衛(wèi)星雙模授時設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)*

蔡 凡，陳 麗

(1. 南京曉莊學院，江蘇 南京 211171；2. 中國科學院上海天文臺，上海 200030)

時間作為一個基本測量物理量，不僅對人們的日常生活和基礎(chǔ)科學領(lǐng)域有重要作用，而且對國防和國民經(jīng)濟建設(shè)有十分重要的意義。作為基礎(chǔ)保障平臺之一的高精度時間基準能夠有效提高系統(tǒng)或設(shè)備的穩(wěn)定性。

衛(wèi)星授時接收設(shè)備及應用是一項解決我國基礎(chǔ)授時通訊設(shè)施的重要項目，它增強了時間同步技術(shù)的可靠性，促進了我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用。目前，全球定位系統(tǒng)接收機在我國的市場占有率很大，而北斗系統(tǒng)的用戶主要是國家機關(guān)和大型企業(yè)。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，其用戶范圍越來越廣，開發(fā)北斗和全球定位系統(tǒng)雙模衛(wèi)星授時接收機，有利于擴大我國自主研發(fā)北斗系統(tǒng)的國內(nèi)市場，擺脫全球定位系統(tǒng)的重重束縛[1]。全球定位系統(tǒng)是由美國軍方控制的軍民共用系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在對全世界開放，但是并未承諾我國可以無限期免費使用，這存在重大的安全隱患，一旦全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星導航不能正常工作或者發(fā)生戰(zhàn)爭，美國調(diào)整甚至關(guān)閉全球定位系統(tǒng)信號，將給我國帶來巨大的影響[2]。

目前我國的衛(wèi)星授時方式主要利用全球定位系統(tǒng)授時獲取標準時間，但是全球定位系統(tǒng)授時存在手段單一、沒有自主控制權(quán)等問題，不僅短期穩(wěn)定性差，而且安全性不強[3]。衛(wèi)星雙模授時設(shè)備采用了多時鐘源自適應同步技術(shù)，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和外部IRIG-B碼互為設(shè)備的時間同步系統(tǒng)。選用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器作為本地時鐘，實現(xiàn)高精度守時，保證了北斗和全球定位系統(tǒng)雙模同步系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過全球定位系統(tǒng)授時模塊、北斗授時模塊和外部輸入的IRIG-B碼，得到標準的時間信息協(xié)調(diào)世界時和秒脈沖信號，并對本地晶振的頻率進行校正，生成符合時間同步要求的各種授時方式[4]。

本文針對衛(wèi)星雙模授時的關(guān)鍵技術(shù)展開討論，主要涉及信號的完好性檢測、本地守時、秒脈沖信號生成等相關(guān)技術(shù)。

1 總體架構(gòu)

衛(wèi)星雙模授時機的硬件總體架構(gòu)如圖1，主要含有導航模塊、守時模塊、串口輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)輸出模塊、秒脈沖輸出模塊、B碼輸出模塊、電源模塊、顯控模塊、網(wǎng)管模塊。主機內(nèi)的各模塊采用總線方式通信，信號通過母板進行傳輸。導航模塊中衛(wèi)星原始設(shè)備制造商單元輸出時間信息和1PPS信號給守時模塊中的守時跟蹤單元，守時跟蹤單元中的本地晶振在鎖定衛(wèi)星信號后對用戶機內(nèi)其他模塊輸出1PPS信號和10 MHz信號，同時根據(jù)1PPS信號和10 MHz信號產(chǎn)生設(shè)備所需的各種對外輸出信號，通過總線傳送給相關(guān)模塊。

圖1 衛(wèi)星雙模授時機的硬件組成框圖Fig.1 Diagram of satellite Dual-mode Time Service Hardware

串口輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議輸出模塊、秒脈沖輸出模塊、B碼輸出模塊都完成信號的對外輸出，根據(jù)不同的要求輸出不同形式的時間信號或信息。顯控模塊負責人機界面操作以及定時應用處理。電源模塊負責給模塊提供直流電源。網(wǎng)管模塊完成模塊間信息的調(diào)度以及遠程監(jiān)控功能，同時能夠輸出相關(guān)信息。

守時模塊的硬件由現(xiàn)場可編程門陣列及外圍電路組成，在現(xiàn)場可編程門陣列和單片機中運行相關(guān)守時及授時算法，即設(shè)備的軟件程序。根據(jù)算法的總體架構(gòu)，運行守時及授時算法的軟件程序分為分頻單元、信號生成單元、B碼(DC和AC)編碼單元以及串口通信單元。信號生成單元包含3個子單元，即信號完好性檢測子單元、守時子單元和秒脈沖生成子單元。在軟件程序中上述單元串接成一個整體程序進行工作，同時需要考慮諸多因素(比如導航模塊的工作狀態(tài)判別等)，因此需要詳細設(shè)計軟件的總體運行架構(gòu)。圖2為軟件程序的總體框圖。

