陳之純，郭芳，周明翔，江賢峰

時(shí)間頻率系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中占有重要的地位，為保證地面運(yùn)控系統(tǒng)高質(zhì)量地穩(wěn)定運(yùn)行，時(shí)間頻率系統(tǒng)需提供高指標(biāo)、高可靠性的基準(zhǔn)信號(hào)，是地面運(yùn)控系統(tǒng)中可靠性要求最高的系統(tǒng)。為滿足時(shí)間頻率系統(tǒng)的高可靠性，以及輸出信號(hào)的高指標(biāo)要求，提出了一些創(chuàng)新的時(shí)間頻率控制方法，如：故障自動(dòng)定位和處理技術(shù)、頻率信號(hào)和脈沖信號(hào)的無(wú)損切換技術(shù)、高分辨率脈沖信號(hào)相位調(diào)整技術(shù)、頻率信號(hào)低相位噪聲和脈沖信號(hào)低抖動(dòng)技術(shù)、相位可控的頻率綜合技術(shù)。這些方法在實(shí)際中得到應(yīng)用，并取得了很好的效果，提高了時(shí)間頻率系統(tǒng)的可靠性和輸出信號(hào)指標(biāo)。

時(shí)間頻率系統(tǒng)；高指標(biāo)；高可靠性；無(wú)損切換；

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今世界最具發(fā)展前景和帶動(dòng)性的高科技領(lǐng)域之一，是最能發(fā)揮軍民兩用作用的航天系統(tǒng)，已成為國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可或缺的重大空間信息基礎(chǔ)設(shè)施[1]。目前，它被廣泛應(yīng)用于全球監(jiān)測(cè)、航海、航空、安全、搜救等眾多領(lǐng)域，為人類帶來(lái)了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的越來(lái)越廣泛和深入的使用，人們對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定時(shí)定位精度和可靠性的要求也越來(lái)越高。而時(shí)間頻率系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中占有重要的地位，是地面運(yùn)控系統(tǒng)的心臟。為保證地面運(yùn)控系統(tǒng)高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，時(shí)間頻率系統(tǒng)需為其他系統(tǒng)提供高指標(biāo)高可靠性的基準(zhǔn)信號(hào)，是地面運(yùn)控系統(tǒng)中可靠性要求最高的系統(tǒng)。時(shí)間頻率系統(tǒng)輸出高精度的時(shí)間頻率信號(hào)也成為了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度的基本條件之一。因此，研究提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中時(shí)間頻率系統(tǒng)可靠性和輸出信號(hào)指標(biāo)的方法有重要的實(shí)際意義。

1 方法與研究

本文就當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)時(shí)間頻率系統(tǒng)的要求，提出了一些創(chuàng)新的方法。這些方法使得時(shí)間頻率系統(tǒng)在輸出信號(hào)指標(biāo)和可靠性方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，完全滿足當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)時(shí)間頻率系統(tǒng)精度的要求。

1.1 故障自動(dòng)定位和處理技術(shù)及無(wú)損切換技術(shù)

由于電子元器件和接插件等老化以及使用壽命的限制，通過(guò)提高單機(jī)設(shè)備可靠性提高系統(tǒng)可靠性不現(xiàn)實(shí)。提高時(shí)間頻率系統(tǒng)的可靠性，重點(diǎn)還是在于改善時(shí)間頻率系統(tǒng)的可靠性模型。熱備份冗余方式可以將輸出異常的概率按單機(jī)異常概率的指數(shù)關(guān)系減少，從而提高系統(tǒng)可靠性。要保證最終輸出信號(hào)的穩(wěn)定連續(xù)和信號(hào)的質(zhì)量，還需要先進(jìn)的判別和切換機(jī)制，即加強(qiáng)時(shí)間頻率系統(tǒng)對(duì)異常情況的自動(dòng)判斷和準(zhǔn)確定位能力。

1.1.1 故障自動(dòng)定位和處理技術(shù)

故障的自動(dòng)定位包括單機(jī)設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)異常的準(zhǔn)確

1）單機(jī)設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)異常的判斷作為自動(dòng)切換的判據(jù)，同時(shí)和其他檢測(cè)信息合并，向監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)告，為系統(tǒng)異常情況定位提供判據(jù)。在切換環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)異常狀況時(shí)，由于電信號(hào)傳播速度很快，而異常通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上報(bào)和人工干預(yù)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求，因此切換設(shè)備根據(jù)多路輸入信號(hào)之間的相互關(guān)系判別出哪一路信號(hào)可以確保正常，并在極短時(shí)間內(nèi)根據(jù)切換規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行無(wú)損切換，從而保證系統(tǒng)輸出信號(hào)的穩(wěn)定和連續(xù)。故障自動(dòng)定位和處理原理圖如圖1所示：

