張林華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

在信號(hào)測(cè)量時(shí)頻應(yīng)用系統(tǒng)中,如何建立各測(cè)量站間時(shí)頻信號(hào)的同步,提升信號(hào)同步精度和穩(wěn)定度,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須關(guān)注并解決的核心技術(shù)問題。時(shí)頻信號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)通常有主從同步和本地同步2種方式。主從同步工作方式受制于使用空域、站間信號(hào)傳輸設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)成本等因素的影響,限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,降低了站間時(shí)頻信號(hào)的同步精度。本地同步方式解決了主從同步的不利因素,系統(tǒng)同步精度主要受制于各測(cè)量站時(shí)頻設(shè)備產(chǎn)生的同步信號(hào)間的同步精度和設(shè)備成本。本文設(shè)計(jì)了一種高精度時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng),采用通用化、低成本、平臺(tái)化的硬件,融合軟時(shí)統(tǒng)技術(shù),以無通信共視技術(shù)和時(shí)頻生成技術(shù)為核心,集成高精度GNSS 接收機(jī),可接收BD(B1、B2、B3C)、GPS(L1、L2C)、GLONASS(L1、L2)等多頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào),實(shí)現(xiàn)多路高精度1 PPS、10 MHz標(biāo)頻信號(hào)、B(DC)碼等時(shí)頻信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)量站間信號(hào)測(cè)量的高精度同步和標(biāo)頻信號(hào)的穩(wěn)定。

1 高精度時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng)

本高精度時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng)在各信號(hào)測(cè)量站配置單一的時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備,各時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備接收BD/GPS/GLONASS衛(wèi)星信號(hào),以高精度時(shí)頻單元為基礎(chǔ),將自主創(chuàng)新的軟時(shí)統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)與衛(wèi)星同步技術(shù)、高穩(wěn)馴服技術(shù)、多參考無損切換技術(shù)、時(shí)頻綜合技術(shù)、高精度守時(shí)技術(shù)以及時(shí)頻生成技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,為各時(shí)頻信號(hào)測(cè)量站提供1 PPS同步脈沖、10 MHz標(biāo)頻信號(hào)、B(DC)碼、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)等系統(tǒng)應(yīng)用需求信號(hào)輸出。通過采用獨(dú)有的衛(wèi)星共視算法技術(shù),實(shí)現(xiàn)各時(shí)頻信號(hào)測(cè)量站間信號(hào)測(cè)量的高精度同步。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 高精度時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng)架構(gòu)框圖

系統(tǒng)按需求預(yù)置接收的衛(wèi)星信號(hào)(BD、GPS、GLONASS),接收導(dǎo)航授時(shí)信息,恢復(fù)時(shí)間消息(TOD)和參考1 PPS作為參考信號(hào),測(cè)量單元采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高精度的頻差和相差測(cè)量。通過運(yùn)算單元對(duì)晶振老化特性、溫度特性進(jìn)行分離補(bǔ)償,準(zhǔn)確地濾波及分析數(shù)據(jù)噪聲情況,選擇合適的環(huán)路帶寬,保證高精度時(shí)間同步和高穩(wěn)低噪頻率同步,實(shí)現(xiàn)智能馴服恒溫晶振。系統(tǒng)內(nèi)置恒溫晶體振蕩器(OCXO),當(dāng)外參考有效時(shí),根據(jù)馴服期間的溫度和壓控?cái)?shù)據(jù),可智能分離晶振溫度和老化特性;若外參考無效,則對(duì)OCXO 進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償,進(jìn)而達(dá)到高精度守時(shí)。同時(shí)將馴服產(chǎn)生的高穩(wěn)的OCXO 100 MHz頻率和1 pps作為基準(zhǔn),通過時(shí)碼生成單元產(chǎn)生B碼和其它串行時(shí)間碼,結(jié)合時(shí)頻綜合技術(shù)生成高精度的10 MHz 標(biāo)頻信號(hào)和1 PPS 同步脈沖信號(hào)。

1.1 時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備由GNSS測(cè)向接收機(jī)、高精度時(shí)頻測(cè)量單元、接口擴(kuò)展單元、高穩(wěn)定銣鐘等功能模塊組成。硬件架構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備硬件架構(gòu)組成框圖

