時頻基準系統(tǒng)的框架設計與技術實現(xiàn)?

（92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

時頻基準系統(tǒng)是艦船信息平臺的重要需求之一，是作為信息化戰(zhàn)爭中實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知共享的前提條件，在艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)、編隊指揮系統(tǒng)中發(fā)揮著日益重要的作用，已成為信息化戰(zhàn)爭中的重要保障設備[1]?，F(xiàn)有時頻基準系統(tǒng)存在諸多不足，如用戶接口類型復雜、技術體制不統(tǒng)一、傳輸距離受限、設備冗余度不高，以及不具備信號遠程監(jiān)控能力等，尤其在海上信息移動平臺更為突出，這些都大大影響了平臺整體性能的發(fā)揮[2]。文獻[3～5]研究了分布式系統(tǒng)的時間統(tǒng)一技術，用于解決多平臺之間時間同步問題。文獻[6～8]利用多種時間源實現(xiàn)組合授時，提升了授時精度和系統(tǒng)可靠性。在技術應用方面，文獻[9]采用MCU+FPGA方式，以較低成本實現(xiàn)了高精度授時系統(tǒng)；文獻[10]基于VC++編程技術，實現(xiàn)了可用于訓練目的的時頻單元模擬軟件；文獻[11]利用GPS和北斗實現(xiàn)了雙機授時，提升了授時系統(tǒng)可靠性。文獻[12]研究了海面艦船時間統(tǒng)一方法，對影響艦載微波雙向時間傳遞的誤差因素進行了理論分析和計算。

基于對已有技術分析并結合實際需求，本文提出一種海上信息平臺時頻基準系統(tǒng)設計思路和技術總體框架，并對系統(tǒng)關鍵技術進行研究，為實現(xiàn)海上艦船時頻基準系統(tǒng)提供技術支撐。

2 系統(tǒng)架構及功能設計

時頻基準系統(tǒng)由時頻主機和時頻分機組成，通過主、分機級聯(lián)實現(xiàn)分布式時頻分發(fā)服務，并通過主機實現(xiàn)主、分機的集中控制。時頻基準系統(tǒng)架構如圖1所示，主要采用基于動態(tài)配置的主從架構，由主機完成定時、守時、人機交互等功能，由分機完成分布式時頻分配或配送功能，主、分機兩類設備共同組成一個完整的時頻基準系統(tǒng)。系統(tǒng)通過主、分機級聯(lián)實現(xiàn)分布式時頻分發(fā)服務，并通過主機實現(xiàn)主、分機的集中控制管理。主機通過光纖鏈路與分機組成時頻系統(tǒng)級聯(lián)環(huán)路，將與外部時間源同步后的時間信息在光纖環(huán)路內共享傳輸。分機從級聯(lián)環(huán)路獲取時間信息，將本地時間和頻率與主機同步后，輸出標準時間和頻率信息至用時/用頻設備。環(huán)路內設備級聯(lián)數(shù)量不受限，主、分機可根據(jù)用時/用頻設備規(guī)模和安裝位置要求按需配置，并就近級聯(lián)接入光纖環(huán)路；環(huán)形鏈路形成傳輸通道的冗余備份，光纖或主、分機單點故障時，仍可完成時間同步和信息分發(fā)。

時頻基準系統(tǒng)軟件部分主要包括時頻信息處理軟件和顯控軟件，軟件功能組成圖如圖2所示。時頻信息處理軟件由短波處理單元、頻控處理單元、銣鐘處理單元、斷電處理單元、頻標處理單元、時標處理單元和光纖通信處理單元等7個單元構成，實現(xiàn)時間源信息處理、頻標馴服、時間同步和信號生成、頻標信號生成等功能；顯控軟件由主控處理單元、前面板顯示單元和光纖通信處理單元等3個單元構成，實現(xiàn)時間、頻率信息和主分機狀態(tài)的實時顯示和設備運行模式、工作參數(shù)的切換操作以及記錄設備工作日志等功能。