圖1 故障自動(dòng)定位和處理原理圖

2）系統(tǒng)中一旦發(fā)生切換，則表明系統(tǒng)內(nèi)部有設(shè)備異常，雖然這些異常通過(guò)設(shè)備切換后不影響系統(tǒng)的最終輸出，但系統(tǒng)已經(jīng)處于亞健康狀態(tài)。為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在這種狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)操作人員進(jìn)行提示，對(duì)系統(tǒng)具體故障部位進(jìn)行定位，對(duì)故障原因進(jìn)行分析，幫助操作人員盡快排除異常情況。

1.1.2 頻率信號(hào)和脈沖信號(hào)的無(wú)損切換技術(shù)

目前，時(shí)間頻率系統(tǒng)在切換前后信號(hào)相位變化方面的要求已經(jīng)達(dá)到10-9秒量級(jí)，而異常判別和切換電路所需要的時(shí)間也在10-9秒量級(jí)上，簡(jiǎn)單的切換機(jī)制可導(dǎo)致頻率信號(hào)切換過(guò)程中相位噪聲和頻率變化，或者脈沖信號(hào)切換過(guò)程中丟失脈沖或引入毛刺。而頻率信號(hào)和脈沖信號(hào)的無(wú)損切換技術(shù)則可以克服以上問(wèn)題。

頻率切換利用鎖相環(huán)原理并配以高速合理的異常判別和切換機(jī)制，在設(shè)備輸出級(jí)使用一個(gè)高性能的VCXO恒溫晶振，將該晶振的輸出作為設(shè)備的輸出，而其相位鎖定在輸入信號(hào)上。當(dāng)這個(gè)鎖相環(huán)路選擇合適的環(huán)路參數(shù)時(shí)，既可以保證輸出信號(hào)的快速切換，又能夠保證在輸入信號(hào)異常而切換還未發(fā)生時(shí)輸出信號(hào)穩(wěn)定，從而做到頻率信號(hào)切換前后信號(hào)相位和信號(hào)質(zhì)量均能保持一致，實(shí)現(xiàn)無(wú)損切換。

脈沖信號(hào)無(wú)損切換技術(shù)的關(guān)鍵在于異常信號(hào)相對(duì)于切換動(dòng)作先發(fā)后至。隨著芯片的高度集成和高速化，使得純硬件高速切換得以實(shí)現(xiàn)，再配合優(yōu)化的切換規(guī)則，使得異常判別和切換響應(yīng)時(shí)間大大縮減。通過(guò)合理設(shè)置時(shí)序，并通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)來(lái)提高抗干擾能力，可以保證切換動(dòng)作發(fā)生在異常信號(hào)到達(dá)切換點(diǎn)之前，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)不受異常信號(hào)影響，也不會(huì)引入毛刺或丟失脈沖。脈沖信號(hào)切換原理圖如圖2所示：

圖2 脈沖信號(hào)切換原理圖

脈沖信號(hào)切換規(guī)則如表1所示：

城市是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、長(zhǎng)江大保護(hù)中非常重要的區(qū)域和環(huán)節(jié)，城市水問(wèn)題已成為制約長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)文明建設(shè)的明顯短板，具有問(wèn)題多、任務(wù)重、難度大的特點(diǎn)。隨著未來(lái)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶面臨的水安全和水生態(tài)環(huán)境形勢(shì)將愈發(fā)嚴(yán)峻。解決好城市水問(wèn)題，建設(shè)城市水生態(tài)文明，對(duì)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江大保護(hù)背景下城市生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展的可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。但從世界上美國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的水環(huán)境治理經(jīng)驗(yàn)看，水污染治理需要20年以上時(shí)間，而水生態(tài)恢復(fù)則需要更長(zhǎng)時(shí)間，因此長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城市水生態(tài)文明建設(shè)任重道遠(yuǎn)。

表1 脈沖信號(hào)切換規(guī)則

故障自動(dòng)定位和處理及無(wú)損切換技術(shù)在時(shí)間頻率系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，在單個(gè)設(shè)備的輸入信號(hào)異常時(shí)，能快速做出判斷，并將輸入信號(hào)無(wú)損切換至正常的輸入，保證了下一級(jí)設(shè)備輸入信號(hào)的連續(xù)性和質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 高分辨率脈沖信號(hào)相位調(diào)整技術(shù)

要保證脈沖信號(hào)切換過(guò)程中相位變化在 10-10秒量級(jí)以內(nèi)，首先要保證脈沖信號(hào)切換設(shè)備的多路輸入之間原始相位差在 10-10秒量級(jí)以內(nèi)。這就要求脈沖信號(hào)具有高分辨率的相位調(diào)整能力，從而保證多個(gè)設(shè)備之間輸出信號(hào)相位的一致性。調(diào)頻移相技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的脈沖信號(hào)相位調(diào)整，其分辨率可以達(dá)到10ps甚至更高。