GNSS測(cè)向接收機(jī)和高精度時(shí)頻測(cè)量單元是時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備的架構(gòu)核心,當(dāng)GNSS測(cè)向接收機(jī)接收BD、GPS、GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)信息時(shí),系統(tǒng)可憑借載波相位觀測(cè)及導(dǎo)航定位算法,產(chǎn)生1 PPS、海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)(RTCM)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議差分串行數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)。高精度時(shí)頻測(cè)量單元同時(shí)兼具接收衛(wèi)星信號(hào)和外參考GNSS源功能,通過測(cè)量GNSS測(cè)向接收機(jī)恢復(fù)的參考1 PPS與銣鐘Ru_10 M 之間的相差,馴服控制銣鐘,將銣鐘的Ru_10 M 與高精度時(shí)頻測(cè)量單元上的10 MHz OXCO 進(jìn)行馴服,實(shí)現(xiàn)馴服鎖相回復(fù)輸出產(chǎn)生本地高精度的1 PPS、高穩(wěn)低噪的10 MHz標(biāo)頻信號(hào)、B(DC)碼和NTP等時(shí)碼及頻率信號(hào)。各模塊與高精度時(shí)頻測(cè)量單元通過內(nèi)部CAN 總線進(jìn)行有效鏈接,單元模塊之間獨(dú)立性強(qiáng)、耦合度低,可根據(jù)系統(tǒng)的不同應(yīng)用需求配置不同的接口擴(kuò)展輸出模塊,具備輸出可擴(kuò)展性;同時(shí)高精度時(shí)頻測(cè)量單元通過內(nèi)部的CAN 總線對(duì)各功能擴(kuò)展模塊進(jìn)行訪問監(jiān)測(cè),具有極高的通用性,增加了系統(tǒng)的適用性。

1.2 時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng)軟體設(shè)計(jì)

時(shí)頻信號(hào)同步系統(tǒng)以軟時(shí)統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ),采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括信號(hào)處理、馴服和守時(shí)、時(shí)碼輸出、設(shè)備管控等功能軟件模塊。

信號(hào)處理功能軟件模塊主要包含時(shí)源的有效性判斷,時(shí)間跳變偵測(cè)、時(shí)源信息更新和時(shí)源狀態(tài)上報(bào)。

系統(tǒng)采用“動(dòng)態(tài)環(huán)路帶寬技術(shù)”,使其具備高精度的頻率源(銣鐘、晶振)馴服功能,同時(shí)融合“增量式比例積分微分(PID)自動(dòng)控制”算法,完成對(duì)頻率源高精度馴服。針對(duì)GNSS 衛(wèi)星信號(hào)外部時(shí)源參考源和溫度對(duì)銣鐘的短穩(wěn)、長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)生影響這一問題,可在系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)建立對(duì)應(yīng)的PID 參數(shù)列表,預(yù)設(shè)相應(yīng)的環(huán)路帶寬控制參數(shù)。根據(jù)馴服過程壓控?cái)?shù)據(jù)變化情況、跟蹤鎖定相位情況及時(shí)間參量,可智能判定環(huán)路帶寬適宜性,從而自動(dòng)增減環(huán)路帶寬。同時(shí)系統(tǒng)利用增量式PID 控制算法完成高精度馴服,有效降低馴服對(duì)本振穩(wěn)定度的影響,成功實(shí)現(xiàn)時(shí)源跟蹤馴服。

增量式PID 算法的基本原理如圖3所示。

圖3 增量式PID 算法原理圖

增量式PID 算法公式如下:

式中:e表示本次相差;e表示上一次相差;K、K、K分別表示比例、積分、微分控制系數(shù);Δ表示本次壓控調(diào)節(jié)增量。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試驗(yàn)證

2.1 10 MHz信號(hào)輸出驗(yàn)證

10 MHz標(biāo)頻信號(hào)輸出相噪指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證見圖4,短穩(wěn)指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證見圖5,10 MHz標(biāo)頻信號(hào)輸出相噪和穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果見表1。

圖4 10 MHz相噪指標(biāo)測(cè)試

圖5 10 MHz短穩(wěn)指標(biāo)測(cè)試

表1 10 MHz相噪和穩(wěn)定度輸出測(cè)試表

2.2 同步精度測(cè)試

在4個(gè)測(cè)量站組成的時(shí)頻測(cè)量系統(tǒng)中,對(duì)4套設(shè)備進(jìn)行同步精度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表2,測(cè)試驗(yàn)證見圖6。

圖6 同步精度測(cè)試驗(yàn)證

表2 同步精度測(cè)試表

3 結(jié)束語

本高精度時(shí)頻同步系統(tǒng)經(jīng)過多項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,10 MHz 標(biāo)頻信號(hào)的穩(wěn)定度從10提高到10,站間的時(shí)間同步精度從50 ns提升到6 ns,遠(yuǎn)優(yōu)于同類時(shí)頻信號(hào)同步設(shè)備。該設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用前景和相當(dāng)高的應(yīng)用性價(jià)比。