楊 帆 陳學軍 張 然

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.中國西安衛(wèi)星測控中心，陜西西安 710000)

1 引 言

隨著時間頻率技術的高速發(fā)展，各行業(yè)對時間頻率的精度要求越來越高，建立與保持原子時系統(tǒng)也逐漸成為各時間保持與應用單位的基礎工作。眾所周知，原子時系統(tǒng)的實時物理信號是由主鐘系統(tǒng)產(chǎn)生的，主鐘系統(tǒng)的運行狀態(tài)直接關系到整個守時系統(tǒng)的性能。為了提高系統(tǒng)的可靠性，保證原子時系統(tǒng)實時物理信號的連續(xù)穩(wěn)定輸出，為主鐘系統(tǒng)建立一套備份鐘系統(tǒng)成為重要舉措之一。正常情況下，備份鐘系統(tǒng)與主鐘系統(tǒng)均持續(xù)運行；當主鐘系統(tǒng)出現(xiàn)異常，備份鐘系統(tǒng)代替主鐘系統(tǒng)開始工作。為了保證主鐘系統(tǒng)向備份鐘系統(tǒng)切換時的時間連續(xù)性，主備鐘系統(tǒng)之間的時間同步是其中的關鍵[1]。

本文介紹了原子時主備鐘同步系統(tǒng)的設計，開展主備同步技術研究，結果表明通過主備同步技術，可保持主備信號時間頻率的實時一致性。

2 主備鐘同步系統(tǒng)設計

原子時系統(tǒng)的主備鐘同步系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 主備鐘同步系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of the master-backup consistency system

在原子時系統(tǒng)中選出兩臺性能優(yōu)良的原子鐘分別作為系統(tǒng)的主鐘和備份主鐘。主鐘的10MHz經(jīng)1臺相位微調(diào)儀后輸出主路信號，同時，備份主鐘的10MHz經(jīng)1臺相位微調(diào)儀后產(chǎn)生備路信號。時間間隔計數(shù)器實時采集主路1PPS和備路1PPS之間的時差，主備同步算法利用該時差對備份主鐘信號進行調(diào)整。主路1PPS和備路1PPS，以及主路10MHz和備路10MHz分別接入脈沖轉換開關和頻率轉換開關。主備路均正常運行時，轉換開關選通主路信號作為UTC(k)輸出；主路出現(xiàn)異常后，工控機控制轉換開關，使其選通備路信號作為UTC(k)輸出。除了轉換開關的切換速度，主備路信號的實時同步是保證主路切換到備路時UTC(k)連續(xù)穩(wěn)定的關鍵。

3 主備路信號實時同步技術

主備路信號實時同步包含兩個關鍵技術，分別是備份主鐘的實時調(diào)整技術和主備路原子鐘性能實時監(jiān)測技術。

3.1 備份主鐘實時調(diào)整技術

對備份主鐘的調(diào)整分為兩步[2]，分別是初始脈沖同步和實時頻率微調(diào)，備鐘調(diào)整流程如圖2所示。

圖2 備鐘調(diào)整流程圖Fig.2 Flow chart of backup clock adjustment

3.1.1初始脈沖同步

系統(tǒng)運行伊始，備份主鐘按照自己的頻率特性自由運行，其脈沖和頻率輸出與主鐘相互獨立。初始脈沖同步是利用相位微調(diào)器的PPS同步功能，將主備鐘輸出的脈沖信號粗同步到一個較小的范圍內(nèi)(該范圍由相位微調(diào)器的指標決定)，通常脈沖粗同步后主備時差仍在百納秒量級。然后通過相位微調(diào)儀對備份鐘發(fā)送相位調(diào)整指令，使主備時差調(diào)整至納秒量級，即相位精同步。初始脈沖同步動作只在系統(tǒng)運行初始執(zhí)行一次，要保持主備鐘的持續(xù)同步需要通過第二步微調(diào)頻率同步來實現(xiàn)。

3.1.2實時頻率微調(diào)

主備鐘同步系統(tǒng)開始運行之后，為了保證備份主鐘與主鐘的實時同步，需要根據(jù)主備鐘差實時計算主備時差和頻差，并對備份主鐘頻率進行微調(diào)。

本主備同步系統(tǒng)中，設置時間間隔計數(shù)器的采樣周期為1s，工控機通過串口實時讀取計數(shù)器采集的主備鐘差，經(jīng)主備同步算法處理后得到備份主鐘的頻率微調(diào)量。主備同步算法流程如圖3所示。

圖3 主備同步算法流程圖Fig.3 Flow chart of master-backup consistency algorithm

主備同步算法對采集到的本周期內(nèi)鐘差數(shù)據(jù)進行異常值檢測與修正[3]，并實時計算備份鐘相對于主鐘的頻率偏差和相位偏差。若偏差超出閾值，無論是否到達調(diào)整時刻，都應立即計算備份鐘的頻率調(diào)整量，并利用相位微調(diào)器對備份鐘的頻率進行駕馭。若偏差在閾值范圍以內(nèi)，需判斷是否到達調(diào)整時刻，再根據(jù)判斷結果采取不同的操作：調(diào)整時刻未到，則繼續(xù)進行鐘差預處理和判斷是否超出閾值；調(diào)整時刻已到，則計算備份主鐘調(diào)整量并執(zhí)行調(diào)整動作。至此，一個調(diào)整周期結束，進入下一個調(diào)整周期，重復以上數(shù)據(jù)預處理、判斷、計算與調(diào)整操作。

實現(xiàn)主備鐘的實時同步，最主要的兩點是調(diào)整周期的選擇和調(diào)整量的計算。一般來說，調(diào)整周期越短，備鐘對主鐘的跟蹤效果越好；調(diào)整量越小，對備鐘原有頻率特性的影響越小。

