IRIG-B码终端中闰秒时间的处理

2013-10-17杨志刚郑丽丽

电子科技 2013年6期

杨志刚，郑丽丽

(中国电子科技集团公司第27研究所通信技术室，河南郑州 450047)

由于地球自转速度减慢，UTC同TAI时间误差在2012年上半年就已＞0.9 s，北京时间2012年7月1日07时59分59秒(世界时6月30日23时59分59秒)全球同时进行闰秒，北京时间将出现07时59'60″的罕见景象。

国内在6月至7月间进行了神州八号飞船与天宫一号的自动及手动交会对接试验任务。而闰秒的出现打破了每分钟60 s的时间运行规律，作为航天测控和弹道测控设备时频分系统中的IRIG-B码终端是否能适应闰秒对时间的调整，能否保证整个测控系统在闰秒时刻与UTC时间一致，并满足所有测控系统时间的统一，使测控系统圆满完成此次任务。鉴于这种情况，由航天测控总体单位牵头，从4月开始对国内正在使用和进行研测控设备进行了调研，调研结果显示GJB 2991—1997《B时间码接口终端》规范中并未出现对闰秒的要求，几乎所有测控设备中的时频分系统均无闰秒的调整功能。为确保此次任务，应完成对之前研制的测控设备中时频分系统的改造，保障交会对接测控设备的时间统一。

应用于航天测控中的IRIG-B码终端，其可靠性要求较高，通常采用冗余设计［1］，利用GPS系统、北斗系统和外部IRIG-B码多种时间系统作为终端的外部时间基准。根据对在用测控设备时频分系统改造实践，结合现阶段时频分系统中IRIG-B码终端要求，提出了在IRIG-B码终端中闰秒的处理方法与流程。以下分别介绍了闰秒的出现对航天测控的影响、外部时间基准、IRIG-B码终端设计和终端中时间信息及闰秒的处理。

1 闰秒对航天测控的影响

国际原子时(TAI)是基于国际单位系统中的SI秒。TAI利用全球分布的同步原子钟系统得到，计算时对单台原子钟的时间加权平均，并对已知影响因素修正。平时所用的世界协调时(UTC)是一种折衷的世界尺度，利用原子时的速率，而在时刻上逼近世界时。UTC同TAI相差0.9 s，便对UTC作一整数秒的调整，也就是通常所说的“闰秒”。由于地球活动的不可预知性，也导致闰秒的不可预知［1］。正常情况下，UTC在6月30日或12月31日的最后一秒进行，国内采用同UTC同时调整的方法进行闰秒，所以对于北京时间，就相应在7月1日或1月1日7时的最后一秒。在闰秒时，由国家授时中心提前8周发布闰秒信息。

时间频率分系统作为测控系统的重要组成部分之一，担负着为系统提供准确而稳定的时间频率基准的任务。时频分系统须适应闰秒对时间的调整。否则，将造成分布在不同地区的测控系统与国家测控中心时间的不统一，从而引发测控站间的通信不畅，无法共享数据，导致测控数据计算分析错误甚至将造成测控任务的失败。

2 外部时间基准

2.1 IRIG-B码

IRIG-B码是美国靶场测量组织制定的标准时间码格式，其在国际上已得到了广泛的应用，且已成为国际通用标准。结合国内航天测控和时频技术的发展，新制定的 GJB 2991A—2008《B时间码接口终端》规范［2］，作为IRIG-B码终端的设计标准。标准中规定IRIG-B码分为直流码和交流码两种码型，其中交流码是以1 kHz正弦波载频对直流码幅度调制后形成的，码元帧格式如图1所示。同GJB 2991—1997《B时间码接口终端》规范相比，新标准在码元定义中，增加了闰秒修正标志和年编码，时间码编码位置如表1所示。

图1 IRIG-B码元的帧格式

其中年的个位和10位交替出现于45～48位，年的个位与偶数秒出现在同一帧中，年的10位标志为“1”时，表明45～48位表示的是年的10位，反之，则是年的个位，在闰秒时，年的10位无法与奇数秒相对应时，舍弃年的10位。

