一种高可用北斗授时装置设计与实现

戎强，刘铁强，尹继凯，王彬

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄，050081）

0 引言

随着我国北斗三号卫星导航系统的建成，北斗授时技术在国民经济、大众生活、国防建设等诸多领域得到了广泛应用，并正在国内外得到更为快速的应用推广。然而，在北斗授时装置的工程实际应用过程中，存在多种不同类型的设备型谱[1,2]，这些设备大多可以输出一种和几种类型的北斗授时信号[3,4]，例如10MHz、100MHz等频率信号以及1pps授时、B码、NTP、PTP、Tod等多种体制的时码信号[5-7]，但输出信号的类型和输出信号的路数一般都是固定不变的，往往无法满足工程应用中存在的多变的授时需求。因此，迫切需要一种可以满足大多数用户授时需求的装置，设计一种输出信号可根据用户的具体需求进行配置的授时装置是解决该问题的有效方法之一。针对这一问题，本文提出了一种北斗授时链路的时延模型，在介绍了北斗授时、时钟驯服、零值校准等基本原理的基础上，设计了一种输出信号类型可按照用户需求配置的高可用北斗授时装置，并开展了实验验证。

1 基本原理

1.1 北斗授时链路时延模型

北斗授时链路时延模型主要包括北斗溯源链路时延、北斗授时链路时延、时频传输线缆时延，如图1所示。

图1 北斗授时链路时延模型

图中UTC（Universal Time Coordinated，协调世界时）中心维持国家标准时间[8]，远程时间比对链路实现北斗时间向UTC中心时间的溯源，北斗卫星导航系统和授时装置共同实现北斗授时服务，时频信号传输电缆实现授时信号向用时系统的传递。其中，1ppsUTC为UTC中心的国家标准时间，1ppsBD为北斗时间，1ppsST为授时装置输出的定时信号，1ppsOUT为传输线缆末端的定时信号。这里，τSY为北斗溯源链路时延，表示1ppsBD与1ppsUTC之间的链路时延偏差；τBD为北斗系统链路时延，表示1ppsST与1ppsBD之间的链路时延偏差；τXL为传输线缆时延，表示1ppsOUT相对于1ppsST的时延偏差。

图1中，在τSY、τBD、τXL相互独立的前提下，1ppsUTC到1ppsOUT的总时延τZSY可表示为式(1)：

1.2 北斗授时基本原理

在北斗授时应用过程中，对于已知精密坐标的固定用户，观测到1颗卫星就可以实现精密时间测量与同步。若观测到4颗卫星，则可精密确定接收机天线所在位置的坐标、速度以及用户时间相对北斗时间的精确钟差，进而实现精确授时[9]。图2给出了北斗授时时间测量原理。

图2 北斗授时时间测量原理

图2 中，tΔ为用户钟相对北斗时间的真时差，即：

式(2)中，BDt为用户接收机接收到的北斗时刻信号，且有：

式(3)中，Ut为用户机时刻；R为伪距。

由图2可以看出：

式(4)中，Rc是直接得到的伪时差；SVtΔ 为星载钟相对于北斗时间的时差，可从导航电文中获得；τΣ为卫星到地面接收机的总时延。则由式(4)可得到：

其中，τΣ可表示为：

式(6)中，Rτ为只考虑卫星至接收机距离的时延；iτ和tτ为由电离层和对流层引入的附加时延；rτ为接收机天线、天线线缆及接收机本身引入的设备时延[10]。其中，Rτ、iτ和tτ可由北斗导航电文中提供的数据计算得到，rτ可由接收机标校得到，进而可求得用户钟相对于北斗时间的真时差Δt。

1.3 时钟驯服基本原理

时钟驯服电路[11]由北斗接收机、铷钟、DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成）模块、滤波模块、10MHzPLL模块、分频模块、比相及时钟驯服模块等模块构成，如图3所示。

图3 时钟驯服原理

图3 中，北斗接收机提供代表北斗整秒时刻的1pps信号和1pps信号有效标志信号；铷钟输出高精度的10MHz信号；DDS模块用于实现10MHz信号的移相和零值扣除；滤波模块实现对DDS输出10MHz信号的滤波和平滑；10MHzPLL模块实现10MHz信号的指标提升；分频模块通过10MHz分频得到1pps信号；比相模块通过测量来自北斗接收机模块的1pps信号与来自分频模块的1pps信号的时差，通过时钟驯服算法得到对铷钟模块的时钟校准信号。

