楊 帆陳學(xué)軍張 然毛新凱

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安710000）

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，時(shí)間同步在各種電子系統(tǒng)尤其是武器系統(tǒng)中的重要性日益突顯。 為了完成多軍種、多系統(tǒng)的信息融合、協(xié)同作戰(zhàn)，各系統(tǒng)必須工作在統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)體系之內(nèi)。 為此，我軍的各作戰(zhàn)單元大都配備了高精度的時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備。 這些時(shí)統(tǒng)設(shè)備大多集成于武器系統(tǒng)中，不宜拆卸，因此無(wú)法做到周期性送交計(jì)量部門予以計(jì)量校準(zhǔn)。 大量裝備的時(shí)統(tǒng)設(shè)備未經(jīng)校準(zhǔn)，為我軍的時(shí)間統(tǒng)一體系帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患。 因此，研究解決高精度時(shí)統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問(wèn)題具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)時(shí)統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)器都是以GPS／BDS 單向授時(shí)法獲得參考時(shí)間。 被測(cè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備也大多是通過(guò)接收北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)或IRIG-B 碼等有線信號(hào)獲取初始時(shí)間，內(nèi)部通過(guò)銣原子鐘或高穩(wěn)晶振對(duì)時(shí)間進(jìn)行保持，對(duì)外輸出1PPS，1PPM，1PPH，IRIG-B（DC）碼，IRIG-B（AC）碼，PTP 等時(shí)間信號(hào)，為用時(shí)系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間統(tǒng)一服務(wù)。 可見，現(xiàn)有的時(shí)統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀器采用內(nèi)置C／A 碼GPS 接收機(jī)，定時(shí)準(zhǔn)確度與被測(cè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備在同一量級(jí)，無(wú)法滿足校準(zhǔn)時(shí)的量值溯源需求。 而且，目前的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀器與守時(shí)實(shí)驗(yàn)室之間沒有直接的實(shí)時(shí)溯源關(guān)系，儀器本身對(duì)計(jì)量結(jié)果引入的不確定度較大。

為了解決時(shí)統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度大的問(wèn)題，本文提出一種可實(shí)時(shí)溯源至守時(shí)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案，為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)提供穩(wěn)定可靠的時(shí)間參考，有效減小現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀器引入的不確定度。 GNSS 衛(wèi)星共視時(shí)間傳遞技術(shù)是目前性價(jià)比最高的時(shí)間頻率傳遞方法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，時(shí)間傳遞不確定度小，是建立校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)與守時(shí)實(shí)驗(yàn)室之間實(shí)時(shí)在線溯源鏈路的最佳選擇。

本文基于實(shí)時(shí)衛(wèi)星共視技術(shù)建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀器與守時(shí)實(shí)驗(yàn)室之間的實(shí)時(shí)溯源鏈路；利用實(shí)時(shí)共視比對(duì)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)銣鐘進(jìn)行馴服，產(chǎn)生時(shí)統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)所需要的參考源。 該參考源實(shí)時(shí)溯源至守時(shí)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，定時(shí)準(zhǔn)確度高，溯源不確定度小，更加穩(wěn)定可靠。

2 時(shí)間碼在線校準(zhǔn)原理與校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)共視溯源鏈路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，建立時(shí)統(tǒng)設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)與守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)溯源鏈路。 改進(jìn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：改進(jìn)共視數(shù)據(jù)處理方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)間隙實(shí)時(shí)比對(duì)；利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)共視數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

選用高精度接收機(jī)板卡和高速數(shù)據(jù)處理模塊來(lái)滿足連續(xù)跟蹤的要求，采用連續(xù)的時(shí)間比對(duì)方法，以100s 作為一個(gè)完整的觀測(cè)周期，兩個(gè)觀測(cè)周期之間無(wú)縫連接，不再預(yù)留相鄰跟蹤周期之前的準(zhǔn)備時(shí)間和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，當(dāng)上一個(gè)跟蹤周期結(jié)束后，立即進(jìn)入下一個(gè)跟蹤周期。 該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)時(shí)頻信號(hào)的偶發(fā)、突跳等現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)了無(wú)間隙的連續(xù)比對(duì)，提高數(shù)據(jù)利用率，增強(qiáng)共視的實(shí)時(shí)性。 在達(dá)到實(shí)時(shí)共視目的的同時(shí)，為了提高實(shí)時(shí)共視精度，每個(gè)觀測(cè)周期（100s）內(nèi)的數(shù)據(jù)處理分兩次采用最小二乘擬合算法：

