原子時(shí)系統(tǒng)主備鐘同步技術(shù)研究

楊 帆 陳學(xué)軍 張 然

(1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西西安 710000)

1 引 言

隨著時(shí)間頻率技術(shù)的高速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)時(shí)間頻率的精度要求越來(lái)越高，建立與保持原子時(shí)系統(tǒng)也逐漸成為各時(shí)間保持與應(yīng)用單位的基礎(chǔ)工作。眾所周知，原子時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)物理信號(hào)是由主鐘系統(tǒng)產(chǎn)生的，主鐘系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)守時(shí)系統(tǒng)的性能。為了提高系統(tǒng)的可靠性，保證原子時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)物理信號(hào)的連續(xù)穩(wěn)定輸出，為主鐘系統(tǒng)建立一套備份鐘系統(tǒng)成為重要舉措之一。正常情況下，備份鐘系統(tǒng)與主鐘系統(tǒng)均持續(xù)運(yùn)行；當(dāng)主鐘系統(tǒng)出現(xiàn)異常，備份鐘系統(tǒng)代替主鐘系統(tǒng)開(kāi)始工作。為了保證主鐘系統(tǒng)向備份鐘系統(tǒng)切換時(shí)的時(shí)間連續(xù)性，主備鐘系統(tǒng)之間的時(shí)間同步是其中的關(guān)鍵[1]。

本文介紹了原子時(shí)主備鐘同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開(kāi)展主備同步技術(shù)研究，結(jié)果表明通過(guò)主備同步技術(shù)，可保持主備信號(hào)時(shí)間頻率的實(shí)時(shí)一致性。

2 主備鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原子時(shí)系統(tǒng)的主備鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主備鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the master-backup consistency system

在原子時(shí)系統(tǒng)中選出兩臺(tái)性能優(yōu)良的原子鐘分別作為系統(tǒng)的主鐘和備份主鐘。主鐘的10MHz經(jīng)1臺(tái)相位微調(diào)儀后輸出主路信號(hào)，同時(shí)，備份主鐘的10MHz經(jīng)1臺(tái)相位微調(diào)儀后產(chǎn)生備路信號(hào)。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)采集主路1PPS和備路1PPS之間的時(shí)差，主備同步算法利用該時(shí)差對(duì)備份主鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。主路1PPS和備路1PPS，以及主路10MHz和備路10MHz分別接入脈沖轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和頻率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。主備路均正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選通主路信號(hào)作為UTC(k)輸出；主路出現(xiàn)異常后，工控機(jī)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使其選通備路信號(hào)作為UTC(k)輸出。除了轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的切換速度，主備路信號(hào)的實(shí)時(shí)同步是保證主路切換到備路時(shí)UTC(k)連續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3 主備路信號(hào)實(shí)時(shí)同步技術(shù)

主備路信號(hào)實(shí)時(shí)同步包含兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是備份主鐘的實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)和主備路原子鐘性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.1 備份主鐘實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)

對(duì)備份主鐘的調(diào)整分為兩步[2]，分別是初始脈沖同步和實(shí)時(shí)頻率微調(diào)，備鐘調(diào)整流程如圖2所示。

圖2 備鐘調(diào)整流程圖Fig.2 Flow chart of backup clock adjustment

3.1.1初始脈沖同步

系統(tǒng)運(yùn)行伊始，備份主鐘按照自己的頻率特性自由運(yùn)行，其脈沖和頻率輸出與主鐘相互獨(dú)立。初始脈沖同步是利用相位微調(diào)器的PPS同步功能，將主備鐘輸出的脈沖信號(hào)粗同步到一個(gè)較小的范圍內(nèi)(該范圍由相位微調(diào)器的指標(biāo)決定)，通常脈沖粗同步后主備時(shí)差仍在百納秒量級(jí)。然后通過(guò)相位微調(diào)儀對(duì)備份鐘發(fā)送相位調(diào)整指令，使主備時(shí)差調(diào)整至納秒量級(jí)，即相位精同步。初始脈沖同步動(dòng)作只在系統(tǒng)運(yùn)行初始執(zhí)行一次，要保持主備鐘的持續(xù)同步需要通過(guò)第二步微調(diào)頻率同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2實(shí)時(shí)頻率微調(diào)

