船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)GPS跳秒問題研究與改進(jìn)

毛江錕　劉洪源

摘 要：介紹了船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的組成和GPS模塊的工作原理。指出了現(xiàn)有時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)存在的GPS跳秒問題。針對(duì)船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)GPS跳秒問題，建立FTA故障樹分析模型，分析故障底事件，定位了GPS跳秒問題的故障部位是GPS定時(shí)接收機(jī)，并深入分析GPS接收機(jī)關(guān)于閏秒的相關(guān)原理，進(jìn)一步精確定位了GPS跳秒問題的原因是GPS接收機(jī)的閏秒修正軟件算法存在缺陷。為了解決該問題，采用在GPS解碼程序中增加GPS跳秒檢測(cè)機(jī)制的方法，檢測(cè)GPS芯片是否發(fā)生跳秒現(xiàn)象來避免產(chǎn)生器誤同步，從而避免GPS跳秒問題導(dǎo)致的系統(tǒng)時(shí)間異常。通過搭建GPS模塊程序驗(yàn)證平臺(tái)和設(shè)計(jì)GPS驗(yàn)證測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明改進(jìn)后的GPS解碼程序在檢測(cè)到GPS定時(shí)接收機(jī)跳秒后，能使GPS定時(shí)接收機(jī)復(fù)位，并設(shè)置GPS信息不可用，避免產(chǎn)生器誤同步，從而有效解決了GPS跳秒問題。

關(guān)鍵詞：船載;時(shí)間統(tǒng)一;GPS;跳秒;FTA（故障樹分析）;閏秒

中圖分類號(hào)：TP274????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research and Improvemen of GPS Jump Second

Problem for Timing System on Ship

MAO Jiang-kun， LIU Hong-yuan

（China Satellite Marine Track & Control Department， Jiangyin，Jiangsu 214431， China）

Abstract：Describes the composition of the ship timing system and the working principle of the GPS module. pointed out the GPS jump second problem of current timing system. For it establishing FTA model and analysis fault bottom events， which positioned the fault location is GPS timing receiver. And analyzed deeply the principle of GPS receiver on the leap second， further pinpoint the reasons is the defect of GPS receiver second correction software algorithm. In order to solve this problem， by means of increasing the GPS jump second detection mechanism in GPS decoding process， which detect jump second phenomenon of GPS chip to avoid the generator false synchronous， and avoid GPS jump second leading to System time anomaly. By setting up the GPS module program verification platform and designing the GPS verification test software for testing. The results show that GPS timing receiver jump second is detected by the improved GPS decoding procedure， which can reset GPS timing receiver， and set the GPS information is not available， to avoid generator false synchronous， so as to effectively solve the GPS problem.

Key words：ship; timing system; GPS; jump second; FTA （fault tree analysis）; leap second

船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)為船舶各用戶及配套設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)頻率和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，確保岸船設(shè)備之間時(shí)間同步，特別是對(duì)科學(xué)試驗(yàn)中整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)間和頻率的統(tǒng)一、保證測(cè)量數(shù)據(jù)正確有效有著重大意義。因GPS信號(hào)有覆蓋廣、精度高等特點(diǎn)，成為了船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的主要對(duì)時(shí)手段之一，船載GPS對(duì)時(shí)校頻技術(shù)也日趨成熟，但在使用過程中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些問題，其中GPS跳秒問題比較突出，該問題直接導(dǎo)致輸出時(shí)間錯(cuò)誤。通過深入分析GPS模塊相關(guān)工作原理，并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，預(yù)期解決GPS跳秒問題，以提高船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的可靠性。

1 GPS跳秒問題介紹

船載時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備在開機(jī)后出現(xiàn)控制器和監(jiān)控軟件告警的情況，日志記錄GPS時(shí)間不一致。GPS參考時(shí)間比正常時(shí)間快19秒，一直保持直到4小時(shí)左右后恢復(fù)正常，跳秒期間時(shí)統(tǒng)設(shè)備控制器對(duì)外告警，現(xiàn)象描述如圖1所示。

2 基于FTA的GPS跳秒問題研究

2.1 GPS模塊工作原理分析

船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)主要由GPS模塊、北斗模塊、時(shí)碼產(chǎn)生、頻標(biāo)輸出、B（AC）輸出、B（DC）輸出、控制模塊、電源等部分組成[1-2]，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

其中，GPS模塊主要由GPS接收機(jī)和單片機(jī)組成。GPS模塊的原理圖如圖3所示。GPS接收機(jī)接收美國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)布的星歷數(shù)據(jù)，先解調(diào)出粗略的時(shí)間報(bào)文給出時(shí)間可用標(biāo)志，閏秒修正完成后再給出閏秒標(biāo)志表示現(xiàn)在的時(shí)間有效，此時(shí)的時(shí)間才是標(biāo)準(zhǔn)的UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）。單片機(jī)僅根據(jù)時(shí)間可用標(biāo)志選通GPS秒信號(hào)輸出到產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生模塊根據(jù)可用標(biāo)志執(zhí)行同步和B（DC）時(shí)間更換操作。

