短波授时在高精度授时领域的应用

左兆辉 淮鸽 戴群雄

摘要：基于我国短波授时系统，对短波授时高精度应用的意义进行了分析。利用BD/GPS授时的高精度特性以及短波授时的高可靠性，通过BPM有效性筛选、精密时差测量和低功耗设计3个关键技术，设计了一种可靠的高精度授时系统。试验表明，上电驯服30 min，系统的定时精度达到±1E-10，满足高精度授时领域的应用需求。

关键词：短波授时；有效性筛选；精密时差测量；低功耗；高可靠；高精度

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）24-55-4

0引言

随着卫星导航技术的快速发展，高精度授时一般以北斗、GPS等卫星导航授时为主，而短波授时由于其稳定性和准确度相对较差，通常作为辅助授时手段使用。然而，短波授时以其覆盖范围大、接收设备实现简单、成本低及抗摧毁性强[1]等特点，在授时领域仍然具有广阔的应用前景。同时短波授时的这些特点在非常时期会显得尤为重要，当卫星授时受到干扰时，短波授时将会变成一种最为可靠的授时手段[2-3]，因此对其在高精度授时领域开展应用的研究具有重要意义。

1短波授时信号

我国的BPM短波授时系统于1970年建成，目前采用4种发播频率（2.5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz），BPM短波授时台发播程序如表1所示，周期为30 min；4个频率的发播时间如表2所示，其中5 MHz和10 MHz是全天连续发播[4]。

BPM短波授时台通过电台向外发播BPMc时号。BPM的UTC时号固定超前UTC（NTSC）20 ms。UTC信号采用正弦波形，即时刻起点为零相位。UTC秒信号是用1kHz的标准音频信号中的10个周波去调制其发射载频以产生长度为10个周波的音频信号，其时长为10 ms，起点（零相位）为协调时的秒起点。每秒产生一个这样的时号，2个时号起始之间的间隔为协调时的1 s。UTC整分信号是用1kHz的标准音频信号中的300个周波调制其发射载频以产生长度为300个周波的音频信号，其时长为300 ms，起点（零相位）为协调时的整分起点。类似地，UT1分信号和秒信号时长分别为300 ms，100 ms。1 min呼号前40 s为莫尔斯电码，后20 s为女声普通话语音广播[5]。无载波调制是不加音频调制的载频信号。

2系统架构及工作原理

為了获得一个短期及长期稳定度都比较优良的时频信号，本文提出了利用BD/GPS双模授时模块产生一个稳定的秒脉冲信号，利用其对恒温晶振进行驯服，从而获得较高的频率准确度。在BD/GPS卫星导航信号丢失时，采用短波授时定时校准恒温晶振，消除恒温晶振的长期累计误差。同时，通过短波授时信号有效性筛选策略，有效克服短波授时信号不稳定导致的短波授时精度低的缺点，为短波授时高精度应用奠定基础。高精度短波授时系统架构如图1所示。

其中，短波授时模块可接收10 MHz，15 MHz短波授时信号，输出1PPS，1PPM授时信号，定时精度≤1.5 ms，为高精度短波授时系统提供毫秒量级时源参考。BD/GPS双模接收模块完成BD/GPS导航信号的接收，输出1PPS+TOD授时信号，为高精度短波授时系统提供精密时源参考及位置信息。在BD/GPS授时有效时，时频控制模块解析BD/GPS双模接收模块获取的时间及位置信息，并将时间及位置信息转发给短波授时模块用于传播时延修正及时间保持；在BD/GPS授时无效时，短波授时模块维持之前的时间及位置信息，也可通过通信接口单元手动为短波授时模块设置时间及位置信息。

短波授时信号和BD/GPS授时信号首先通过时源优选单元进行时源选择，时源优先级BD/GPS授时>短波授时，即在BD/GPS授时有效时，优先使用BD/GPS双模接收模块输出的时间信息作为系统的参考时源。在BD/GPS授时无效、短波授时有效时，经过时源优选后的1PPS和1PPM信号经BPM有效性筛选后为系统提供有效的时源参考。同时，为有效减小BD/GPS双模接收模块、短波授时模块输出秒的抖动带来的随机误差，设计了脉冲信号卡尔曼滤波[6]模块，对1PPS时源参考信号进行滤波处理，大大提高时源参考的可靠性。

在外时源参考有效时，时码产生单元以恒温晶振输出的10 MHz频率信号为参考，产生1PPS，10 MHz，IRIG-B（DC）码等各种授时信号，时差测量单元完成外部时源参考1PPS与晶振输出的1PPS之间时间延迟测量，依据测量结果及系统装订的时延零值对系统输出的授时信号的相位进行调整[7]，实现输出授时信号的同步处理，同步后的授时信号经过隔离放大后输出。

在外时源参考有效时，频标驯服单元对恒温晶振进行驯服。为避免恒温晶振往复振荡，在BD/GPS授时有效时，间隔5 min校准一次恒温晶振；在BD/GPS授时无效、短波授时有效时，考虑短波授时UTC时号的发播时刻，间隔30 min校准一次恒温晶振。经过驯服的恒温晶振可以有效提高其输出10 MHz的频率准确度和稳定度，为系统的高精度授时输出奠定基础。

实时时钟（RTC）用于本地时间的维持，在外参考时源有效时，对RTC的初始时间进行设置，在系统断电后，使用电池供电，维持本地时间，以保证系统重新加电后能够尽快获取有效的时间信息。