主備鐘同步系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行之后，為了保證備份主鐘與主鐘的實(shí)時(shí)同步，需要根據(jù)主備鐘差實(shí)時(shí)計(jì)算主備時(shí)差和頻差，并對(duì)備份主鐘頻率進(jìn)行微調(diào)。

本主備同步系統(tǒng)中，設(shè)置時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的采樣周期為1s，工控機(jī)通過(guò)串口實(shí)時(shí)讀取計(jì)數(shù)器采集的主備鐘差，經(jīng)主備同步算法處理后得到備份主鐘的頻率微調(diào)量。主備同步算法流程如圖3所示。

圖3 主備同步算法流程圖Fig.3 Flow chart of master-backup consistency algorithm

主備同步算法對(duì)采集到的本周期內(nèi)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢測(cè)與修正[3]，并實(shí)時(shí)計(jì)算備份鐘相對(duì)于主鐘的頻率偏差和相位偏差。若偏差超出閾值，無(wú)論是否到達(dá)調(diào)整時(shí)刻，都應(yīng)立即計(jì)算備份鐘的頻率調(diào)整量，并利用相位微調(diào)器對(duì)備份鐘的頻率進(jìn)行駕馭。若偏差在閾值范圍以內(nèi)，需判斷是否到達(dá)調(diào)整時(shí)刻，再根據(jù)判斷結(jié)果采取不同的操作：調(diào)整時(shí)刻未到，則繼續(xù)進(jìn)行鐘差預(yù)處理和判斷是否超出閾值；調(diào)整時(shí)刻已到，則計(jì)算備份主鐘調(diào)整量并執(zhí)行調(diào)整動(dòng)作。至此，一個(gè)調(diào)整周期結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)調(diào)整周期，重復(fù)以上數(shù)據(jù)預(yù)處理、判斷、計(jì)算與調(diào)整操作。

實(shí)現(xiàn)主備鐘的實(shí)時(shí)同步，最主要的兩點(diǎn)是調(diào)整周期的選擇和調(diào)整量的計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)整周期越短，備鐘對(duì)主鐘的跟蹤效果越好；調(diào)整量越小，對(duì)備鐘原有頻率特性的影響越小。

調(diào)整周期需要根據(jù)備份鐘實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)決定[4]。備鐘頻率調(diào)整量的算法[5,6]如下。

1)設(shè)置相位偏差閾值Mp和頻率偏差閾值Mf；

2)計(jì)算當(dāng)前備份主鐘相對(duì)于主鐘的相位偏差p，若p超出閾值Mp，則通過(guò)相位偏移量得到的一個(gè)頻率調(diào)整分量offset1=-(p-Mp)/T(T為調(diào)整周期)；

3)對(duì)異常值修正后的主備鐘差進(jìn)行最小二乘線性擬合，得到備份鐘的頻率偏移量f，若f超出閾值Mf，以其相反數(shù)作為一個(gè)頻率調(diào)整分量，記為offset2=-f；

4)計(jì)算備份鐘的頻率總調(diào)整量offset=offset1+offset2。

3.2 主備路原子鐘性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

原子鐘作為一種精細(xì)復(fù)雜的設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到各種各樣內(nèi)因外因的影響，而主鐘的運(yùn)行狀態(tài)又在整個(gè)原子時(shí)系統(tǒng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。研究主備同步技術(shù)的目的就是在主鐘出現(xiàn)異常的情況下，能及時(shí)利用備份主鐘替代主鐘，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定無(wú)間斷地運(yùn)行，因此主備鐘狀態(tài)監(jiān)測(cè)也是主備同步的關(guān)鍵[6]。

3.2.1原子鐘性能表征

原子鐘的性能一般通過(guò)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和漂移率來(lái)表征[7]。

準(zhǔn)確度是指頻率的實(shí)際值相對(duì)標(biāo)稱值(給定值)的偏離程度。在原子時(shí)系統(tǒng)中，該標(biāo)稱值通常為綜合時(shí)間尺度TA。

