高穩(wěn)定度守時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉朕 智世鵬 丁曉陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050000）

精準(zhǔn)的時(shí)間是同步的基礎(chǔ)，同步是數(shù)字通信的基礎(chǔ)[1]。隨著數(shù)字化處理技術(shù)的發(fā)展，在無(wú)線通信、數(shù)字采集以及控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中，對(duì)時(shí)間的同步精度要求越來(lái)越高[1-3]。由于北斗衛(wèi)星中所搭載的原子鐘可提供高精度的時(shí)間，因此，北斗授時(shí)已逐漸成為低成本高精度授時(shí)的首選方案。

但北斗高精度授時(shí)需要時(shí)刻接收衛(wèi)星信號(hào)，給使用場(chǎng)景帶來(lái)了較大的限制，本文利用北斗授時(shí)結(jié)合高精度守時(shí)算法，設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定守時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在北斗無(wú)信號(hào)情況下的低成本高精度授時(shí)。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

高穩(wěn)定守時(shí)系統(tǒng)分為整體上分為三部分：北斗接收機(jī)部分、守時(shí)模塊部分和電源部分。其中，北斗接收機(jī)完成北斗信號(hào)解析，獲取精準(zhǔn)的北斗時(shí)間，用于給守時(shí)模塊進(jìn)行授時(shí)和馴服。守時(shí)模塊部分用于北斗信號(hào)無(wú)效時(shí)的守時(shí)和對(duì)外授時(shí)。電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供各種需要的工作電源。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

北斗接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，獲得電文中的精確時(shí)間信息，生成高精度1PPS脈沖信號(hào)和TOD時(shí)間信息，并輸送給守時(shí)模塊。

圖1：高穩(wěn)定守時(shí)系統(tǒng)框圖

圖2：北斗接收機(jī)模塊實(shí)物及尺寸圖

圖3：北斗接收機(jī)典型電路

圖4：守時(shí)模塊電路原理圖

圖5：電源變換電路圖

守時(shí)模塊中的晶振控制單元測(cè)量北斗1PPS和晶振1PPS之間的誤差，建立晶振的漂移模型，并計(jì)算頻率修正值，通過(guò)調(diào)整電壓控制晶振的輸出頻率，完成對(duì)晶振的馴服。內(nèi)部RTC用于粗略時(shí)間的保持，結(jié)合晶振的誤差模型及對(duì)晶振的頻率補(bǔ)償，獲得精確的1PPS秒信號(hào)，完成對(duì)高精度守時(shí)功能。

電源模塊中DC/DC電源對(duì)輸入電源進(jìn)行電壓變換，電源控制模塊形成各模塊工作需要的電壓，并給電池組充電。電池組在外部電源斷開(kāi)時(shí)，為整系統(tǒng)提供電源。實(shí)現(xiàn)證系統(tǒng)的斷電守時(shí)功能。電池組溫度管理模塊監(jiān)控電池組溫度，在電池組溫度過(guò)低時(shí)啟動(dòng)加熱，溫度過(guò)高時(shí)斷開(kāi)充電電源或輸出電源，保證電池組的工作穩(wěn)定性和安全性。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)分為三部分：即北斗授時(shí)部分、守時(shí)模塊部分和電源部分。北斗授時(shí)部分以北斗接收機(jī)為主，使用北斗接收機(jī)獲得高精度1PPS秒脈沖信號(hào)和串口授時(shí)信號(hào)TOD，為守時(shí)部分提供時(shí)間基準(zhǔn)。高穩(wěn)守時(shí)部分以恒溫晶振和控制單元為主，控制單元通過(guò)晶振的壓控腳可調(diào)整晶振的輸出頻率，使晶振時(shí)刻輸出高精度的1PPS和10MHz的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間的保持。電源部分對(duì)輸入電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源，保證整系統(tǒng)的電源特性。

圖6：5只典型OCXO的7天老化曲線（橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位：hour，縱坐標(biāo)為頻率變化量，單位：E-10）

圖7：OCXO精度曲線圖

2.1 北斗接收機(jī)設(shè)計(jì)

北斗授時(shí)部分采用ATGM332D 高靈敏度北斗/GPS 雙模接收機(jī)模塊，包含 32 個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收所有的 GPS 和北斗可見(jiàn)衛(wèi)星。具有體積小，功耗低，成本低和靈敏度高的特點(diǎn)。北斗模塊的實(shí)物及尺寸如圖2所示。

北斗接收機(jī)模塊主要性能參數(shù)如下：

接收靈敏度：-160dBm。

授時(shí)精度：50ns。

平均功耗：700mW。

北斗接收機(jī)典型電路如圖3所示。

2.2 守時(shí)模塊設(shè)計(jì)

