淺談基于高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘的應(yīng)用設(shè)想

余濤

摘 要：從航空時(shí)鐘的概念入手，闡述現(xiàn)代航空時(shí)鐘的發(fā)展，并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，提出可北斗衛(wèi)星校時(shí)高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘應(yīng)用設(shè)想。

關(guān)鍵詞：航空時(shí)鐘；高精度數(shù)字化；可北斗衛(wèi)星校時(shí)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.116

1 發(fā)展背景

作為飛機(jī)上的時(shí)間觀察設(shè)備，航空時(shí)鐘是一種不可缺少的飛行儀表。航空時(shí)鐘一般安裝在航空儀表板上，主要用于指示現(xiàn)在時(shí)間、航行時(shí)間以及測(cè)量某一任意時(shí)段時(shí)間，給飛行員提供直觀的時(shí)間信息。隨著航空技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，航空機(jī)載儀表設(shè)備也日趨現(xiàn)代化，尤其是屏幕顯示儀表的應(yīng)用明顯增加，使傳統(tǒng)的航空時(shí)鐘逐漸發(fā)展為趨于集成化、小型化、數(shù)字化、高精度以及可采用衛(wèi)星校時(shí)的多功能混合顯示時(shí)鐘。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)的為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力。基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為飛機(jī)上各種設(shè)備校時(shí)的高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘，成為航空時(shí)鐘在軍事應(yīng)用上的重要發(fā)展方向。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，我們大部分飛機(jī)仍然使用的是傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘，需要在使用前上好發(fā)條才能計(jì)時(shí)，并且計(jì)時(shí)時(shí)間一般在一周左右。時(shí)鐘的走時(shí)精度只有在滿弦的前五天最高，越往后精度越低，一周誤差在一分鐘左右。對(duì)點(diǎn)撥針的操作復(fù)雜，由于是人工操作，在時(shí)間校準(zhǔn)時(shí)難免存在誤差。為了具有夜視功能，有些時(shí)鐘的鐘面和指針使用鐳材料，具有對(duì)人體有害的放射性。大多數(shù)時(shí)鐘還有加熱裝置，在加熱過程中容易導(dǎo)致時(shí)鐘表油凍結(jié)，同時(shí)擺動(dòng)游絲也會(huì)發(fā)生變形，從而給時(shí)鐘的使用和精度帶來(lái)較大影響。

另外，其他部分飛機(jī)使用的是電子機(jī)械時(shí)鐘，始終工作時(shí)由高頻石英振蕩器產(chǎn)生震蕩信號(hào)，經(jīng)CMOS集成電路分頻、放大后輸出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)再經(jīng)齒輪傳動(dòng)系帶動(dòng)現(xiàn)時(shí)秒、分、時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)以指示現(xiàn)在時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)測(cè)時(shí)或航時(shí)功能時(shí)，需啟動(dòng)測(cè)時(shí)或航時(shí)機(jī)構(gòu)，按動(dòng)測(cè)時(shí)或航時(shí)手柄后，齒輪傳動(dòng)系帶動(dòng)測(cè)時(shí)或航時(shí)離合輪及回零簧。通過測(cè)試或航時(shí)離合輪與主傳動(dòng)的齒合、脫離來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)時(shí)或航時(shí)的啟動(dòng)、停止。通過回零簧的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)時(shí)或航時(shí)的回零。

國(guó)外的航空時(shí)鐘早期也采用傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘，目前多被可GPS衛(wèi)星校時(shí)的全數(shù)字化航空時(shí)鐘所取代。

3 高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘的優(yōu)勢(shì)