第一次，將100 個(gè)數(shù)據(jù)等分為10 份，每份10 個(gè)觀測(cè)值，對(duì)10 份數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最小二乘線性擬合，取中間值作為擬合結(jié)果，共得到10 個(gè)擬合值；

第二次，將10 個(gè)擬合值再次進(jìn)行最小二乘線性擬合，取中間值，作為本觀測(cè)周期（100s）的觀測(cè)結(jié)果。

守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的本地比對(duì)結(jié)果（含UTC（k）與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的偏差）由北斗短報(bào)文鏈路實(shí)時(shí)發(fā)送給校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)，校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)共視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以此為參考對(duì)校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間源（通常為銣鐘）進(jìn)行馴服。

2.2 基于實(shí)時(shí)共視的銣鐘馴服技術(shù)

利用實(shí)時(shí)共視鏈路獲得守時(shí)實(shí)驗(yàn)室參考時(shí)間，并以此為參考，對(duì)銣鐘進(jìn)行馴服。 馴服過(guò)程中，實(shí)時(shí)判斷共視時(shí)差信號(hào)是否有效。 當(dāng)測(cè)量到的時(shí)間差信號(hào)有效時(shí)，通過(guò)卡爾曼算法對(duì)計(jì)算得到鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲對(duì)時(shí)間信號(hào)的影響。 然后通過(guò)馴服算法得到可控銣鐘的控制字。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，馴服銣鐘的控制值還需要經(jīng)過(guò)PID 算法，消除馴服系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)得到的數(shù)字是銣鐘的精確控制值，調(diào)節(jié)輸銣鐘的輸出頻率。 當(dāng)共視時(shí)差信號(hào)丟失或者測(cè)量得到的時(shí)間差信號(hào)無(wú)效時(shí)，從GNSS 系統(tǒng)獲得1PPS 作為參考信號(hào)，F(xiàn)PGA 以本地的銣鐘作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源，分頻生成與外部時(shí)間源輸入的1PPS 相同的方波周期信號(hào)，比較這兩個(gè)周期信號(hào)，得到時(shí)差數(shù)據(jù)。 利用卡爾曼算法對(duì)計(jì)算得到鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再經(jīng)過(guò)PID 控制后得到銣鐘控制字，對(duì)銣鐘頻率進(jìn)行調(diào)整。 基于快速共視的銣原子鐘馴服算法流程如圖1 所示。

圖1 基于衛(wèi)星共視的銣原子鐘馴服算法流程圖Fig.1 Flow chart of Ru-clock controlled algorithm process based on satellite common view

2.3 時(shí)間碼在線校準(zhǔn)的精細(xì)化修正技術(shù)

在傳統(tǒng)的時(shí)間碼測(cè)量中，只能以時(shí)間碼測(cè)量?jī)x的時(shí)間參考作為標(biāo)準(zhǔn)，得到被測(cè)時(shí)間碼與時(shí)間參考之間的時(shí)差。 通過(guò)衛(wèi)星共視技術(shù)，可以實(shí)時(shí)的獲取本地時(shí)間參考與守時(shí)試驗(yàn)室之間的時(shí)間差。 因此，可以利用該時(shí)差對(duì)時(shí)間碼測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。這樣，本地時(shí)間參考在測(cè)量中只起到中間媒介的作用，即使本地參考與UTC 存在偏差，在進(jìn)行精細(xì)化修正之后，偏差也被消除。 實(shí)際給出的測(cè)量結(jié)果為被測(cè)時(shí)間碼信號(hào)與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的時(shí)間差。因此，可以極大地提高測(cè)量精度。 時(shí)間碼測(cè)量結(jié)果精細(xì)化修正的方法如圖2 所示。

圖2 時(shí)間碼測(cè)量結(jié)果精細(xì)化修正框圖Fig.2 Block diagram of time code measurement results refined correction

通過(guò)衛(wèi)星共視比對(duì)技術(shù)，獲得了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間t與校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（共視馴服銣鐘）t之間的時(shí)差，即

在校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)，以共視馴服銣鐘t的1PPS 作參考，對(duì)時(shí)間碼信號(hào)t進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果可表示為