守時(shí)模塊是高穩(wěn)守時(shí)系統(tǒng)的核心部分，在功能上分為恒溫晶振單元和晶振控制單元兩部分。

其中，恒溫晶振單元使用恒溫晶振OX36B-H-BR-V-10M作為核心，晶振控制單元輸出控制電壓VC施加到恒溫晶振的壓控管腳上，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶振輸出頻率的調(diào)整。恒溫晶振單元中的PLL電路將晶振輸出的10MHz轉(zhuǎn)換成1Hz的1PPS秒脈沖信號(hào)，用于對(duì)外授時(shí)。

晶振控制單元解析北斗接收機(jī)輸入的TOD串口信號(hào)，得到年月日時(shí)分秒的信息，和北斗接收機(jī)的定位狀態(tài)，用于選擇是否繼續(xù)使用北斗1PPS馴服晶振。

晶振控制單元采集晶振輸出的1PPS和北斗1PPS之間的差值，對(duì)差值進(jìn)行模型分析，建立晶振精度漂移的誤差模型，計(jì)算晶振頻率補(bǔ)償量，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VC，輸出到晶振的壓控管腳，調(diào)節(jié)晶振輸出頻率，完成對(duì)晶振的馴服過(guò)程。

守時(shí)模塊電路圖如圖4所示。

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)部分中DC/DC電源模塊使用市場(chǎng)上成熟的升降壓電源，電池組采用3節(jié)18650電池串聯(lián)，電源控制模塊將12V變換成各模塊需要的工作電壓。

電源部分電路原理圖如圖5所示。

2.4 晶振補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為24小時(shí)守時(shí)精度30us，由守時(shí)精度與頻率準(zhǔn)確度的關(guān)系如下式所示。

其中，ΔP：守時(shí)精度（ns），ΔF：頻率準(zhǔn)確度（ppb），T：時(shí)間（s）。

可知，ΔF≤ΔP≤ /T=0.347（ppb）。即補(bǔ)償算法的頻率準(zhǔn)確度閾值設(shè)置為0.3ppb。

晶體的頻率穩(wěn)定性關(guān)于時(shí)間的數(shù)學(xué)模型可用下式表示：

其中，t為時(shí)間，T為溫度，A,B為常數(shù)，f0為晶體額定頻率。

由式（2）可知，OCXO的頻率特性主要體現(xiàn)為老化特性（時(shí)間特性）和溫度特性。一般情況下OCXO溫度特性曲線不具備單調(diào)性且每一只OCXO的溫度特性曲線都不一樣，因此器件選型時(shí)選用了恒溫晶振作為時(shí)鐘源，晶體工作中的溫度保持不變（在90℃左右），即可忽略溫度對(duì)OCXO的頻率影響，因此只需利用最小二乘法擬合老化特性中的常數(shù)A,B即可。晶體的老化特性曲線如圖6所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

選擇兩套設(shè)備設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)，其中第一套設(shè)備自由運(yùn)行，驗(yàn)證晶體的老化特性，即頻率漂移與時(shí)間的關(guān)系如圖7（左）所示，以及經(jīng)北斗馴服2小時(shí)后，守時(shí)24小時(shí)期間精度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖7（右）所示。

由圖可知，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償算法處理后，晶體的24小時(shí)守時(shí)精度可達(dá)到3us，而自由運(yùn)行狀態(tài)下，24小時(shí)的精度只有600us。補(bǔ)償算法對(duì)精度的改進(jìn)效果明顯。

對(duì)于大多數(shù)通信系統(tǒng)，1us的精度已能滿足時(shí)間同步需求，因此，該系統(tǒng)允許長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的斷電情況存在。這也為該系統(tǒng)對(duì)便攜式應(yīng)用提供守時(shí)成為可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信、導(dǎo)航、控制、航空等越來(lái)越多的領(lǐng)域需要精確的時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步，授時(shí)和守時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[4]。尤其在高精度守時(shí)方面，由于原子鐘高昂的成本，難以在低成本領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模使用，而成本相對(duì)較低的恒溫晶振應(yīng)運(yùn)而生[5]。因此，對(duì)恒溫晶振的特性研究和算法補(bǔ)償也越來(lái)越受到人們關(guān)注，具有非常重要的意義[6,7]。

高精度守時(shí)系統(tǒng)選用了恒溫晶振作為守時(shí)核心，恒溫晶振由于工作的溫度相對(duì)恒定，可盡量避免溫度對(duì)晶振頻率特性的影響，不僅保證了守時(shí)精度，而且簡(jiǎn)化了晶振的數(shù)學(xué)模型，降低了補(bǔ)償算法的難度，通過(guò)2小時(shí)的北斗1PPS馴服，可達(dá)到24小時(shí)3us的守時(shí)精度，且具備斷電守時(shí)的能力，具有廣泛的應(yīng)用前景。