一種時間統(tǒng)一模塊同步授時算法?

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目前，用于給水下目標(biāo)定位的水聲定位系統(tǒng)主要有合作方式和非合作方式[1]，通用水聲聲信標(biāo)主要用于為水聲測控裝備提供規(guī)定頻帶內(nèi)頻點(diǎn)、脈寬及周期可設(shè)定的合作水聲信號，“時統(tǒng)模塊”是信標(biāo)的核心組件之一，系統(tǒng)所有動作都以時統(tǒng)模塊為時間基準(zhǔn)。其主要包括北斗授時電路、恒溫晶振守時電路、同步輸出電路、返檢測試電路等單元電路，目前，由于時間統(tǒng)一系統(tǒng)在進(jìn)行邏輯控制時均采用低密度大尺寸的FPGA完成，造成了這種方案配電復(fù)雜、修改維護(hù)復(fù)雜、PCB尺寸較大、功耗難于控制。不利于減小設(shè)備的輕便和維護(hù)性[2]。文章設(shè)計(jì)時統(tǒng)單片機(jī)使用通用異步串行接口，連接北斗通訊授時模塊，分解導(dǎo)航報文，生成門控信號（GATE）控制、挑選用于授時的秒脈沖信號。穩(wěn)定的時鐘源是時統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，高精度溫控晶振（OCXO）為系統(tǒng)提供高精度的時鐘源，保證無纜式通用聲信標(biāo)在水下航行時，沒有外部高精度同步信號情況下的同步發(fā)射精度要求[3]。

2 時統(tǒng)模塊原理設(shè)計(jì)

“時統(tǒng)模塊”是信標(biāo)的核心組件之一，系統(tǒng)所有動作都以時統(tǒng)模塊為時間基準(zhǔn)[4]。其主要包括北斗授時電路、恒溫晶振守時電路、同步輸出電路、返檢測試電路等單元電路組成。當(dāng)北斗天線浮出水面，北斗模塊穩(wěn)定接收到定位授時信號后，時統(tǒng)模塊自動跟蹤對時，完成守時糾偏；當(dāng)北斗天線潛入水下（無北斗無線電信號），時統(tǒng)模塊使用高精度溫控晶振完成系統(tǒng)守時工作，以保證定位聲信號發(fā)射時間精度。

時統(tǒng)單片機(jī)使用內(nèi)部32bit通用定時器“TIM2”的4個比較/捕捉通道，完成時統(tǒng)脈沖捕獲、測距脈沖（第1脈沖）前沿生成、待測脈沖捕獲等功能。使用16bit通用定時器“TIM3”完成測深脈沖（第2脈沖）前沿生成，時延生成功能。測距、測深脈沖參數(shù)，如周期、脈寬、時延等，由主控單片機(jī)分解并自動設(shè)置[5]。

1）恒溫晶振為時統(tǒng)單片機(jī)提供高穩(wěn)定10MHz時鐘，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部PLL單元倍頻為50MHz后，供給時統(tǒng)單片機(jī)芯片內(nèi)部所有“外設(shè)”，如定時器Tim?er使用，時統(tǒng)單片機(jī)通過SPI總線連接“數(shù)字電位器”，使用數(shù)字電位器中間抽頭可調(diào)電壓值控制恒溫晶振壓控電壓，以達(dá)到晶振頻率微調(diào)的功能；

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）內(nèi)置32bit定時器2（TIMER2），設(shè)置循環(huán)計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)頻率為50MHz（20ns），計(jì)數(shù)長度根據(jù)發(fā)射周期設(shè)置完成設(shè)定（若周期為1s，則計(jì)數(shù)個數(shù)為1s/20ns=50，000，000）。TIMER2通道3被設(shè)定為輸出模式，輸出設(shè)定脈寬信號，作為第1脈沖（測距脈沖）輸出。TIMER2一經(jīng)設(shè)置運(yùn)行后，除授時調(diào)整外，不再使用軟件對其計(jì)數(shù)器做二次調(diào)整，以保證TIMER2計(jì)數(shù)穩(wěn)定可靠。TIMER2運(yùn)行穩(wěn)定即系統(tǒng)發(fā)射時刻、周期穩(wěn)定[6]；

3）TIMER2通道1、通道2設(shè)定為輸入捕獲模式，分別輸入經(jīng)挑選后的北斗或GPS秒脈沖信號，系統(tǒng)授時中，秒脈沖信號上升沿觸發(fā)捕獲TIMER2中時延值，經(jīng)計(jì)算時延誤差后，軟件對TIMER2計(jì)數(shù)器完成調(diào)整以達(dá)到授時同步功能；