由圖2和圖3可知，GPS時(shí)間異常主要與GPS模塊、控制模塊、產(chǎn)生器、電源等因素有關(guān)，此問題的頂事件是GPS跳秒，根據(jù)時(shí)統(tǒng)設(shè)備的雙冗余工作原理，需深入模塊內(nèi)部分析。

2.2 FTA分析模型及底事件分析

由圖2和圖3可知，GPS跳秒，影響因素包括：GPS模塊的定時(shí)接收機(jī)異常、GPS模塊的控制程序異常、多主通訊異常、控制器異常、產(chǎn)生器異常等。建立GPS跳秒問題故障樹分析模型，如圖4所示。

此問題現(xiàn)象是GPS模塊跳秒，且同時(shí)在控制器和產(chǎn)生器上出現(xiàn)，按照故障樹所羅列的各因素，通過時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備GPS模塊上預(yù)留的GPS定時(shí)接收機(jī)測(cè)試接口，檢測(cè)到GPS定時(shí)接收機(jī)發(fā)出的GPS數(shù)據(jù)比正常情況快了19秒。經(jīng)分析捕獲的數(shù)據(jù)，GPS收星狀態(tài)、天線狀態(tài)、時(shí)間可用狀態(tài)等均正常，但GPS數(shù)據(jù)在不明條件下發(fā)出的時(shí)間數(shù)據(jù)在UTC時(shí)和GPS時(shí)之間變換，導(dǎo)致GPS定時(shí)接收機(jī)發(fā)出GPS時(shí)間時(shí)GPS模塊解調(diào)出的時(shí)間快19 s。從而在監(jiān)控軟件和控制模塊上監(jiān)測(cè)到GPS時(shí)間快19 s。

因此，GPS跳19 s的原因是由GPS定時(shí)接收機(jī)數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的。

2.3 GPS跳秒問題機(jī)理分析

2.3.1 GPS接收機(jī)性能分析

如圖3所示，GPS接收模塊的核心是GPS接收機(jī)，單片機(jī)僅用于接收解調(diào)GPS的時(shí)間信息和時(shí)間可用性標(biāo)志。該GPS接收模塊與其它型號(hào)的模塊相比，靈敏度高達(dá)-160dBm、定時(shí)精度為30ns、工作溫度范圍寬、動(dòng)態(tài)性能好，是一款成熟的產(chǎn)品，已被大量應(yīng)用于各種工程中[3]。選用該型接收機(jī)時(shí)，廠所進(jìn)行了長期的測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)時(shí)間跳變問題。

2.3.2 UTC閏秒調(diào)整原理

19秒的跳變正好與UTC對(duì)GPS時(shí)間的閏秒修正相符。

GPS接收機(jī)接收GPS全球定位系統(tǒng)發(fā)布的時(shí)間系統(tǒng)信息，該時(shí)間系統(tǒng)是一個(gè)利用軟件對(duì)GPS中所有地面鐘和衛(wèi)星鐘在內(nèi)的時(shí)鐘進(jìn)行綜合處理得到的“紙面鐘”，它以國際原子時(shí)（TAI）為時(shí)間尺度，是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間系統(tǒng)。而UTC是與地球自傳速率相關(guān)的不均勻的時(shí)間系統(tǒng)，與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，經(jīng)一定時(shí)間累積造成與原子時(shí)的偏差逐漸增大。為了照顧到不同的需求，國際無線電科學(xué)協(xié)會(huì)和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)分別在1960年和1961年提出了一個(gè)國際協(xié)調(diào)方案，當(dāng)UTC和GPS兩種時(shí)間系統(tǒng)相差大于0.9秒時(shí)，用時(shí)刻階躍1整秒的方式來調(diào)整，稱為閏秒[4-6]。

從1980年1月6日0時(shí)起，已作了19次閏秒調(diào)整，且均是正閏秒，即現(xiàn)在的GPS比UTC快19秒。

2.3.3 GPS接收機(jī)對(duì)閏秒的修正原理

通過實(shí)際測(cè)試，該接收機(jī)從串口報(bào)文發(fā)出時(shí)間信息的步驟如下：

首先，利用至少4顆GPS衛(wèi)星進(jìn)入定位模式;

其次，再根據(jù)出廠前保存在FLASH中的閏秒已修正值輸出粗略補(bǔ)償?shù)腉PS時(shí)間和可用標(biāo)志;