由于時(shí)間和頻率之間存在關(guān)系式：

對(duì)等式兩邊微分，得到式：

在實(shí)際應(yīng)用中，我們以差分ΔT、Δf替代dT、df，經(jīng)變換有下式：

因此，只要有足夠的頻率調(diào)整分辨率Δf/f，就可以得到足夠的時(shí)間調(diào)整分辨率ΔT。在改變輸出信號(hào)的頻率后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的累積，信號(hào)相位就會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)改變輸出信號(hào)的頻率達(dá)到精密移相目的，該方法可實(shí)現(xiàn)分辨率為10ps的精密脈沖相位調(diào)整，為信號(hào)的無(wú)損切換提供了保證。

1.3 頻率信號(hào)低相位噪聲和脈沖信號(hào)低抖動(dòng)技術(shù)

時(shí)間頻率系統(tǒng)作為某系統(tǒng)地面運(yùn)控系統(tǒng)的信號(hào)基準(zhǔn)，必須為其他系統(tǒng)提供低相位噪聲的頻率信號(hào)和低抖動(dòng)的脈沖信號(hào)，否則在經(jīng)過(guò)高次倍頻后頻率信號(hào)將無(wú)法使用，或者由于脈沖信號(hào)抖動(dòng)太大而影響定時(shí)定位的精度。與早期的時(shí)間頻率系統(tǒng)相比，當(dāng)前的時(shí)間頻率系統(tǒng)的頻率信號(hào)相位噪聲在標(biāo)準(zhǔn)頻率 10MHz偏離 1Hz處，對(duì)相位噪聲的要求提高了10dBc/Hz；而對(duì)脈沖信號(hào)抖動(dòng)的要求提高了一個(gè)量級(jí)。

要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，重點(diǎn)在于整個(gè)信號(hào)鏈路上的環(huán)節(jié)都具有低相位噪聲和低抖動(dòng)的性能。具體來(lái)說(shuō)，在頻率信號(hào)產(chǎn)生到系統(tǒng)最終輸出環(huán)節(jié)，要求頻率信號(hào)源、頻率信號(hào)切換環(huán)節(jié)、頻率信號(hào)區(qū)分放大環(huán)節(jié)均具有低相位噪聲。在脈沖信號(hào)產(chǎn)生到系統(tǒng)最終輸出環(huán)節(jié)，要求脈沖信號(hào)產(chǎn)生環(huán)節(jié)、脈沖信號(hào)切換環(huán)節(jié)、脈沖信號(hào)分配環(huán)節(jié)均具有低抖動(dòng)性能?？焖侔l(fā)展的集成電路技術(shù)和硬件電路設(shè)計(jì)理論使頻率信號(hào)低相位噪聲和脈沖信號(hào)低抖動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 頻率信號(hào)低相位噪聲技術(shù)

極低本征相位噪聲的器件為頻率信號(hào)的低相位噪聲提供了可能，通過(guò)選擇合適的器件，同時(shí)兼顧溫度系數(shù)、隔離度和信號(hào)完整性等影響，為頻率信號(hào)的處理和傳播提供良好的路徑。巧妙的電路原理設(shè)計(jì)和合理的布局布線降低頻率信號(hào)傳播過(guò)程中的反射，減少由阻抗不匹配和電磁兼容性問(wèn)題引入的相位噪聲。實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)間頻率系統(tǒng)頻率信號(hào)輸出相位噪聲如圖3所示：

圖3 頻率信號(hào)相位噪聲測(cè)量圖

1.3.2 脈沖信號(hào)低抖動(dòng)技術(shù)

選擇高驅(qū)動(dòng)能力的器件，可以提高信號(hào)的抗干擾能力，并且通過(guò)改善信號(hào)的上升沿來(lái)減少相位抖動(dòng)。在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟[2]。電路設(shè)計(jì)中充分考慮電磁兼容性和阻抗匹配，減少傳播通路上的反射[2,3]，尤其是在內(nèi)部信號(hào)傳遞中利用差分形式收發(fā)信號(hào)，能極大降低確定性抖動(dòng)的影響，消減信號(hào)通路上的干擾和串?dāng)_，對(duì)減少抖動(dòng)可以起到很好的作用，從而實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)從產(chǎn)生到輸出的所有環(huán)節(jié)均能保持低抖動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿}沖信號(hào)抖動(dòng)在10-11秒量級(jí)。

頻率信號(hào)低相位噪聲和脈沖信號(hào)的低抖動(dòng)技術(shù)確保時(shí)間頻率系統(tǒng)輸出高質(zhì)量的頻率和脈沖信號(hào)，從而保證了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定時(shí)定位精度。

1.4 相位可控的頻率綜合技術(shù)