那么，將式（1）和式（2）結(jié)合可以得到

可見，經(jīng)過(guò)精細(xì)化修正后，時(shí)間碼測(cè)量結(jié)果可直接歸算到被測(cè)時(shí)間碼信號(hào)與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差。 由于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間比現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度更好，因此精細(xì)化修正后可以極大減小測(cè)量結(jié)果的不確定度。

2.4 時(shí)間碼在線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)時(shí)間碼在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，搭建基于實(shí)時(shí)共視的時(shí)間碼現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)平臺(tái)。 校準(zhǔn)平臺(tái)主要由3部分組成：實(shí)時(shí)共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備、基于實(shí)時(shí)共視技術(shù)的時(shí)間碼校準(zhǔn)設(shè)備、以及實(shí)時(shí)比對(duì)鏈路。 實(shí)時(shí)共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備放置于守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，用于為校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)傳遞守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。 基于實(shí)時(shí)共視技術(shù)的時(shí)間碼校準(zhǔn)設(shè)備放置于時(shí)統(tǒng)設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間碼的在線高精度時(shí)間校準(zhǔn)。 兩個(gè)設(shè)備之間利用共視技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，采用北斗短報(bào)文等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。 基于實(shí)時(shí)共視技術(shù)的時(shí)間碼校準(zhǔn)設(shè)備實(shí)時(shí)接收實(shí)時(shí)共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備的共視數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后得到兩地共視時(shí)差，并以該時(shí)差為參考對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的頻率源進(jìn)行調(diào)整，使現(xiàn)場(chǎng)的頻率源緊密跟蹤于守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。 時(shí)間碼在線校準(zhǔn)平臺(tái)組成如圖3所示。

圖3 基于實(shí)時(shí)共視的時(shí)間碼現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of time code field calibration system besed on real-time satellite common view

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

與傳統(tǒng)的在線校準(zhǔn)平臺(tái)相比，本文的時(shí)間碼在線校準(zhǔn)平臺(tái)特點(diǎn)在于，參考源是基于共視馴服銣鐘技術(shù)產(chǎn)生的，可同步至實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。 為了驗(yàn)證該在線校準(zhǔn)平臺(tái)的參考源性能，分別開展GPS／BDS單向法馴服銣鐘和共視法馴服銣鐘試驗(yàn)，以北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（BIRM）為參考，比較兩種馴服方式下的銣鐘1PPS 同步偏差。試驗(yàn)結(jié)果顯示視法馴服銣鐘1PPS 同步偏差更小。

GPS／BDS 單向法馴服銣鐘與UTC（BIRM）的比對(duì)曲線如圖4 所示，以及GPS／BDS 共視法馴服銣鐘與UTC（BIRM）的比對(duì)曲線如圖5 所示。 從圖中可以看出，由于導(dǎo)航信號(hào)在單向授時(shí)過(guò)程中噪聲影響明顯，GPS／BDS 馴服銣鐘的測(cè)試數(shù)據(jù)抖動(dòng)較大，峰峰值為40ns 左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.0ns；GPS／BDS 共視法馴服銣鐘數(shù)據(jù)抖動(dòng)明顯減小，峰峰值為10ns 左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2ns。

圖4 GPS／BDS 單向法馴服銣鐘定時(shí)偏差曲線圖Fig.4 Curve of taming Ru-clock timing deviation based on GPS／BDS one-way method

圖5 GPS／BDS 共視法馴服銣鐘定時(shí)偏差曲線圖Fig.5 Curve of taming Ru-clock timing deviation based on GPS／BDS common view method

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了一種基于實(shí)時(shí)衛(wèi)星共視技術(shù)的時(shí)間參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)時(shí)統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)如何獲得高精度的時(shí)間參考這一問(wèn)題提出了一種設(shè)計(jì)思路。 并以北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（BIRM）為參考，分別測(cè)量GPS／BDS 單向法馴服銣鐘和共視法馴服銣鐘的1PPS 同步偏差。 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，本方法提出的方法相對(duì)于當(dāng)前常用的GPS 單向法具有明顯的指標(biāo)優(yōu)勢(shì)。 且本方法原理簡(jiǎn)單，適合小型化設(shè)計(jì)，相對(duì)于衛(wèi)星雙向等手段成本低廉，適合在時(shí)間參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)領(lǐng)域推廣。