时间统一系统设备典型质量问题分析与研究

张小龙

摘要：该文针对XHTF330时统设备出厂调试过程中，出现的北斗授时异常与产生器超容差故障进行分析研究，针对两个典型故障从时间统一系统设备两个模块的系统组成及其工作原理入手，详细阐述了两个典型故障的定位过程，依据两个模块的结构组成及工作原理，通过建立典型案例故障树，对故障现象及原因进行深入剖析，通过进一步的故障机理分析得出科学有效的故障解决方案，为时间统一系统出所装船解决了质量问题，为后续执行任务提供了稳定保障，同时对其他模块相关故障处置也具有一定的借鉴参考意义。

关键词：时统设备;质量问题;GPS＼BD模块

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）26-0209-03

1 背景

XHTF330型时统设备是测量船使用的新一代小型化时统，能够为航天任务各测控设备提供标准的时间和频率信号。该设备在研制测试过程中，测试人员发现XHTF330时统设备告警单元出现多次告警显示，通过查看告警显示内容，发现北斗授时异常并伴随产生器超容差报警，为了探究故障发生原因，本文针对这两种典型故障进行了分析研究，并提出相应的故障解决措施。

2 XHTF330型时统简介

XHTF330型时统设备采用双冗余模块化设计，能同时接收GPS/北斗/外同步PPS+TOD定时信号，具有IRIG-B码、频率输出和网络授时功能，可为各测控设备提供标准B（DC）时码信号和10MHz频率信号，实现系统时间和频率的统一。该系统主要由定时接收模块，时码产生模块（含驯服晶振或驯服铷钟），两个电源模块，以及（10MHz、5MHz、1MHz）频标模块、控制模块、（B（AC）、B（DC））时码产生模块、NTP模块和监控模块等部分组成，其工作原理如图1所示。

GPS＼BD模块能够同时接收时间信息，送到其他模块用于同步，其战技指标如表1所示，产生器模块利用XHTF330型时统中的定时接收模块的参考秒驯服本模块内部的频率源，当GPS＼BD模块与产生器超容差出现故障，会导致该系统不能准确授时，影响其他系统的正常工作。

3 GPS＼BD模块长时间定位异常不能自恢复

3.1 模块组成及原理

GPS＼BD模块由GPS＼BD OEM板（ublox），微处理器（W77E58），CAN总线控制器（SJA1000），CAN总线收发器（SN65HVD230），电平转换电路以及电源等（如图2）功能部件组成。

3.2 问题定位

根据上述故障现象，分析如图3所示。

1）外界电磁干扰

通过查询相关技术资料，模块在设计时考虑了电磁兼容问题，且本身具备一定的抗干扰能力，另外我们对天线增加屏蔽罩，故障现象未曾消失，排除电磁干扰问题。

2）检查天馈系统

通过更换备品备件，发现天馈系统工作正常，因此排除天馈系统问题。

3）检查模块射频处理部分

运用模拟器发送单载波，使用频谱仪可以看出模块在射频、中频部分正常，排除模块射频、中频部分异常。

4）检查模块接口算法

通過分析模块异常时记录的数据，可以发现模块输出的数据不完全重复，时间信息仍在延续，排除模块接口算法问题。

3.3 机理分析

当GPS＼BD模块搜索到某个卫星信号之后，相应的接收通道就从捕获阶段进入跟踪阶段;当模块的锁定检测器判定总环路对信号失锁后，接收通道又需要从跟踪阶段返回捕获阶段。

3.4 解决措施

故障确定后，厂家对基带算法进行了调整，升级了软件版本，确保当模块长时间无法正常收星定位时，对模块通道进行释放，从而避免模块的卫星接收通道饱和，同时更换天线安装位置和更换更高性能天线来提高模块收星质量。在以上措施完成后，该模块定位收星正常，此时该故障得到解决。

4 产生器超容差故障

4.1 产生器组成及原理

时码产生器主要由驯服频标、时差测量、移相同步、时码产生、显示按键等部分组成（如图5），能够利用XHTF330系统中GPS模块、北斗模块或者外同步模块的参考秒驯服本模块内部频率源，同时获得当前时间信息。