軟件程序按照以下步驟運行。

(1)設(shè)備上電后，即啟動信號完好性檢測子單元和分頻單元。判斷導航模塊是否正常工作的方法為：連續(xù)比較3個(也可以多個)1PPS信號的間隔是否正常。如果正常，則判斷導航模塊硬件正常工作，輸出標志位，默認使用全球定位系統(tǒng)的1PPS信號作為外部守時信號。如果不正常，則繼續(xù)檢測導航模塊，直到正常為止。分頻單元含有整個程序的時鐘生成程序，通過現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)置的鎖相環(huán)和計數(shù)分頻相結(jié)合的方式生成整個程序所需的時鐘。

圖2 軟件程序流程圖
Fig.2 Flow chart of Software program

(2)一旦導航模塊正常工作，則運行守時子單元。衛(wèi)星導航芯片1PPS信號送入守時子單元完成對恒溫晶體振蕩器的馴服；

(3)秒脈沖生成子單元則根據(jù)守時子單元輸出的信號產(chǎn)生用于生成后續(xù)B碼(DC和AC)編碼單元和串口通信單元所需的1PPS秒脈沖信號；

(4)在B碼(DC)編碼單元中，根據(jù)本地生成的1PPS信號發(fā)起中斷，將全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)導航芯片輸出的時間信息轉(zhuǎn)換為B(DC)碼信息。在B碼(AC)編碼單元中，根據(jù)本地生成的1PPS信號發(fā)起中斷，將全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)導航芯片輸出的時間信息轉(zhuǎn)換為B(AC)碼信息；

(5)在串口通信單元中，通過串口輸出通信信息、衛(wèi)星信息以及時碼信息。

本文重點論述上述子單元涉及的信號完好性檢測算法和守時算法。

2 信號的完好性檢測

信號完好性檢測子單元負責對導航芯片的輸出信號進行驗證，以保證得到的1PPS和時間信息正確、穩(wěn)定和有效。由圖2可知，信號完好性檢測子單元是后續(xù)守時子單元、秒脈沖生成子單元、B碼(DC和AC)編碼單元以及串口通信單元正常運行的前提和基礎(chǔ)。

信號完好性檢測子單元驗證導航芯片輸出的信號是否正常的方法為：連續(xù)比較導航芯片輸出的3個1PPS信號的間隔是否正常。如果正常，則判斷導航芯片為正常工作狀態(tài)，輸出標志位。如果不正常，則繼續(xù)檢測導航芯片，直到正常為止。設(shè)備中會有3種守時狀態(tài)，第1種是全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)都正常時的守時狀態(tài)，不同的守時狀態(tài)使用不同的外部時鐘源以保證設(shè)備守時的穩(wěn)定性。整個守時狀態(tài)切換的流程如圖3。

(1)開機后全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)導航芯片開始運行，分別對這兩個芯片產(chǎn)生的1PPS信號持續(xù)進行檢測。

(2)若全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)導航芯片的1PPS信號均通過檢測，則判斷全球定位系統(tǒng)或者北斗導航系統(tǒng)導航芯片模塊均正常工作，進入守時狀態(tài)1，將全球定位系統(tǒng)信號作為守時參考信號而北斗導航系統(tǒng)信號作為備用守時信號。若只有全球定位系統(tǒng)芯片的1PPS信號通過檢測，則判斷全球定位系統(tǒng)芯片正常而北斗導航系統(tǒng)芯片不正常，此時進入守時狀態(tài)2，將全球定位系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若只有北斗導航系統(tǒng)芯片的1PPS信號通過檢測，則判斷北斗導航系統(tǒng)芯片信號正常而全球定位系統(tǒng)芯片信號不正常，此時進入守時狀態(tài)3，將北斗導航系統(tǒng)信號作為守時參考信號。

(3)進入守時狀態(tài)1以后，若全球定位系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)信號一直存在，即使接收到外部衛(wèi)星切換指令，仍由全球定位系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若同時丟失全球定位系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，則直接進入內(nèi)部守時狀態(tài)。若只丟失北斗導航系統(tǒng)信號，則進入守時狀態(tài)2，此時繼續(xù)采用全球定位系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若此時丟失全球定位系統(tǒng)信號，則同樣進入內(nèi)部守時狀態(tài)；若再次接收到北斗導航系統(tǒng)信號，則再次進入守時狀態(tài)1。若只丟失全球定位系統(tǒng)信號，則進入守時狀態(tài)3，此時只能采用北斗導航系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若此時丟失北斗導航系統(tǒng)信號，則進入內(nèi)部守時狀態(tài)，而若再次接收到全球定位系統(tǒng)信號，則再次進入守時狀態(tài)1。

(4)進入守時狀態(tài)2以后，采用全球定位系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若接收到北斗導航系統(tǒng)信號，則進入守時狀態(tài)1；若丟失了全球定位系統(tǒng)信號，則進入內(nèi)部守時狀態(tài)。

(5)進入守時狀態(tài)3以后，采用北斗導航系統(tǒng)信號作為守時參考信號。若接收到全球定位系統(tǒng)信號，則進入守時狀態(tài)1；若丟失了北斗導航系統(tǒng)信號，則進入內(nèi)部守時狀態(tài)。

