一種授時守時板卡設(shè)計及實現(xiàn)

霍海強 王敬 趙巖

摘要：針對用時設(shè)備高精度時頻信號需求，設(shè)計了一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的銣鐘授時守時板卡。板卡利用導(dǎo)航接收機授時秒脈沖（1PPS）長期穩(wěn)定度高的特點，結(jié)合銣鐘優(yōu)良的短期穩(wěn)定度和低漂移率特性，以接收機1PPS為基準(zhǔn)對銣鐘進行實時控制，進而生成高精度時頻信號，對外提供高精度時頻服務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星信號丟失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)調(diào)整銣鐘頻率實現(xiàn)高精度守時。測試結(jié)果表明，板卡授時精度優(yōu)于20 ns，馴服期間瞬時頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于2×10-10，守時精度優(yōu)于1μs/d。

關(guān)鍵詞：馴服；授時；守時

中圖分類號：TN253文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-60-4

0引言

時間是物理學(xué)中7個基本物理量之一，與人們的日常生活、科技發(fā)展密切相關(guān)。隨著技術(shù)探索的進步，在測控與通信系統(tǒng)領(lǐng)域，對時間頻率基準(zhǔn)的精度要求越來越高[1]。氫鐘及銫鐘是高性能時間頻率基準(zhǔn)首選，但體積較大、對環(huán)境要求嚴(yán)格且成本較高[2]；銣鐘及晶振短期穩(wěn)定度較好，但老化指標(biāo)較差，難以滿足長期守時、長期穩(wěn)定度指標(biāo)[3-4]，與氫鐘、銫鐘相比，銣鐘老化指標(biāo)相對較差[5-6]，可維持一段時間守時，晶振老化指標(biāo)最差，守時性能最差，但晶振成本最低。基于以上分析，設(shè)計了一種接收機加銣鐘的板卡作為本地時間頻率基準(zhǔn)，接收機通過接收衛(wèi)星信號校準(zhǔn)本地銣鐘頻率[7]，并輸出高精度授時信號。當(dāng)衛(wèi)星信號消失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)進行高精度守時，通過上述設(shè)計為用時設(shè)備提供完成高性能授時守時信號。

本文分析了基于導(dǎo)航系統(tǒng)的銣鐘馴服技術(shù)基本工作原理，針對實際應(yīng)用及銣鐘馴服特點，完成了硬件設(shè)計及軟件設(shè)計，在軟件中設(shè)計PID控制算法及守時算法[8]，對板卡授時性能、守時性能進行了驗證。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1板卡總體設(shè)計

授時守時板卡主要由接收機單元、馴服單元和銣鐘組成，接收機單元通過天線接收衛(wèi)星信號，完成定位后輸出1PPS+TOD信息給馴服單元，馴服單元對接收機1PPS和本地銣鐘分頻1PPS進行時差測量，進而獲得銣鐘頻偏并對其進行校正，然后以銣鐘時鐘為基準(zhǔn)生成授時信號，對外提供高精度時頻服務(wù)，如圖1所示。

1.2硬件設(shè)計

授時守時板卡由DC/DC電源模塊、銣鐘原子鐘、時差測量芯片（TDC）、FPGA、ARM、電平轉(zhuǎn)換芯片等組成，DC/DC電源模塊將外部輸入12 V轉(zhuǎn)換為5 V，3.3 V，1.8 V，為整板各個器件供電；時差測量芯片實時測量本地1PPS與外部輸入接收機1PPS的時差，為銣鐘馴服提供數(shù)據(jù)支撐；銣鐘接受FPGA+ARM時鐘控制指令完成頻率信號的校準(zhǔn)；FPGA和ARM為板卡處理控制核心，完成整板邏輯、時序、算法和控制。授時守時板卡硬件設(shè)計如圖2所示。

衛(wèi)星信號正常情況下，接收機定位授時輸出參考1PPS+TOD，F(xiàn)PGA+ARM使用TDC測量參考1PPS與銣鐘10 MHz分頻1PPS的相差，獲得銣鐘與參考1PPS的相差，根據(jù)相差信息馴服銣鐘頻率獲得高精度1PPS同步信號及高準(zhǔn)確度10 MHz頻率信號，以馴服1PPS、10 MHz及參考TOD為基準(zhǔn)生成1PPS+TOD，B碼，NTP等授時信號，當(dāng)衛(wèi)星信號消失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)進行守時。

1.3軟件設(shè)計

授時守時板卡在外部參考信號正常且銣鐘鎖定的情況下，馴服本地銣鐘生成授時信號，衛(wèi)星信號消失后，進入守時狀態(tài)。在板卡實際應(yīng)用過程中，由于存在多種情況，因此需設(shè)計合理的軟件處理流程來應(yīng)對各種外在因素，使板卡盡可能輸出高精度授時信息。基于以上考慮，板卡軟件流程如圖3所示。

①板卡上電后，首先要檢測銣鐘是否鎖定。當(dāng)銣鐘未鎖定時，其輸出頻率變化很大，不具備馴服條件，故不對銣鐘進行任何調(diào)整。

②銣鐘未鎖定且外部時間無效時，直接輸出本地時間；銣鐘未鎖定且外部參考時間有效時，以銣鐘10 MHz對外部時間進行粗同步，并維持、輸出本地時間信息。

③銣鐘鎖定后，若參考有效則進入馴服狀態(tài)，并輸出高精度授時信號；若參考無效，則判斷上一秒是否為馴服狀態(tài)。若是馴服狀態(tài)則根據(jù)馴服數(shù)據(jù)調(diào)整銣鐘頻率并進行守時，否則直接輸出本地授時時間信號。

④完成以上操作后，重新判斷銣鐘是否鎖定，開始下一循環(huán)。

時鐘馴服算法是基于本地銣鐘與外部參考相差、頻偏獲得本地銣鐘參考量，并對本地銣鐘進行馴服，授時守時板卡采用PID算法完成頻率馴服，如圖4所示[9-10]。（ ）是TDC測得的相差進行平均濾波的結(jié)果，Δ（ ）是相對調(diào)整量。對（ ）進行濾波的原因在于，接收機輸出1PPS抖動較大，若直接將其送入PID將導(dǎo)致銣鐘調(diào)整過于劇烈，會破壞銣鐘短期穩(wěn)定度，因此需要對（ ）進行濾波，然后將濾波結(jié)果送入PID。