某型卫导终端设备授时精度超差故障分析

2022-07-03曹佩武冯云孔琦

航空维修与工程 2022年6期

关键词：变量

曹佩武冯云孔琦

摘要：针对某型卫导终端设备在功能性能鉴定试验中出现的GPS、GLONASS工作模式下授时精度超差故障现象进行研究分析，查找故障原因，进行故障复现，提出改进措施并进行措施验证，对提高卫导终端设备工作可靠性和保持武器系统之间的时间同步具有重要意义。

关键词：卫导终端设备；授时精度；变量

Keywords： satellite navigation terminal equipment；time service accuracy；variable

0 引言

授时是指确定、保持某种时间尺度，并通过有线或无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或转发给用户的一系列过程。在各种授时方法中，卫星授时因具有覆盖范围广、精度高、全天候和通用性强等优点得到广泛应用，是实现全球范围内时间精确同步的最佳选择。授时功能在许多领域尤其在信息化战争中具有重要作用，已广泛用于各级军事系统和各种作战操作中，如战场实时态势感知、精确打击武器的制导、网络中心战、兵力的调动与作战实施。

1 故障现象

某型武器系统各型装备加装卫导终端设备后将获得卫星授时功能，并将时间基准统一到卫导时间系统，从而保持各武器系统的时间同步，为一体化联合组网作战奠定基础。

该型卫导终端设备设计时，工作模式有BDS、GPS、GLONASS和自适应四种，其中自适应工作状态采用自动降级处理，优先级从高到低分别为BDS>GPS>GLONASS。设备主要工作在自适应模式，在露天定点进行授时精度测试时满足不大于50ns的指标要求，但在手动选择工作模式下定点进行授时精度测试时，却出现GPS、GLONASS授时精度超出50ns指标要求的故障。

2 故障原因分析

为了便于分析问题，查找故障原因，列出了该型卫导终端设备与时间数据信息输出有关的部件，并明确各个部件之间的信息交互关系，如图1所示。

该型卫导终端设备接收处理系统包含一个全功能板卡、一个抗干扰天线、两个定向天线和配套的射频电缆。接收处理系统的数据输出逻辑设计为通过串口4输出定位、定向和时间等信息，串口1、串口2、串口3分别用于定位和定向的授权部件以及IC芯片的加注。

接收處理系统中的全功能板卡接收抗干扰天线和定向天线接收到的卫星信号，经过解算得到当前的位置、速度、时间等信息，完成组帧后，按照1Hz的频率通过串口4向外输出至综合处理板，综合处理板将定位信息分别输出至综合显控和标准显控；全功能板卡同时输出LVTTL电平的1PPS信号给综合处理板，综合处理板将LVTTL电平的1PPS信号变换为RS422差分电平的1PPS信号对外输出。

根据该型卫导终端设备的时间数据信息输出逻辑，列出可能造成上述故障现象的所有情形，建立如图2所示的故障树。

2.1 硬件异常

根据卫星导航设备授时原理，卫导授时终端需先完成定位再获得时间信息。对卫导终端设备在露天环境下进行定位精度和抗干扰性能指标测试，均满足要求，说明设备的抗干扰天线和全功能板卡硬件工作正常，可以排除底事件X1、X2、X3。

2.2 软件异常

全功能板卡为某型卫导终端设备的核心部件，属软硬件协同设计，软件由定向软件、定位授时软件、接口软件、抗干扰软件构成。其中，定位授时软件主要完成BDS、GPS、GLONASS卫星信号捕获跟踪，实现导航和授时信息实时输出功能。全功能板卡接收天线信号，通过射频模块完成输入射频信号的下变频处理，并将得到的中频模拟信号输出至基带信号处理单元。经A/D变换后，基带信号处理单元结合RTC授时单元给出的时间信息，对BDS、GPS、GLONASS导航信号进行快速捕获；完成信号的捕获后，通过跟踪通道单元实现卫星信号的稳定跟踪、观测量提取和导航电文提取。基带信号处理单元向PVT解算单元输出导航电文和码伪距、多普勒频率、载波相位测量和本地时间等观测量数据。PVT解算单元通过特定模块电路完成导航电文的格式转换，通过IC卡完成电文的解密处理，结合观测量数据完成PVT解算处理，得出用户终端的精确位置、速度、时间信息。

1）跟踪通道单元异常

在测试过程中，通过上位机软件查看卫星接收机BDS、GPS和GLONASS所用通道的收星情况，如图3所示。

由图3可见，各个卫星通道能够正确捕获并跟踪相应的卫星，说明跟踪通道单元工作正常，可以排除底事件X4。

2）基带信号处理单元异常

测试过程中，通过上位机软件观察，卫星接收机能够解算出各个卫星的星历，得出正确的方位角、俯仰角等信息，且BDS、GPS和GLONASS能够独立完成PVT解算，说明基带信号处理单元工作正常，可以排除底事件X5。

3）对外接口单元异常

测试过程中，通过上位机软件查看串口数据，数据格式与通信协议要求的输出格式一致，说明对外接口单元工作正常，可以排除底事件X6。

4）PVT解算单元异常

测试过程中，分别切换至BDS定位、GPS定位和GLONASS定位工作模式，通过分析上位机软件数据，卫星接收机在三种模式下均能正确输出定位测速数据，且满足定位测速指标要求。与基准接收机的1PPS信号进行对比测试时，BDS授时精度满足指标要求，GPS和GLONASS授时精度超出50ns的指标要求，此时利用上位机软件通过卫导终端设备串口对GPS系统的1PPS延时进行配置。当配置好GPS系统的1PPS延时后，BDS/GLONASS系统的1PPS会出现偏差；配置好GLONASS系统的1PPS延时后，BDS/GPS系统的1PPS会出现偏差；配置好BDS系统的1PPS延时后，GPS/GLONASS系统的1PPS会出现偏差。因此，故障可定位为底事件X7，即PVT解算单元异常。

3 解决措施及验证

3.1 故障解决措施

针对因BDS、GPS和GLONASS三个系统的差异引起的1PPS延时不一致，在软件设计改进中增加了4个变量，分别对应BDS-B3、BDS-B1、GPS-L1和GLONASS-R1四个频点，通过程序语句独立进行1PPS延时补偿设置。增加的变量如图4所示，1PPS延时设置命令如图5所示。

3.2 验证情况

为了验证故障解决措施的有效性，将修改后的定位授时软件烧入全功能板卡，利用上位机软件，通过卫导终端设备串口分别设置BDS-B3、BDS-B1、GPS-L1和GLONASS-R1的1PPS延时，在露天环境定点进行GPS和GLONASS工作模式下授时精度的测试，如图6、图7所示，测试结果为10.120ns和18.680ns，均满足不大于50ns的指标要求。

4 结论

针对GPS、GLONASS工作模式下授时精度超差的故障现象，建立故障树，从软件、硬件的角度进行了故障原因分析，确定了故障根源，进行了设计改进，经充分验证，问题得到了解决。通过本次暴露的故障，在后续产品研制过程中应吸取经验教训，充分理解研制要求，与用户保持可靠有效的沟通。本文的故障处理思路和解决方法可为后续该型产品类似故障的处理提供理论支持和经验借鉴。