調(diào)整周期需要根據(jù)備份鐘實際運行狀態(tài)決定[4]。備鐘頻率調(diào)整量的算法[5,6]如下。

1)設置相位偏差閾值Mp和頻率偏差閾值Mf；

2)計算當前備份主鐘相對于主鐘的相位偏差p，若p超出閾值Mp，則通過相位偏移量得到的一個頻率調(diào)整分量offset1=-(p-Mp)/T(T為調(diào)整周期)；

3)對異常值修正后的主備鐘差進行最小二乘線性擬合，得到備份鐘的頻率偏移量f，若f超出閾值Mf，以其相反數(shù)作為一個頻率調(diào)整分量，記為offset2=-f；

4)計算備份鐘的頻率總調(diào)整量offset=offset1+offset2。

3.2 主備路原子鐘性能實時監(jiān)測技術

原子鐘作為一種精細復雜的設備，其運行狀態(tài)會受到各種各樣內(nèi)因外因的影響，而主鐘的運行狀態(tài)又在整個原子時系統(tǒng)中占據(jù)著至關重要的地位。研究主備同步技術的目的就是在主鐘出現(xiàn)異常的情況下，能及時利用備份主鐘替代主鐘，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定無間斷地運行，因此主備鐘狀態(tài)監(jiān)測也是主備同步的關鍵[6]。

3.2.1原子鐘性能表征

原子鐘的性能一般通過準確度、穩(wěn)定度和漂移率來表征[7]。

準確度是指頻率的實際值相對標稱值(給定值)的偏離程度。在原子時系統(tǒng)中，該標稱值通常為綜合時間尺度TA。

原子鐘內(nèi)部，引起頻率隨機起伏的主要有五種獨立噪聲，盡管噪聲的幅度和相位準確值不可預見，但預見噪聲的隨機程度是有可能的，定量地描述這種隨機變化程度的量稱為頻率穩(wěn)定度。同樣的，穩(wěn)定度也是一個相對概念，原子時系統(tǒng)中，通常以原子鐘相對于綜合時間尺度TA的穩(wěn)定度來表征該鐘的穩(wěn)定度性能。

頻率漂移率一般是指頻率在單位時間內(nèi)的單方向變化量，它表征原子鐘內(nèi)部振蕩器在連續(xù)運行過程中頻率值隨時間的有規(guī)律變化。在原子時系統(tǒng)中，頻率漂移率由原子鐘與TA的時差數(shù)據(jù)計算得到。

3.2.2原子鐘異常狀態(tài)的判定

在主備同步系統(tǒng)中，實時計算主鐘和備份鐘的準確度、穩(wěn)定度和漂移率，并將計算結果與監(jiān)測閾值進行比較(閾值的選擇由正常情況下鐘的歷史運行狀態(tài)決定)。當主鐘的任何一個性能表征量異常，則給出告警信息，操作人員需對其進行進一步異常排查；若判定其無法繼續(xù)擔任主鐘角色，則進行主備切換操作。若備份鐘的性能出現(xiàn)異常，則需要從鐘組中重新選擇一臺鐘作為備份主鐘，保證主備同步系統(tǒng)的持續(xù)運行。

主備鐘狀態(tài)監(jiān)測流程如圖4所示。

圖4 主備鐘狀態(tài)監(jiān)測流程圖Fig.4 State monitoring process of master-backup clock

4 實驗結果分析

根據(jù)所述原理搭建原子時主備同步系統(tǒng)，并利用自行開發(fā)的主備同步控制軟件對該系統(tǒng)進行調(diào)整控制。

系統(tǒng)運行伊始，以主路1PPS為參考，利用備路相位微調(diào)儀的PPS同步功能，將主備路信號進行粗同步；此時，并未對備份主鐘的頻率作調(diào)整，仍以其自身頻率特性運行，粗同步后系統(tǒng)運行1h，運行結果如圖5所示。

圖5 初始運行時的主備鐘差波形圖Fig.5 Clock differences of master and backup clock during initial operation

利用圖5中1h的主備鐘差計算備份主鐘相對于主鐘的頻率偏差和相位偏差，分別為1.21E-13和221.9ns。然后對備份主鐘進行相位精同步，將主備相位調(diào)整至0ns左右，此時，仍未對備份主鐘的頻率進行調(diào)整，該過程對應圖6中的T1周期。系統(tǒng)在T1周期運行1h后，利用運行結果計算備份主鐘的頻率微調(diào)量，系統(tǒng)進入頻率微調(diào)階段，對應圖6中的T2周期，在該周期運行1h，主備相對頻率偏差已提高1個量級。根據(jù)T2的運行結果再次計算備份主鐘相對于主鐘的頻率偏差和相位偏差，并再次對備份主鐘進行調(diào)整。經(jīng)過兩輪調(diào)整，主備運行狀態(tài)趨于穩(wěn)定。圖6中的T3周期和T4周期，即運行穩(wěn)定后的狀態(tài)，可見，主備鐘差保持在(0.25～0.35)ns，主備頻差保持在2E-15以內(nèi)。

圖6 調(diào)整至穩(wěn)定運行過程中的主備鐘差波形圖Fig.6 Clock differences of master and backup clock during adjusting to stable operation

5 結束語

本文設計了原子時系統(tǒng)中的主鐘和備份主鐘同步系統(tǒng)，并對主備同步技術進行了深入研究，通過搭建實驗系統(tǒng)和開發(fā)主備同步軟件，使主備路的相對頻率頻差和相位偏差保持在很小的范圍內(nèi)。為提高原子時系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)原子時系統(tǒng)的主備路無縫切換提供重要支撐。