余濤

摘 要：從航空時鐘的概念入手，闡述現(xiàn)代航空時鐘的發(fā)展，并且根據(jù)實際應用，提出可北斗衛(wèi)星校時高精度數(shù)字化航空時鐘應用設想。

關鍵詞：航空時鐘；高精度數(shù)字化；可北斗衛(wèi)星校時

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.116

1 發(fā)展背景

作為飛機上的時間觀察設備，航空時鐘是一種不可缺少的飛行儀表。航空時鐘一般安裝在航空儀表板上，主要用于指示現(xiàn)在時間、航行時間以及測量某一任意時段時間，給飛行員提供直觀的時間信息。隨著航空技術和電子技術的發(fā)展，航空機載儀表設備也日趨現(xiàn)代化，尤其是屏幕顯示儀表的應用明顯增加，使傳統(tǒng)的航空時鐘逐漸發(fā)展為趨于集成化、小型化、數(shù)字化、高精度以及可采用衛(wèi)星校時的多功能混合顯示時鐘。

北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時的為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，已經(jīng)初步具備區(qū)域導航、定位和授時能力。基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為飛機上各種設備校時的高精度數(shù)字化航空時鐘，成為航空時鐘在軍事應用上的重要發(fā)展方向。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，我們大部分飛機仍然使用的是傳統(tǒng)機械時鐘，需要在使用前上好發(fā)條才能計時，并且計時時間一般在一周左右。時鐘的走時精度只有在滿弦的前五天最高，越往后精度越低，一周誤差在一分鐘左右。對點撥針的操作復雜，由于是人工操作，在時間校準時難免存在誤差。為了具有夜視功能，有些時鐘的鐘面和指針使用鐳材料，具有對人體有害的放射性。大多數(shù)時鐘還有加熱裝置，在加熱過程中容易導致時鐘表油凍結，同時擺動游絲也會發(fā)生變形，從而給時鐘的使用和精度帶來較大影響。

另外，其他部分飛機使用的是電子機械時鐘，始終工作時由高頻石英振蕩器產(chǎn)生震蕩信號，經(jīng)CMOS集成電路分頻、放大后輸出脈沖信號，驅動步進電機單向轉動再經(jīng)齒輪傳動系帶動現(xiàn)時秒、分、時針轉動以指示現(xiàn)在時間。在實現(xiàn)測時或航時功能時，需啟動測時或航時機構，按動測時或航時手柄后，齒輪傳動系帶動測時或航時離合輪及回零簧。通過測試或航時離合輪與主傳動的齒合、脫離來實現(xiàn)測時或航時的啟動、停止。通過回零簧的運動來實現(xiàn)測時或航時的回零。

國外的航空時鐘早期也采用傳統(tǒng)機械時鐘，目前多被可GPS衛(wèi)星校時的全數(shù)字化航空時鐘所取代。

3 高精度數(shù)字化航空時鐘的優(yōu)勢

高精度數(shù)字化航空時鐘可通過飛機電源對其供電以及自身的備用電源工作，保持不間斷的連續(xù)計時，具有掉電保護功能，即使機上電源關閉，數(shù)字時鐘內(nèi)部的備用電源仍將維持時鐘繼續(xù)工作。時鐘未使用衛(wèi)星校準時，扔能保持高精度計時及校準，每天的時間誤差不超過0.1～0.4秒，并且高精度不會隨著時間的累計而降低。通過衛(wèi)星系統(tǒng)校準時，精度可達10-6秒級，使得授時后的時間精度遠遠高于傳統(tǒng)航空時鐘。如此高精度的時間基準還可應用于機群系統(tǒng)的其他時間應用，如時鐘同步。全數(shù)字化顯示和控制，運行時基本無任何聲響，不需添加對人體有害的夜光材料，背光的液晶顯示屏在任何時候都能清晰的看到時間和方便計時。

隨著我國北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的日趨成熟，可北斗衛(wèi)星校時的高精度數(shù)字化航空時鐘成為航空時鐘今后的主要發(fā)展趨勢。

4 應用設計

可北斗衛(wèi)星校時的高精度數(shù)字化航空時鐘是一臺全數(shù)字化航空時鐘，無機械轉動部件，精度高、顯示清晰、工作可靠、使用方便，外部斷電后，內(nèi)部備用電源可使時鐘繼續(xù)長時間運行，其機芯內(nèi)數(shù)字化的結構使得時鐘可以獲得高精度的現(xiàn)在時間以及計算精確的航行時間。時鐘內(nèi)部有可模擬指針走動的測時機構，使得時鐘的測時顯示更加直觀、方便。同時，時鐘內(nèi)的北斗接收模塊在通過衛(wèi)星的校準后，可以獲取更精準的時間。根據(jù)特殊用戶需要，還可以提供北斗高精度時間、經(jīng)緯度、高度及飛行速度等。

可北斗衛(wèi)星校時的高精度數(shù)字化航空時鐘包含高精度的標準時頻裝置和衛(wèi)星信號校時系統(tǒng)。標準時頻裝置具有智能學習算法，在馴服晶振過程中能夠不斷“學習”高穩(wěn)晶振的漂移等特性，并將這些參數(shù)存入板載存儲器中。當衛(wèi)星信號出現(xiàn)異常或不可用時，該裝置能夠利用高效的智能保持算法，繼續(xù)提供高可靠性的時間和頻率基準信息輸出，能保持長時間的較高精度。衛(wèi)星信號校時系統(tǒng)除了原有的時鐘系統(tǒng)外，還具有可北斗衛(wèi)星校時的選件，通過接收與解調北斗衛(wèi)星信號，在必要時輸出受北斗授時信號控制的時間信號。滿足特殊用戶對精準時間或同一時間的需求，如瞬態(tài)記錄系統(tǒng)，超視距攻擊系統(tǒng)等。顯示的時間由選件自動校準，無須人工校時。

研制可北斗衛(wèi)星校時的高精度航空時鐘，最核心的部分是將需要的功能用復雜的軟件算法來實現(xiàn)。其中包括北斗衛(wèi)星定位及接口輸出算法、協(xié)議結算及時間提取同步算法、主從機數(shù)據(jù)傳輸及通信算法、時間顯示與計時控制算法、高精度時間校準算法等，同時為了更好的與硬件匹配，還需要完整的程序調試及算法優(yōu)化。