时延零值通过高速示波器测量系统输出的1PPS与授时线缆末端的1PPS之间的时差得到[8]，通过时频控制模块的通信接口下发并固化存储。

试验结果统计表明，在0.5 h内，利用BD/GPS卫星信号校准恒温晶振，被校晶振的频率准确度可达±1E-10，即系统的定时精度可达到±1E-10。

3关键技术

3.1 BPM有效性筛选

由于短波授时信号自身的不稳定性，可能导致短波授时模块不能连续输出有效授时信号，为了有效解决该问题，提高系统授时的稳定性及可靠性，设计了针对短波授时1PPS，1PPM的有效性筛选策略。

短波授时1PPS有效性筛选策略：在短波授时有效后，通过时差测量单元得到短波授时1PPS与系统1PPS时差，当授时有效标志连续超过50 s有效时，对时差值做平均，依据时差均值对本地1PPS调一次初相，完成与短波授时1PPS的同步；如果计时过程中出现短波授时无效，则清零计时，待短波授时有效后重新开始计时，1PPS有效性筛选流程如图2（a）所示。

短波授时1PPM有效性筛选策略：当短波授时有效后，在连续4 min内，统计当1PPM信号到来时1PPM出现时刻与本地维持的整分时刻的时差，如果连续4 min时差一致，则认为1PPM授时信号有效，主动跟踪短波1PPM来修正本地时间的整分时刻。否则，继续使用本地维持的时间，1PPM有效性筛选流程如图2（b）所示。

3.2基于时钟内插与TDC结合的精密时差测量

晶振输出的1PPS与参考时源的1PPS之间的时差通过精密时差测量单元实现。精密时差测量单元采用时钟内插[9]与时间数字转换（TDC）技术结合的方式完成高精度时差测量。时钟内插完成初步测量，采用恒温晶振输出的10 MHz钟采样，测量分辨率为10 ns，测量范围宽，可达±1 s；TDC完成精测，采用德国ACAM公司的TDC-GPX时间测量芯片，测量精度可达到27 ps[10]。采用2种方式结合，实现高分辨率、全范围的测量，为铷钟驯服及输出授时信号相位调整提供依据。精密时差测量原理如图3所示。

時钟内插完成时差信息的初步测量，以参考时源输出的1PPS作为START信号，以系统输出的1PPS作为STOP信号，统计START信号与STOP信号之间的时钟周期数，获取初始钟差信息3=（×1/107） s；使用TDC-GPX时间测量芯片测量START与10 MHz信号上升沿之间的时差1以及STOP信号与10 MHz上升沿之间的时差2，最终获取时差结果=1+3-2。

时钟内插测量精度主要由内插的频率信号准确度决定，本文中使用的频率参考来源于恒温晶振，在1 h内，恒温晶振经过精密驯服之后，其频率准确度可达≤1E-12[11]，即1 s之内给测量带来的误差不会超过1 ps。精测的精度由TDC-GPX的测量分辨率决定，其测量分辨率可达到27 ps，故通过精密钟差测量，理论上测量精度优于28 ps。考虑到机箱及板卡噪声会引起信号抖动，结合以往工程经验，时差测量精度接近±50 ps。

3.3低功耗设计

为了简化系统硬件组成，节约成本，降低功耗，设计中采用了低功耗晶振源技术、低功耗算法技术。

（1）低功耗晶振源技术

采用低功耗恒温晶振源，同时在硬件设计上采取了以下措施：

①尽量减小加热部分体积，加热部分体积小于5 mm3；

②保证加热器同芯片接触良好，保证被加热部分热传导更充分；

③避免加热器同周围其他物体接触，避免热传导散热；

④加热器表面采取抛光处理，减少对外辐射；

⑤采用金属盒将整个加热系统封闭起来，减少对外对流传导；

⑥尽量减少金属盒体积，提高内部热密度；

⑦金属盒内贴ABS塑胶隔热，塑胶表面电镀铝膜，增强热反射率。

通过实测，普通方式加热功率约为1.2 W，采取低功耗晶振源技术以后可以降低到0.25 W，大大降低了系统功耗。

（2）低功耗算法技术

为了使硬件更简单，采用无压控技术，实现原理如图4所示。

正常跟踪参考期间，低功耗晶振和外参考1PPS进行比相，测量出低功耗晶振的频差和相差，根据频差和相差对输出分频定时器进行调整，输出高精度的1PPS。同时采集环境温度，根据测量的频率，结合时间因数和环境温度因数，分别计算出晶振的老化和温度特性。进入守时期间，根据学习的温度特性、老化特性，推测晶振频率，动态调整分频和相位调整参数，实现高精度守时。

以上设计充分利用软件算法技术，简化了硬件构成，功耗很低。同时，在系统守时运行期间，通过降低CPU运行主频，自动休眠与守时无关进程，可大幅度释放CPU资源，通过实测，CPU的工作电流可稳定在8 mA以内，大大降低守时运行时的系统功耗。

4结束语

本文利用BD/GPS授时的高精度特性以及短波授时的高可靠性校准本地恒温晶振，得到了一种高可靠的高精度授时系统，同时，采用低功耗设计，简化系统硬件组成，有效节约了成本，降低了功耗。试验表明，上电驯服30 min，本系统的定时精度达到±1E-10，满足高精度授时领域的应用需求。

参考文献

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