設備加電啟動后，顯控軟件通過與時頻信息處理軟件各單元的信息交互，對外部時間源設備聯(lián)通情況和內部關鍵模塊工作狀態(tài)進行自檢，當外部時間源輸入正常時，設備自動進入同步模式，與外部時間源實現(xiàn)精確同步后，將時間、頻率信息分發(fā)給各用時設備。顯控軟件可實時接收用戶通過人機交互界面，選擇手動或自動工作方式，切換運行模式：同步/守時，及同步時間源。顯控軟件采用Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)時間、頻率信息和主分機狀態(tài)的實時顯示和設備運行模式、工作參數(shù)的切換操作以及設備工作日志。

3 系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)容錯技術實現(xiàn)

在組網方式上，由于光纖鏈路不僅需要傳遞時間同步信號，還需要傳輸通信/控制信號；不僅需要考慮到正常連接情況，還需要根據(jù)應用考慮節(jié)點被摧毀或臨時增加節(jié)點等網絡拓撲變更情況，具體結構如圖3所示。在正常連接情況下，時間同步信號流和通信/控制信息流是按環(huán)網單向流動遍歷所有節(jié)點。

圖1 系統(tǒng)架構圖

圖2 系統(tǒng)軟件功能組成圖

圖3 正常情況下光纖環(huán)網中的單向結構

當網絡中節(jié)點被摧毀或設備故障時，將導致單向環(huán)網鏈路中斷，則網絡能夠自適應重新建立連接。重新建立連接后時間流和信息流如圖4所示，時間流仍然從主機出發(fā)向分機分配，由環(huán)網結構變?yōu)闃錉罱Y構，信息流由一個環(huán)網裂變?yōu)殡p環(huán)網結構，從而保障系統(tǒng)在某些節(jié)點功能失效時仍然能夠正常工作。此外，系統(tǒng)能夠動態(tài)適應拓撲結構變化，如圖5所示，當在網絡中增加一個分機時，網絡拓撲會重新建立連接重新組成單環(huán)網結構，從而保障系統(tǒng)工作進程能夠不受影響。

圖4 光纖環(huán)網中斷情況下時間信號流與信息流

3.2 原子鐘頻率跳變完好性監(jiān)測技術實現(xiàn)

頻率跳變對系統(tǒng)正常工作的影響是巨大的，會導致參照時頻基準的裝備數(shù)據(jù)與時間關聯(lián)出現(xiàn)錯誤。原子鐘異?，F(xiàn)象中最常見的是頻率跳變。頻率跳變通常又分為兩種情況。第一種是暫時性跳變（圖6所示），即原子鐘輸出頻率在某一時刻（時刻23和54）發(fā)生跳變，但是下一時刻或經歷很短的時間之后能夠回歸到正常頻率輸出。另外一種頻率跳變可稱之為持久性跳變（圖7所示），即發(fā)生頻率跳變異常之后不能回歸到正常頻率輸出。

圖5 光纖環(huán)網增補節(jié)點情況下時間信號流與信息流

圖6 GPS Block IIR（SVN54-1）星載原子鐘頻率暫時性跳變

圖7 GPS Block IIR（SVN41-1）星載原子鐘頻率持久性跳變

考慮到本系統(tǒng)中主機設備中只有主備兩臺工作銣原子鐘，因此采用一種基于中間振蕩器的時頻主備鏈路自主完好性監(jiān)測方法，其基本架構如圖8所示。具體實現(xiàn)如下：

1）在主機系統(tǒng)中采用恒溫晶振作為中間振蕩器，選取主備鏈路實時比對測量數(shù)據(jù)作為其完好性監(jiān)測的觀測量，實施時頻鏈路自主完好性監(jiān)測確保了異常告警的及時性。

2）硬件構架簡單。在正弦差拍數(shù)字化星上時頻主備鏈路比對測量系統(tǒng)基本構架的基礎上，不增添任何硬件電路，僅在數(shù)字信號處理模塊中增加相應算法進行完好性監(jiān)測。

3）借助于中間振蕩器解決異常歸屬判斷模糊性問題。具體實現(xiàn)方法是實時測量主備鏈路之間的頻率差，并以此為觀測量運行異常檢測算法判斷時頻鏈路異常是否發(fā)生，然后分別分析主用鏈路和備用鏈路與中間振蕩器的比對測量數(shù)據(jù)，進一步判斷主用鏈路異常、備用鏈路異?；蛑虚g振蕩器故障，解決異常歸屬判斷模糊性問題。