通常，時(shí)間頻率系統(tǒng)提供標(biāo)稱的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和脈沖信號(hào)，如5MHz、10MHz、1PPS、1PPM等。但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，也要求時(shí)間頻率系統(tǒng)提供某些小數(shù)頻率的信號(hào)，這就必須利用頻率綜合技術(shù)。

頻率綜合中應(yīng)用的加、減、乘、除都是整數(shù)運(yùn)算，從簡(jiǎn)單意義上來(lái)說(shuō)，頻率綜合不會(huì)產(chǎn)生頻率誤差，可以復(fù)制基準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。但是實(shí)際上，頻率綜合任意環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的相位噪聲和雜波輸出都會(huì)惡化輸出信號(hào)的頻譜純度，降低頻率穩(wěn)定度。這些影響累積起來(lái)可能引起頻率綜合器的輸出相位變化。在時(shí)間頻率系統(tǒng)中，對(duì)頻率綜合器輸出頻率的相位與系統(tǒng)其他輸出相位之間的一致性有很高的要求，因此需要對(duì)頻率綜合器的輸出相位進(jìn)行控制，使其可以根據(jù)系統(tǒng)提供的參考信號(hào)相位，實(shí)時(shí)調(diào)整自身的輸出信號(hào)相位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的相位可控的頻率綜合技術(shù)。

相位可控頻率綜合器的原理如圖4所示：

圖4 相位可控的頻率綜合技術(shù)原理

與一般的頻率綜合器不同，其輸入?yún)⒖夹盘?hào)除參考頻率外，還有一個(gè)參考相位輸入（在系統(tǒng)中是1pps），其輸出非整數(shù)的頻率信號(hào)，除要有極好的相位噪聲指標(biāo)要求外，其輸出信號(hào)的相位要可控，即圖中的頻率信號(hào)fo和1pps脈沖信號(hào)間的相位差Δφ可控，實(shí)現(xiàn)相位可控的非整數(shù)頻率信號(hào)輸出。而此種頻率綜合器，在國(guó)內(nèi)外均無(wú)產(chǎn)品提供。

2 總結(jié)

上述方法在某系統(tǒng)中取得了很好的效果，時(shí)間頻率系統(tǒng)的可靠性和輸出信號(hào)的指標(biāo)都得到了大幅提升。頻率信號(hào)的相位噪聲在偏離中心頻率1Hz處的性能提升超過(guò)10dBc/Hz；脈沖信號(hào)抖動(dòng)在 10-11秒量級(jí)；通過(guò)相位一致性和高精度相位調(diào)整技術(shù)的配合，切換前后的相位一致性達(dá)到10-10量級(jí)。目前，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了全面的試驗(yàn)評(píng)估，驗(yàn)證了時(shí)間頻率系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足衛(wèi)星導(dǎo)航要求,主要性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)最高水平。

世界發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)均十分重視時(shí)間頻率系統(tǒng)的建設(shè)，將其作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和管理。隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍覆蓋面的增加，時(shí)間頻率系統(tǒng)的性能也將隨之提升。

[1] 馮建國(guó)，鄧海峰，李泰清.淺談衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[J].中國(guó)科技博覽，2015(10)：305.

[2] 水恒春，趙小珍，劉同旵.高頻電路設(shè)計(jì)中電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014(07)：21-24.

[3] 顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)——設(shè)計(jì)實(shí)踐[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2004.6：42-56.

Research on Time and Frequency System in Satellite Navigation System

Wang Shuhua1,2, Chen Zhichun2, Guo Fang2, Zhou Mingxiang2, Jiang Xianfeng2
(1.Department of Computer Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China；2. Shanghai Astronomy Observatory of CAS, Shanghai 200030, China)

Time and frequency (T&F) system plays a key role in satellite navigation systems.

ignals of high quality and high reliability provided by T&F system are essential to the stable and continuous operation of the ground facility of the satellite navigation system. In this article, some innovative methods for controlling time and frequency signals are proposed to meet the stringent requirement on the quality and reliability of the reference signals provided by T&F system,e.g., fault identification and recovering technology, lossless switching technology of frequency and pulse signals, high precision phase adjustment technology and frequency synthesis technology with low phase noise. These technologies have been applied to various key projects and proved to be very effective for increasing the reliability of the T&F system and the quality of its output signals.

Time and frequency system； High quality； High reliability； Lossless switching；

TP311

A

1007-757X(2016)11-0057-03

2016.06.27）

王淑華（1975-），女，上海，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，高級(jí)工程師，研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)研究，上海 200040

陳之純（1963-），男，上海，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，研究員，研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)研究，上海 200040

郭 芳（1980-），女，湖南長(zhǎng)沙，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，高級(jí)工程師，研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)研究，上海 200040

周明翔（1982-），男，上海，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，高級(jí)工程師，研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)研究，上海 200040

江賢峰（1971-），男，上海，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，高級(jí)工程師，研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)研究，上海 200040