4）第1脈沖送至定時器3（TIMER3）通道1，觸發(fā)TIMER3運(yùn)行1次，生成特定時延的第2脈沖（測深脈沖）信號，時延及第2脈沖寬度由主控單片機(jī)控制。

3 同步算法設(shè)計(jì)

為保證同步授時精度要求，需設(shè)計(jì)完善的同步授時算法。為方便后文論述，現(xiàn)給出信號體制定義假設(shè)。設(shè)：發(fā)射周期為T；第1脈沖寬度為t1；第2脈沖寬度為t2；雙脈沖間隔零位為D0；雙脈沖時延增量為DT；最大雙脈沖時延增量為DM；時統(tǒng)修正值為m。根據(jù)任務(wù)要求，給出參數(shù)限制：1ms≤t1≤100ms；t1 ≤ T×10%；1ms≤ t2 ≤ 100ms（第2脈沖有效時）；t2≤T×10%（第2脈沖有效時）；10ms≤D0 ≤ 220ms（第2脈沖有效時）；D0＞t1+8ms（第2脈沖有效時）；D0+DM+t2＜T×40%（第2脈沖有效時）；DT≤DM（第2脈沖有效時）；m ≤T×50%-t1-10ms[7]。

圖2中“SYN”為同步秒脈沖，由GPS/北斗秒脈沖提供，“FR”為“定時器2周期脈沖”即測距脈沖矩形包絡(luò)信號。信標(biāo)系統(tǒng)同步需要達(dá)到的目的是FR信號前沿與特定的SYN時間上完全重合，時延小于5us。定時器2的同步授時流程如下（假設(shè)周期為1.6s）。

圖2 系統(tǒng)時延圖

當(dāng)主控告知“下個秒脈沖同步”，時統(tǒng)單片機(jī)選擇BD（CH1）或 GPS（CH2）秒脈沖通道，秒脈沖至CH1或CH2，打開捕捉中斷使能，打開測量超時計(jì)數(shù)1.6s；CH1或CH2捕捉中斷服務(wù)程序（A點(diǎn)），捕獲同步脈沖在TIMER2定時器上的數(shù)值q，告知主程序，并關(guān)閉捕捉中斷使能；若1.6s內(nèi)沒有完成捕獲操作，關(guān)閉捕捉中斷使能，并向主控告知：無同步脈沖抵達(dá)錯誤；主程序收到捕獲值后，計(jì)算向前或向后修正值±m(xù)，打開CH2或CH1半周期比較中斷使能，若使用BD（CH1）同步，那么CH2設(shè)置為半周期中斷，若使用GPS（CH2）同步，那么CH1設(shè)置為半周期中斷[8]。

在定時器半周期中斷服務(wù)程序中（B點(diǎn)），對TIMER2計(jì)數(shù)器（TCNT）完成±m(xù)修正，關(guān)閉半周期比較中斷使能，設(shè)置標(biāo)志位結(jié)構(gòu)變量，告知上位機(jī)同步成功及±m(xù)。

設(shè)周期為

q=0，n=0表征準(zhǔn)確同步，不用調(diào)整。

圖3 系統(tǒng)同步圖

圖4 信號調(diào)整量

設(shè)m為調(diào)整量，則有：

其中：

設(shè)置C、D兩個點(diǎn)是為了保證調(diào)整的幅度過大，導(dǎo)致生成脈沖錯誤。

調(diào)整方程為

使用邊界誤差值帶入公式，驗(yàn)證同步算法有效性：

捕捉值q=0：

不調(diào)整。

捕捉值q=1：

調(diào)慢1個tb。

捕捉值q=2：

調(diào)慢2個tb。

捕捉值q=N：

調(diào)快1個tb。

捕捉值q=N-1：

調(diào)快2個tb。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在南海海域利用研制成功的聲信標(biāo)和某合作式水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行合作對某水下水下目標(biāo)進(jìn)行定位，軌跡分布區(qū)域見圖4所示。

圖5 導(dǎo)航軌跡精度分布區(qū)域圖

水下目標(biāo)在陣內(nèi)走斜線，聲信標(biāo)全程發(fā)射規(guī)定信號，由水下定位系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)定位。由圖4可以看出，全航程基本無飛點(diǎn)。設(shè)計(jì)的聲信標(biāo)完全符合系統(tǒng)要求。

5 結(jié)語

目前，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的時統(tǒng)單元已經(jīng)移植到聲信標(biāo)中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及海上實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的時統(tǒng)同步授時算法運(yùn)算量小，適合嵌入到各種需要時統(tǒng)的單元平臺，有很強(qiáng)的工程使用價值。