經(jīng)過一個(gè)周期（約12分鐘），收齊GPS星歷數(shù)據(jù)后，再根據(jù)星歷修正完當(dāng)前UTC和GPS的偏差，最后輸出正確可用的UTC時(shí)間和閏秒修正標(biāo)志。

經(jīng)查，船載時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備采用的接收機(jī)是在2012年前出廠的，該批次GPS定時(shí)接收機(jī)在出廠時(shí)內(nèi)部已經(jīng)固定了18 s的閏秒修正數(shù)。今年又執(zhí)行了一次閏秒，由于該次閏秒沒有被保存在接收機(jī)的FLASH中，只能通過解算星歷得出[7-9]。因此正常情況下，開機(jī)后加上18s的固定修正數(shù)，此時(shí)接收機(jī)輸出的UTC時(shí)間應(yīng)比正確時(shí)間快1秒，大約12分鐘后，再執(zhí)行一次閏秒修正操作完成UTC的閏秒修正。

3 GPS跳秒問題改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

GPS跳秒問題復(fù)現(xiàn)后，測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

$GPGGA，062852.00，3709.80241，N，07952.34605，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*49

$GPGGA，062853.00，3709.80241，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*4B

$GPGGA，062838.00，3709.80242，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.3，M，-49.9，M，，*44

$GPRMC，062839.00，A，3709.80243，N，07952.34607，E，0.008，，171012，，，D*70

從第二行和第三行數(shù)據(jù)可以看出，問題出現(xiàn)時(shí)接收機(jī)輸出的時(shí)間信息快了18秒，此時(shí)輸出的是開機(jī)后粗略補(bǔ)償?shù)腉PS時(shí)間。

因此，GPS跳秒問題定位為GPS接收機(jī)的閏秒修正軟件算法存在缺陷。

針對(duì)該問題，在GPS解碼程序中增加故障檢測(cè)機(jī)制，檢測(cè)GPS芯片是否發(fā)生跳秒現(xiàn)象。若GPS定時(shí)接收機(jī)正常工作過程中，解碼程序檢測(cè)到GPS定時(shí)接收機(jī)跳秒，解碼程序發(fā)送控制指令給GPS定時(shí)接收機(jī)，使GPS定時(shí)接收機(jī)復(fù)位，并設(shè)置GPS信息不可用，避免產(chǎn)生器誤同步。

改進(jìn)后的GPS模塊程序驗(yàn)證平臺(tái)如圖5所示。該驗(yàn)證平臺(tái)中的GPS模塊與圖3中的GPS模塊主要區(qū)別是斷開了GPS定時(shí)接收機(jī)發(fā)往單片機(jī)的鏈路[10]。在圖5中用計(jì)算機(jī)A模擬GPS定時(shí)接收機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)。運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證軟件，使計(jì)算機(jī)A的串口發(fā)送GPS定時(shí)接收機(jī)數(shù)據(jù)，用CAN總線助手確定GPS模塊接收正常后，通過測(cè)試驗(yàn)證軟件，修改GPS定時(shí)接收機(jī)的設(shè)置以發(fā)出時(shí)間，用計(jì)算機(jī)B檢測(cè)GPS定時(shí)接收機(jī)狀態(tài)。

通過上述測(cè)試，在GPS時(shí)間調(diào)整后，GPS模塊發(fā)出的CAN數(shù)據(jù)指示GPS時(shí)間不可用，GPS檢測(cè)串口也指示出GPS定時(shí)接收機(jī)正常復(fù)位。上述驗(yàn)證說明改進(jìn)后的GPS解碼程序能夠在GPS跳秒后設(shè)置GPS信息不可用，避免產(chǎn)生器誤同步，同時(shí)復(fù)位GPS定時(shí)接收機(jī)，使其再次收星，避免問題現(xiàn)象發(fā)生。

另外，為了確保時(shí)間正確，可以將時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的產(chǎn)生器設(shè)置為手動(dòng)同步方式，利用高穩(wěn)定的銣鐘保證輸出信號(hào)的精度指標(biāo)，在確定GPS接收正常且超出設(shè)置容差時(shí)，手動(dòng)操作產(chǎn)生器，使其與GPS同步，也可防止該問題的發(fā)生。

4 結(jié) 論

船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的跳秒問題將直接導(dǎo)致用戶各設(shè)備接收異常的時(shí)間，針對(duì)該問題，采用FTA分析方法并深入剖析GPS模塊的相關(guān)工作原理，精準(zhǔn)定位了GPS跳19秒問題的原因是GPS接收機(jī)的閏秒修正軟件算法存在缺陷，致使GPS模塊程序接收到錯(cuò)誤信息。通過改進(jìn)GPS解碼程序并搭建驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，解決了GPS跳秒問題，提高了船載時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)GPS授時(shí)的可靠性。

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