1.4 零值校准基本原理

由图1可以看出，对于北斗授时装置的零值校准可将北斗授时装置放置于UTC中心，使北斗授时装置直接接收空间北斗导航信号，用时间间隔计数器直接测量得到北斗授时装置输出的定时信号1ppsST与标准时间基准1ppsUTC的偏差τST－UTC，进而计算得到授时装置的零值调整量为：

在考虑授时装置与用时系统之间的传输线缆时延的情况下，授时装置的时延补偿调整量为：

2 授时装置设计

2.1 设备组成与连接关系

北斗授时装置通过接收北斗卫星导航信号，经过实时PVT解算，获得高精度的授时信号，并对铷原子钟进行驯服，从而获得准确度高、稳定度好的时间频率信号，输出可选择配置的10MHz、1pps、B码、NTP、PTP等高精度的时间频率信号，北斗授时装置组成如图4所示。

图4 北斗授时装置组成图

图4 中，北斗授时装置由电源、铷钟、频率分路板、时钟驯服板、10MHz PLL、母板、接收机卡、1pps输出卡、监控卡、电源接口面板、数码管板、液晶板、按键与指示灯板等构成。此外，该装置配备了4个可灵活配置的板卡槽位。

北斗授时装置各模块的基本功能及其连接关系如下：

（1）电源接口面板具有外部220V交流电的电源接口，并将AC交流电传输给电源开关。

（2）电源开关实现电源接口面板与电源模块间AC交流供电的联通和切断。

（3）电源模块实现将220V交流AC供电转换为授时装置所需要的直流DC供电。

（4）铷钟模块接收来自时钟驯服卡的时钟驯服信号，输出高精度的10MHz信号，为设备提供基准参考信号，同时铷钟模块接收来自时钟驯服板卡的控制信号，实现对时钟的校准。

（5）频率分路板对10MHz进行多路分配，为设备提供6路高精度的10MHz信号。

（6）时钟驯服板是实现北斗授时过程中时钟同步的核心单元，由分路模块、1pps生成模块、比相模块、控制模块、整形模块、DDS模块、滤波模块构成。其中，分路模块采用频率信号驱动芯片实现对来自10MHz PLL的10MHz信号进行分路，其中1路直接输出，另一路送给1pps生成模块作为其主时钟。1pps生成模块接收控制信号的指令，对输出的1pps信号进行超前、滞后调整。比相模块对接收机输出的1pps-in和1pps信号进行相位比对，1秒钟完成一次测量和上报。整形模块完成对来自铷钟的10MHz信号的整形，得到10Mpps信号，并送给DDS模块作为其主时钟。DDS模块接收控制中心的零值扣除指令，实现对频率信号的超前、滞后移相，与1pps生成模块联合实现对整机零值的扣除。滤波模块对DDS输出的10MHz信号进行滤波、净化处理。控制模块是整个时钟驯服板的处理中心，完成驯服算法、铷钟驯服控制、零值扣除控制、比相模块控制、1pps生成模块控制以及DDS模块控制。

（7）10MHzPLL以经过DDS相位控制后的10MHz信号为参考，锁相产生高稳定度的10MHz输出，实现对10MHz信号的净化提纯。

（8）母板是各个插卡、非标区各个模块的公用接口平台，为各个板卡、模块提供标准化的统一供电和1pps信号、10MHz信号、串口通信信息接口。

（9）接收机卡是实现北斗授时的核心单元，接收北斗导航信号，输出UTC时间和代表标准时间整秒时刻的1pps信号。

（10）1pps输出卡是北斗授时装置授时信号基准的输出单元，实现代表北斗授时装置定时时刻的1ppsST信号。

（11）监控卡实现对整机的监控，通过串口与每一个模块连接，实现对各个模块状态的采集与监控，同时也是授时装置与上位机的唯一接口。

（12）数码管板实现UTC时间的显示。

（13）液晶板实现授时装置关键状态的显示，同时可配合按键实现对一些关键设置项的操作。

（14）按键与指示灯板提供本地指令的设置和操作，同时对供电状态、锁定状态、北斗状态的指示。

（15）可配置槽位可根据用户的具体需求进行配置。

2.2 可配槽位的配置方法

4个可配置的板卡槽位，采用通用总线架构，可按照用户的具体应用需求进行配置。

（1）授时装置共具有4个配置槽位，配置项包括5钟板卡：10MHz卡、1pps卡、B码卡、NTP卡、PTP卡。

（2）同一种板卡最多可以配置4张，而不配置任何其他类型的板卡。例如，A用户需要大量的1pps信号，而不需要别的信号，则A用户可以选择配置1～4张1pps卡，以满足应用需求。