(6)處于內(nèi)部守時狀態(tài)，若同時接收到全球定位系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)芯片的1PPS信號，則進入守時狀態(tài)1；若只接收到全球定位系統(tǒng)芯片的1PPS信號，則進入守時狀態(tài)2；若只接收到北斗導航系統(tǒng)芯片的1PPS信號，則進入守時狀態(tài)3。

圖3 守時狀態(tài)切換流程圖
Fig.3 Flow chart of Punctuality Switching

3 守時技術(shù)

雙模衛(wèi)星授時機中守時模塊的主要硬件組成如圖4，守時模塊主要由衛(wèi)星導航芯片、時鐘處理芯片、DA轉(zhuǎn)換器和恒溫晶體振蕩器組成。衛(wèi)星導航芯片用于接收衛(wèi)星導航芯片的秒脈沖信號和時間信息，時鐘處理芯片用于將導航芯片的1PPS信號的時鐘誤差送入單片機，再將這些數(shù)據(jù)通過單片機處理后控制DA轉(zhuǎn)換器對恒溫晶振進行修正。守時模塊確保完成守時子單元軟件的運行。

圖4 守時模塊的硬件組成框圖
Fig.4 Diagram of punctuality module Hardware

守時子單元軟件的流程為通過與導航芯片輸出的1PPS信號進行比較，產(chǎn)生比該信號提前80 ms的晶振1PPS信號，同時每128 s將導航芯片的1PPS信號與晶振1PPS信號的平均時鐘誤差送入單片機，再將這些數(shù)據(jù)通過單片機程序處理后控制DA轉(zhuǎn)換器對恒溫晶體振蕩器進行修正，從而完成對恒溫晶體振蕩器的馴服，獲得高穩(wěn)定度和高準確度的頻率。

整個守時子單元程序分為現(xiàn)場可編程門陣列程序和單片機程序兩部分，現(xiàn)場可編程門陣列程序主要包括時鐘處理部分以及數(shù)據(jù)通信部分。時鐘處理部分主要負責測量單片機控制DA轉(zhuǎn)換器所需的平均時鐘誤差即由于導航芯片信號的抖動、晶振老化漂移以及晶振不準而產(chǎn)生的誤差。單片機程序主要包括誤差控制部分。守時子單元程序的運行過程如下：

(1)首先分別接收全球定位系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)導航芯片的1PPS信號，分別產(chǎn)生一個比全球定位系統(tǒng)導航芯片和北斗導航系統(tǒng)導航芯片1PPS信號提前80 ms的全球定位系統(tǒng)與晶振之間1PPS信號和北斗導航系統(tǒng)與晶振之間1PPS信號，程序采用100 MHz的基準時鐘；

(2)連續(xù)存儲兩組相鄰128 s全球定位系統(tǒng)導航芯片1PPS信號與全球定位系統(tǒng)和晶振之間1PPS信號的時鐘誤差及北斗導航系統(tǒng)導航芯片1PPS信號與北斗導航系統(tǒng)和晶振之間1PPS信號的時鐘誤差，并分別計算得到相隔128 s的全球定位系統(tǒng)時間信號和本地晶振平均時鐘誤差及北斗導航系統(tǒng)時間信號和本地晶振平均時鐘誤差。最后，若處于守時狀態(tài)1和守時狀態(tài)2，則通過串口根據(jù)約定的幀協(xié)議將全球定位系統(tǒng)和本地晶振平均時鐘誤差送入單片機；若處于守時狀態(tài)3，則將北斗導航系統(tǒng)時間信號和本地晶振平均時鐘誤差送入單片機；若處于內(nèi)部守時狀態(tài)，則需要將上一次的全球定位系統(tǒng)時間信號和本地晶振平均時鐘誤差通過串口發(fā)送到單片機。

(3)單片機根據(jù)現(xiàn)場可編程門陣列發(fā)送的誤差值通過DA轉(zhuǎn)換器輸出電壓對恒溫晶體振蕩器晶振的頻率進行調(diào)整，從而完成對恒溫晶體振蕩器的馴服。

4 結(jié) 論

本文所述的相關(guān)處理算法已經(jīng)在衛(wèi)星雙模設(shè)備中得到實際應用。完好性檢測算法確保了設(shè)備在多種衛(wèi)星授時環(huán)境下正常工作，守時算法則保證了設(shè)備的長期穩(wěn)定度能夠和衛(wèi)星授時保持一致。應用多模授時設(shè)備不僅可以滿足系統(tǒng)對時間同步的更高要求，而且其輸入、輸出、電源等均可靈活配置，并具有豐富的各類模塊及板卡供選擇。時信號的種類和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置，外部多個授時系統(tǒng)相互兼容、相互備份。當某一系統(tǒng)陷入癱瘓，接收機可以依靠其他系統(tǒng)正常工作，從而提高整個授時設(shè)備的可靠性，改變各行業(yè)中的授時設(shè)備過分依賴單一系統(tǒng)的現(xiàn)狀[5]。

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