在进行产生器时差测量时，产生器通过接收GPS、北斗、外同步秒，通过优先级选择其中1个作为参考秒，并将该参考秒与产生器秒进行时差测量，得到产生器时差以及外部输入信号的稳定性能（如图6）。

控制器以ARM9处理器为核心，结合超大规模集成电路FPGA以及嵌入式程序设计共同完成对XHTF330时统设备的参考源信号、两个时码产生模块的1pps、B（DC）码、10MHZ频率信号，两个时码产生模块1pps与参考源之间的时差、两个产生器的时间信息，以及其他模块的信息监控。在进行时差测量时，控制器接收GPS、北斗、外同步秒、产生器秒1、产生器秒2，通过优先级选择，在GPS、北斗、外同步秒中选择1个作为参考秒，并用该参考秒与产生器秒1和产生器秒2进行时差测量，得到控制器时差，从而判断产生器产生的秒信号是否正确（如图7）。

4.2 问题定位

XHTF330时统设备采用了冗余设计，该设备的产生器以及控制器上均设计了时差测量单元，在设备出现超容差故障告警时，观察其告警显示单元发现只有控制器出现告警，而产生器并未出现告警，利用示波器测量其产生器实际时差，时差并未发生突变，从而定位此次设备超容差告警故障单元为控制器时差测量单元。在确定故障单元的基础上，通过查阅各类技术手册，对故障进行了详细分析，利用示波器等仪器对输入控制器的GPS、北斗、外同步秒、产生器1秒、产生器2秒等信号进行波形测量，通过观察其波形图，不难发现，产生器1秒、产生器2秒波形上存在明显的毛刺信号，而GPS、北斗、外同步秒波形则不存在这种现象，由于在设计初期，未考虑控制器要对输入信号进行过滤，因此该毛刺信号在通过控制器时未过滤掉，在进行时差测量时，控制器将产生器秒信号和毛刺信号同时进行时差测量并进行显示，导致了控制器时差测量出现超容差现象。

4.3 机理分析

在FPGA的设计中，毛刺现象是影响数字系统设计有效性和可靠性的主要因素。这些毛刺会被“保留”传递下一级，从而影响设备功能正常运行。而此次超容差故障是由于XHTF330时统设备在接上扩展机箱后，由于信号传输路径增长以及阻抗不匹配等问题，导致信号在通过产生器时，产生器秒1、秒2信号上叠加了毛刺信号，进行时差测量時，控制器未过滤掉毛刺信号而直接进行时差测量，从而影响了测量结果准确性。

4.4 解决措施

通过故障分析与定位，可以确定造成此次超容差故障是由于毛刺现象产生导致控制器在进行时差测量时未过滤掉而导致的，在经过所有人员沟通交流后，一致决定修改控制器中的FPGA代码，使其在进行时差测量时首先对通过的信号进行滤波，过滤掉毛刺信号。在修改结束后，经过长时间试验，没有再出现超容差故障现象。

5 结束语

通过对GPS＼BD模块故障原因进行分析、定位，得出此类故障内在原因是该设备基带算法软件存在设计缺陷。针对此次问题，我们将模块接口软件及基带处理软件进行了全面梳理，对软件进行软件流程及BUG排查，未发现类似问题。针对产生器超容差故障，通过修改控制器FPGA代码有效解决了XHTF330时统设备故障，后期可通过举一反三进一步加深对FPGA代码的理解掌握，为类似故障打下坚实基础。本文通过对XHTF330时统设备研制测试中遇到的两类典型故障分析研究，提出了切实可行的故障解决方案，并在实际工程运用中得到有效验证，为设备出所装船消除了技术隐患，进一步提高了XHTF330时统设备安全稳定性，为后续测量船出海执行任务打下坚实基础。

参考文献：

[1] 张华昌. 专-200系统用户培训手册[Z].广州智讯通信系统有限公司，2011.

[2] 黄赛帅. 靶场时统设计[D]. 南京： 南京理工大学， 2009.

[3] 董天齐. 靶场时统信号数字信道传输误差分析与研究[D]. 长沙： 国防科学技术大学， 2004.

[4] 岳绪军. 应用于卫星测控的时统卡设计与研究[D]. 北京： 北方工业大学， 2012.

[5] 俞科云， 吕云飞. 潜艇时统应用与管理探析[J]. 舰船电子工程， 2010， 30（7）： 18-21.

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