圖8 基于中間振蕩器的時頻自主完好性監(jiān)測

3.3 多時間源無縫切換技術實現(xiàn)

為了保證時頻基準的可靠性，時頻系統(tǒng)一般均配備了備份主鐘系統(tǒng)。當主鐘性能下降或信號出現(xiàn)異常時，及時切換到備份鐘，以保證時頻信號的連續(xù)、穩(wěn)定。以目前全球四大導航系統(tǒng)為例（美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)），其導航衛(wèi)星上的星載原子鐘組一般配備3～4臺原子鐘，對工作中的主鐘采取冗余設計，以保證衛(wèi)星時間頻率信號的穩(wěn)定連續(xù)性。常用主備鐘無縫切換方法核心思想是在切換前實現(xiàn)主備鐘之間的相位同步，利用時間間隔計數(shù)器測得主備鐘之間的相位差，并通過相位微調儀對備份鐘進行頻率調整，實現(xiàn)主備鐘間的實時相位同步。

綜上分析，系統(tǒng)采用圖9所示切換方案，通過雙混頻時差測量系統(tǒng)進行相位測量，以保證較高的相位測量精度，同時可以檢測主鐘和備份鐘的頻率穩(wěn)定度。相位和頻率調整使用直接在鑒相器結果上進行補償?shù)姆椒?，而不使用移相器以避免移相器對結果帶來的不確定性。為減小主備鐘切換前后的相位跳變，使用兩個基于雙混頻時差法的鑒相器，采用“軟切換”的方式進行主備鐘切換，保障切換過程不影響系統(tǒng)向外持續(xù)提供時頻基準，從而實現(xiàn)無縫切換過程。

圖9 系統(tǒng)無縫切換方案

3.4 時間頻率信息光纖傳遞技術實現(xiàn)

系統(tǒng)中主機和分機組網采用光纖模式，利用高精度光纖時間同步方法將主機時間頻率信號傳遞到分機，并形成環(huán)回網。光纖時間同步本地端補償方案如圖10所示，系統(tǒng)將外部輸入的參考10MHz頻率信號和1PPS（脈沖/秒）信號經過相位和延遲補償模塊，再經過編碼模塊對標準時間信號進行編碼，同時也將外部輸入的時碼信息一同進行編碼，然后將編碼信號調制在激光器上經過光纖鏈路發(fā)出，在遠程端經過解碼再生模塊恢復出10MHz頻率信號、1PPS和時碼信息；遠程端將收到的光信號返回，在本地端解調恢復出來，作為控制相位和延遲模塊的反饋信號，在本地端進行延遲和相位的補償，從而實現(xiàn)本地端與遠程端的時間和頻率信號的同步。在遠程端接收到的信號已經與本地端同步的，可直接使用而不需要進行處理。上述方法既能保證長距離的同步精度與近距離的相當，也能滿足沿途站點的授時需求。

圖10 本地端補償方案結構圖

在系統(tǒng)組網中采用環(huán)回中途下載方案，并延續(xù)雙向同一波長環(huán)回比對方案，保證本地端與遠程端的同步精度，中途采用雙向光中繼的方案，而沿途采用監(jiān)聽下載信號再生的方式，具體結構如圖11所示。環(huán)回中途下載方案雙向光的波長完全一致，對激光器要求低，各個沿途站點是以監(jiān)聽的方式工作的，因此各個沿途站點間互不干擾，且不存在累積誤差。

圖11 多用戶方案結構圖

4 結語

本文針對當前時頻基準系統(tǒng)存在的不足，提出了一種新型時頻基準系統(tǒng)架構和技術實現(xiàn)。對時頻基準系統(tǒng)的架構和功能組成進行了詳細設計，進一步研究了系統(tǒng)容錯、頻率跳變監(jiān)測、源間無縫切換、時頻信號光纖傳遞等系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)，為海上信息平臺時頻基準系統(tǒng)研制提供了一種設計思路和實現(xiàn)手段。