高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘可通過飛機(jī)電源對(duì)其供電以及自身的備用電源工作，保持不間斷的連續(xù)計(jì)時(shí)，具有掉電保護(hù)功能，即使機(jī)上電源關(guān)閉，數(shù)字時(shí)鐘內(nèi)部的備用電源仍將維持時(shí)鐘繼續(xù)工作。時(shí)鐘未使用衛(wèi)星校準(zhǔn)時(shí)，扔能保持高精度計(jì)時(shí)及校準(zhǔn)，每天的時(shí)間誤差不超過0.1～0.4秒，并且高精度不會(huì)隨著時(shí)間的累計(jì)而降低。通過衛(wèi)星系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，精度可達(dá)10-6秒級(jí)，使得授時(shí)后的時(shí)間精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航空時(shí)鐘。如此高精度的時(shí)間基準(zhǔn)還可應(yīng)用于機(jī)群系統(tǒng)的其他時(shí)間應(yīng)用，如時(shí)鐘同步。全數(shù)字化顯示和控制，運(yùn)行時(shí)基本無(wú)任何聲響，不需添加對(duì)人體有害的夜光材料，背光的液晶顯示屏在任何時(shí)候都能清晰的看到時(shí)間和方便計(jì)時(shí)。

隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的日趨成熟，可北斗衛(wèi)星校時(shí)的高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘成為航空時(shí)鐘今后的主要發(fā)展趨勢(shì)。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

可北斗衛(wèi)星校時(shí)的高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘是一臺(tái)全數(shù)字化航空時(shí)鐘，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，精度高、顯示清晰、工作可靠、使用方便，外部斷電后，內(nèi)部備用電源可使時(shí)鐘繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其機(jī)芯內(nèi)數(shù)字化的結(jié)構(gòu)使得時(shí)鐘可以獲得高精度的現(xiàn)在時(shí)間以及計(jì)算精確的航行時(shí)間。時(shí)鐘內(nèi)部有可模擬指針走動(dòng)的測(cè)時(shí)機(jī)構(gòu)，使得時(shí)鐘的測(cè)時(shí)顯示更加直觀、方便。同時(shí)，時(shí)鐘內(nèi)的北斗接收模塊在通過衛(wèi)星的校準(zhǔn)后，可以獲取更精準(zhǔn)的時(shí)間。根據(jù)特殊用戶需要，還可以提供北斗高精度時(shí)間、經(jīng)緯度、高度及飛行速度等。

可北斗衛(wèi)星校時(shí)的高精度數(shù)字化航空時(shí)鐘包含高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻裝置和衛(wèi)星信號(hào)校時(shí)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻裝置具有智能學(xué)習(xí)算法，在馴服晶振過程中能夠不斷“學(xué)習(xí)”高穩(wěn)晶振的漂移等特性，并將這些參數(shù)存入板載存儲(chǔ)器中。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)異?；虿豢捎脮r(shí)，該裝置能夠利用高效的智能保持算法，繼續(xù)提供高可靠性的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)信息輸出，能保持長(zhǎng)時(shí)間的較高精度。衛(wèi)星信號(hào)校時(shí)系統(tǒng)除了原有的時(shí)鐘系統(tǒng)外，還具有可北斗衛(wèi)星校時(shí)的選件，通過接收與解調(diào)北斗衛(wèi)星信號(hào)，在必要時(shí)輸出受北斗授時(shí)信號(hào)控制的時(shí)間信號(hào)。滿足特殊用戶對(duì)精準(zhǔn)時(shí)間或同一時(shí)間的需求，如瞬態(tài)記錄系統(tǒng)，超視距攻擊系統(tǒng)等。顯示的時(shí)間由選件自動(dòng)校準(zhǔn)，無(wú)須人工校時(shí)。

研制可北斗衛(wèi)星校時(shí)的高精度航空時(shí)鐘，最核心的部分是將需要的功能用復(fù)雜的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中包括北斗衛(wèi)星定位及接口輸出算法、協(xié)議結(jié)算及時(shí)間提取同步算法、主從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸及通信算法、時(shí)間顯示與計(jì)時(shí)控制算法、高精度時(shí)間校準(zhǔn)算法等，同時(shí)為了更好的與硬件匹配，還需要完整的程序調(diào)試及算法優(yōu)化。