闰秒标志用于控制B码接口终端进行闰秒调整，闰秒标志码元为索引计数27、28所对应的两个码元。当B码传输的UTC时间需向后闰秒调整时，闰秒标志编码为01;当需向前闰秒调整时，闰秒标志编码为10。

表1 时间编码位置

2.2 GPS时间和北斗时间

GPS时间是一个与UTC相似但却完全不同的原子时系统［3］。GPS时间与UTC时间的区别在于GPS无闰秒，而UTC闰秒的引入使得GPS时间与协调时UTC之差为已知累计闰秒的整数［3］。GPS广播电文并不直接提供标准时间信息，其标准时间信息通过GPS时间历元零点、星期计数器和星期中的时间计算获得。在广播电文中，提供与UTC时间累计闰秒的整数及提前8周预报闰秒信息。

北斗系统与GPS相同，其时间系统无跳(闰)秒，系统时间与中国科学院授时中心的UTC(NTSC)保持一致，相差＜1 μs。所传输的每个超帧电文信息中，包含如下基本信息［3］:

时刻:表示本超帧第一帧对应的时刻，分化值为1 min。

闰秒:表示 UTC的闰秒，表示北斗系统时间和UTC整秒差值，分化值为1 s。电文信息中实时告知当前北斗时间和UTC的闰秒信息，同时在发生闰秒调整时会提前1 min预告相关信息。

时差:表示北斗系统时间和中国国家授时中心发布的UTC时差值＜1 s的部分，分化值为10 ns。

3 IRIG-B码终端设计

3.1 工作原理

IRIG-B码终端主要有基准接收选择和时间信息处理及生成B码组成［4］，如图2所示。工作原理为接收GPS接收机、北斗接收机和外时统B码解调时间基准与信息，根据基准状态和监控命令选择其中一种时间基准及信息作为IRIG-B码终端生成IRIG-B码的时间参考源。对时间参考源中时间信息处理后，利用时频分系统中的时钟信号进行同步分频，产生2 ms、5 ms、8 ms同步信号，分频后进行同步编码生成IRIGB码［5］。IRIG-B码终端作为航天测控设备时频分系统的一部分，其监控采用分控和远控两种模式;分控是利用IRIG-B码终端前面板进行功能设置和状态查询，远控则是利用远控计算机对其终端前面板进行相关设置及查询。

图2 IRIG-B码终端原理框图

3.2 IRIG-B码终端硬件设计

硬件电路主要包括:接收机电路、基准接收选择电路、时间信息处理及编码电路和监控电路4部分组成［6］。其中接收机电路根据对时间同步精度的需求分析，选择相应的接收机和对应的接口芯片，进行接收机的时间基准和信息的提取;另外3部分电路采用Alter公司的 EP1C12Q240I7和 EPCS4芯片组成，利用EP1C12Q240I7内部PLL数字锁相环电路，将时钟频率倍频到200 MHz，以此IRIG-B码编码时同步分频的同步信号的同步精度。监控电路中远控模式根据测控系统的要求，采用RS422A差分信号与监控分系统计算机通信，完成远控命令的接收和状态的上报;分控模式的操作面板处于前面板，由键盘和显示屏组成，利用前面板的操作可完成功能设置和状态查询，进行单机的功能测试。硬件电路组成如图3所示。

图3 RIG-B码终端硬件组成图

利用FPGA构建的硬件电路具有集成化程度高、程序采取并行方式运行和处理速度快的特点。其功能的实现主要通过FPGA编程，对于设备功能的增加仅需升级软件便可完成，无需修改硬件电路，此次终端增加适应闰秒功能的改造，仅是通过升级FPGA程序而完成的。