（3）可按照具体需求配置两种或三种不同的板卡，而其中某种板卡可以配置多张。例如，B用户需要较多的1pps信号和更多的B码信号，则B用户可以选择配置2张1pps卡，2张B码卡。

（4）每种板卡可以各配置一张，从而形成北斗授时装备的标准配置。例如，C用户每种信号都需要，则C用户可以采用标准配置，即10MHz卡、B码卡、NTP卡、PTP卡各配置一张，形成北斗授时装置的标准型配置。

总之，可以根据具体应用需求，配置合适的输出板卡组合，最大限度的满足用户需求，提高了授时装置的灵活性和可用性。

2.3 授时信号的校准方法

授时信号校准指的是利用测量仪器对授时装置输出的定时信号与UTC的偏差进行测量与修正的过程，主要包括授时装置零值的校准、时码信号的时延测量与校准。

（1）授时装置零值的校准需要在UTC中心利用仪器测量授时装置输出的1ppsST与UTC中心1ppsUTC的时差（见图1），并在授时装置中对这一时延值进行扣除。

（2）时码信号的时延测量与校准，需要测量10MHz卡、1pps卡、B码卡、NTP卡、PTP卡所输出的时码信号与1ppsST的时差，并在授时装置中对这一时延值进行扣除。其中，10MHz信号与1ppsST的相位偏差可利用示波器进行测量；1pps信号与1ppsST的时差可利用时间间隔计数器进行测量；B码与1ppsST的相位偏差可以利用示波器进行测量；NTP/PTP信号与1ppsST的相位偏差可利用网络信号测试仪进行测量。

3 验证与分析

基于3台所设计的高可用北斗授时装置，开展了实验验证：

第一步，在UTC中心对1号～3号三台北斗授时装置的零值进行标定，利用时间间隔计数器测量授时装置输出的1ppsST信号与UTC中心的1ppsUTC信号的时差，计算得到授时装置的零值测试结果如表1所示。

表1 零值测量结果

由表1可见，三台授时装置零值的相对偏差峰峰值为6.6ns，说明同型号同批次的三台设备零值一致性较好，零值较为接近。

第二步，将1号～3号三台授时装置配置为2张1pps卡，2张B码卡，测量输出信号与1ppsST的定时时刻偏差，测试结果如表2所示。

表2 时码信号时延偏差测量结果

由表2可见，1pps信号的偏差峰峰值在0.3ns以内，三台授时装置的1pps授时一致性较高；B码信号的偏差峰峰值在2ns以内，相对于B码信号微秒量级的授时精度，2ns的偏差是满足要求的。

第三步，将1号～3号三台授时装置配置为2张PTP卡，2张NTP卡，利用TimeACC仪器测量网络授时信号相对于1ppsST的精度[12]，测试结果如表3所示。

表3 网络授时信号时延偏差测量结果

由表3可见，PTP信号的偏差峰峰值在5ns以内，相对于PTP信号几百纳秒量级的授时精度，5ns的偏差是满足要求的；NTP信号的偏差峰峰值在0.5ms以内，相对于NTP信号微秒量级的授时精度，0.5ms的偏差是满足要求的。

4 结束语

根据所提出的北斗授时链路时延模型，在分析北斗授时相关基本原理的基础上，设计并研制了一种输出信号类型可按照用户需求进行配置的高可用北斗授时装置，并基于三台北斗授时装置开展了实验验证，实验结果表明：研制的北斗授时装置可通过接收北斗导航信号实现高精度的10MHz、1pps、B码、NTP、PTP等多种体制的授时服务，其灵活的可配置设计极大的提高了该装置满足不同用户需求的能力，具有较好的工程应用与推广价值。