原子鐘內(nèi)部，引起頻率隨機(jī)起伏的主要有五種獨(dú)立噪聲，盡管噪聲的幅度和相位準(zhǔn)確值不可預(yù)見(jiàn)，但預(yù)見(jiàn)噪聲的隨機(jī)程度是有可能的，定量地描述這種隨機(jī)變化程度的量稱為頻率穩(wěn)定度。同樣的，穩(wěn)定度也是一個(gè)相對(duì)概念，原子時(shí)系統(tǒng)中，通常以原子鐘相對(duì)于綜合時(shí)間尺度TA的穩(wěn)定度來(lái)表征該鐘的穩(wěn)定度性能。

頻率漂移率一般是指頻率在單位時(shí)間內(nèi)的單方向變化量，它表征原子鐘內(nèi)部振蕩器在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中頻率值隨時(shí)間的有規(guī)律變化。在原子時(shí)系統(tǒng)中，頻率漂移率由原子鐘與TA的時(shí)差數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

3.2.2原子鐘異常狀態(tài)的判定

在主備同步系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)計(jì)算主鐘和備份鐘的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和漂移率，并將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)閾值進(jìn)行比較(閾值的選擇由正常情況下鐘的歷史運(yùn)行狀態(tài)決定)。當(dāng)主鐘的任何一個(gè)性能表征量異常，則給出告警信息，操作人員需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步異常排查；若判定其無(wú)法繼續(xù)擔(dān)任主鐘角色，則進(jìn)行主備切換操作。若備份鐘的性能出現(xiàn)異常，則需要從鐘組中重新選擇一臺(tái)鐘作為備份主鐘，保證主備同步系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

主備鐘狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程如圖4所示。

圖4 主備鐘狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程圖Fig.4 State monitoring process of master-backup clock

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)所述原理搭建原子時(shí)主備同步系統(tǒng)，并利用自行開(kāi)發(fā)的主備同步控制軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整控制。

系統(tǒng)運(yùn)行伊始，以主路1PPS為參考，利用備路相位微調(diào)儀的PPS同步功能，將主備路信號(hào)進(jìn)行粗同步；此時(shí)，并未對(duì)備份主鐘的頻率作調(diào)整，仍以其自身頻率特性運(yùn)行，粗同步后系統(tǒng)運(yùn)行1h，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 初始運(yùn)行時(shí)的主備鐘差波形圖Fig.5 Clock differences of master and backup clock during initial operation

利用圖5中1h的主備鐘差計(jì)算備份主鐘相對(duì)于主鐘的頻率偏差和相位偏差，分別為1.21E-13和221.9ns。然后對(duì)備份主鐘進(jìn)行相位精同步，將主備相位調(diào)整至0ns左右，此時(shí)，仍未對(duì)備份主鐘的頻率進(jìn)行調(diào)整，該過(guò)程對(duì)應(yīng)圖6中的T1周期。系統(tǒng)在T1周期運(yùn)行1h后，利用運(yùn)行結(jié)果計(jì)算備份主鐘的頻率微調(diào)量，系統(tǒng)進(jìn)入頻率微調(diào)階段，對(duì)應(yīng)圖6中的T2周期，在該周期運(yùn)行1h，主備相對(duì)頻率偏差已提高1個(gè)量級(jí)。根據(jù)T2的運(yùn)行結(jié)果再次計(jì)算備份主鐘相對(duì)于主鐘的頻率偏差和相位偏差，并再次對(duì)備份主鐘進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)兩輪調(diào)整，主備運(yùn)行狀態(tài)趨于穩(wěn)定。圖6中的T3周期和T4周期，即運(yùn)行穩(wěn)定后的狀態(tài)，可見(jiàn)，主備鐘差保持在(0.25～0.35)ns，主備頻差保持在2E-15以內(nèi)。

圖6 調(diào)整至穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中的主備鐘差波形圖Fig.6 Clock differences of master and backup clock during adjusting to stable operation

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了原子時(shí)系統(tǒng)中的主鐘和備份主鐘同步系統(tǒng)，并對(duì)主備同步技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)主備同步軟件，使主備路的相對(duì)頻率頻差和相位偏差保持在很小的范圍內(nèi)。為提高原子時(shí)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)原子時(shí)系統(tǒng)的主備路無(wú)縫切換提供重要支撐。