4 时间信息及闰秒的处理

4.1 时间信息处理

由《B时间码接口终端》规范可知，在参考秒基准上升沿后10 ms时必须取得当前秒的时间信息，否则无法进行正常编码。而对于GPS、北斗和外部IRIG-B码在基准沿后10 ms时均可无法解调出当前秒的时间信息，由图1可知，在IRIG-B码信号参考秒基准沿480 ms后才可完全解调出当前秒的时间信息，而对于GPS和北斗系统，不同卫星接收机提供的当前秒时间信息需要在秒基准沿后时间有所不同，通常需要100～200 ms，如图4所示。

图4 GPS北斗秒基准同串口信息的时序图

通过解调外部基准的当前秒时间信息，不可直接用作生成B码编码的时间信息。否则，编码时间信息与实际时间将慢1 s，需对解调出的时间信息根据时间的运行规律，采用在当前秒基准沿后将上一秒解调出的时间信息加1 s的方法对该信息进行处理，以此作为IRIG-B码编码的时间信息。而闰年的处理可通过判别，由软件自动完成，但闰秒由于不可预知，因此需在闰秒时提前发布公告，根据不同外部参考基准和测控站的需求，采取不同方式进行相应的处理。时间处理程序流程如图5所示，程序在秒基准信号上升沿后执行。

图5 时间信息处理流程

在整个时间信息处理流程中，并未详细介绍闰秒修正的过程，以下针对不同情况，介绍闰秒的处理过程。

4.2 闰秒处理

IRIG-B码终端的研制过程，对闰秒处理的前提是需了解闰秒的发生时刻和类型，判断闰秒类型是正闰秒或负闰秒［7］。预告信息可通过GPS和北斗接收机接收的导航电文、IRIG-B码外部基准信息以及国家授时中心提前8周发布的闰秒信息中获得。尽管GPS和北斗导航系统提供的电文中包括了闰秒的预报信息，但这2种模块可提供闰秒预报信息量较少，只能提供正确的UTC时间;除此之外，某些测控站提供的IRIG-B码基准是按照GJB2991A—1997《B时间码接口终端》规范研制的，其闰秒时编码中提供的时间信息与UTC时间相比存在了2 s的误差。

闰秒预告信息的获得采用从外部参考基准解调信息中提取和国家授时中心发布的预告信息两种方式相结合。IRIG-B码终端监控模块通过接收本机前面板设置的闰秒命令或测控站远控下发的闰秒命令以及基准接收解调上报各基准闰秒预报信息，将二者逻辑组合后，下发到时间信息处理和生成B码模块。对于闰秒处理要求在秒中断后，接收基准解调出的前一秒时间信息，判断指令是否具有闰秒要求，若无要求，直接进行秒加1处理程序。否则，对闰秒类型进行判断。下面针对不同闰秒类型的处理分别做出了介绍。

(1)闰秒类型为正闰秒时:判断接收的前一秒的时间信息是否为7月1日7时59'59″或1月1日7时59'59″(北京UTC时间闰秒时刻)，若是，当前秒直接设定为7月1日7时59'60″或1月1日7时59'60″，完成当前秒的时间信息处理;若不是，则判断前一秒的时间信息是否为7月1日7时59'60″或1月1日7时59'60″，若是，将当前秒直接设定为7月1日8时00'00″或1月1日8时00'00″，完成当前秒的时间信息处理及闰秒处理，取消闰秒命令。反之，进入秒加1程序，下一秒继续采用前述的方式进行闰秒处理，直至完成闰秒。

(2)闰秒类型为负闰秒时:判断接收的前一秒的时间信息是否为7月1日7时59'58″或1月1日7时59'58″(北京UTC时间闰秒时刻)，若是，当前秒直接设定为7月1日8时00'00″或1月1日8时00'00″，完成当前秒时间信息处理及闰秒处理，并取消闰秒命令。若不是，则进入秒加1程序，下一秒继续采用前述的方式进行闰秒处理，直至完成闰秒。

对于采用以 GJB2991A—1997《B时间码接口终端》规范的IRIG-B码作为外部基准时，可将研制终端设定在守时情形下进行闰秒，完成闰秒后再将IRIG-B码设置为外部基准，以规避原规范导致的错误。