时钟驯服技术及其在靶场的应用分析

导弹试验技术 2011年 时钟驯服技术及其在靶场的应用分析 丁鸿雁 杨晓东 太原卫星发射中心试验技术部，山西 ·太原 030027 摘 要：时钟驯服技术是近年来时频领域的一项热门话题，文章详细介绍了时钟驯服技术的原 理和关键技术，分析了不同类型驯服钟的特点及适用的应用场合，及在靶场时间统一系统手的应 用。 关键词：时钟驯服 ，GPS定时，北斗定时，晶振 ，铷原子频标，守时校频 中图分类号：V553．18 文献标识码：A 1 引言 在靶场时间统一系统中，GPS／~L斗卫星定时接 收机是定时设备，高稳晶振或铷原子频率标准是守 时设备，都属于时间统一系统的组成设备。卫星定 时接收机输出的时问以卫星星历为基准，其输出秒 脉冲信号的同步精度在百纳秒级，但由于传输解调 过程引入的随机误差影响，秒信号的相位抖动较大。 在精度要求高的场合，卫星接收机的秒信号仅作外 同步用。频率标准可以产生连续、稳定的频率输出， 时统设备利用定时信号建立同步后，一般由频标来 维持本地时间，并向用户输出本地标准时间。但是 由于频标固有的漂移和老化现象，铷标和恒温晶振 的准确度会随时间发生变化，尤其是晶振，短期稳定 度较好，但准确度的指标不高，导致时钟的长期稳定 性差。传统方法是通过“守时校频”人工校准频率， 首先用比时法测量频标的相对频偏，然后手动校准 频标的准确度值，一般这个“测量一校准”的过程要 重复几次，直到频率准确度指标符合要求。 近年来，出现了“时钟驯服”技术，即将频率标 准与高精度定时接收机相结合，采用高精度卫星授 时信号驯服本地频率标准的频率，使其长期保持较 高的准确度。常见的如 GPS石英晶体频率标准、 GPS铷原子频率标准等。 2 时钟驯服原理和关键技术 2．1 时钟驯服的基本原理j -3] 时钟驯服实际上就是以卫星定时信息为基准， [收稿 13期] 2011—3—12 通过一些技术手段实现频标的自动校频调节，其过 程和人工“守时校频”相似。驯服的基准是卫星授 时系统的时间信息，驯服的对象是恒温晶振或铷标。 以GPS驯服晶振为例，其驯服过程是：首先将 GPS定时接收机输出的 1 pps定时信号作为参考标 准，与本地时钟压控恒温晶振分频得到的 1 pps信 号进行数字鉴相，得出两者的相位差，该偏差值经过 滤波处理滤除高频分量，再根据校频算法及晶振的 压控灵敏度，将该相位误差数据转换成晶振的压控 电压步进数据，并输出到晶振的压控端进行频率和 相位的调整，经过多次测量和反复控制后，最终使得 晶振输出时钟频率完全同步于 GPS信号，从而实现 对晶振的驯服，提高晶振的准确度和长期稳定性。 典型的-~JllN过程如图 1所示。 1GPS lpps lpps 数 环 l串[ ]堡 广—一 性 -— 字 路一 ．1息 能 lpps 一 滤 l／ 优 鉴 。 ． ] 选 相 波 器 器 1收机 } _ 厂—一 I倍频器}÷_ I ． ． Fp A 1分 主控制器 {D 玉控恒温晶l l整形放I l换 本振荡器 r’1大器 『 ▲ 图 l 时钟驯服过程 2．2 关键技术 2．2．1 卫星定时及误差修正 ' 卫星定时目前主要采用的是导航定位星，国内 第 2期 丁鸿雁等：时钟驯服技术及其在靶场的应用分析 45 各应用领域的卫星授时产品主要有 GPS和北斗导 航系统两种。GPS授时产品以其成熟、廉价的优点 占据着很大的市场。随着北斗系统的完善，北斗定 时得到越来越广泛的应用，自主的北斗系统授时可 摆脱对 GPS的过分依赖，有效消除受制于人带来的 巨大安全隐患。驯服钟一般采用 GPS模式或 GPS／ 北斗双模形式。 卫星导航系统的星载钟具有极高的准确度(达 到 10 ～10一 )，通过接收机提取卫星系统的同步 时钟信号可作为校频的基准．但是卫星信号在传输 解调的过程中会注入随机噪声，卫星授时接收机输 出的秒信号包含的主要误差源有：卫星时钟误差、星 历误差、电离层的附加延时误差、对流层的附加延时 误差、多路径误差及接收机本身的误差等。这些误 差大都属于随机误差，会造成 GPS秒脉冲信号前沿 存在抖动量，最大可达 100 HS。 在鉴相前，驯服钟系统需要采用有效的滤波和 控制算法，对该秒信号的随机跳变进行平滑滤波处 理，滤除抖动量。常见的滤波算法有卡尔曼(kal— ITIEtn)滤波法、VONDARK滤波法、小波滤波法和基 于滑动平均值的滤波方法等。也有的驯服钟产品在 鉴相后进行滤波处理，滤除鉴相结果中的干扰和噪 声，得到可信、准确的相位比对值。 2．2．2 频率比对 一 在驯服钟系统中，频率比对是驯频的前提。频 率比对主要包括分频和比对过程。频率比对电路精 确完成对卫星定时信号和本地频标相位差的测量并 按照数学模型转换成电压差。 频率比对通常采用比时法，具体测量方法是：被 测频标首先进行分频，得到 I pps信号，将其与接收 机输出的 l pps进行高精度时间间隔测量，比较得 出两个秒信号的相位差。通过测量一段时间 内2 个 1 pps信号之间相位差的变化量 △f，可计算出被 测频标的频率准确度／4： A =Af／f=At／T=(tl—t!)／T 式中： ——频率偏差的绝对值； I厂——频标的标称频率值； △7 ——频率准确度 A； — — 校频的周期，比如 10 S比对 1次， 即 指 10 S； t ，t!——校频结束和开始时的相位差或时 差。例如 ：t1：0．60 s，t，=0．48 its，T=10000 S， 贝1：At=一0．12 bus，A=一0．12×10一。／10000： 一 1．2×10～⋯． 频率比对的结果一般也要由相应的数据处理电 路经过平滑、拟合等处理，滤除噪声，并根据晶振或 铷钟的压控灵敏度，计算出对应的电压控制值，准备 送给频标进行校准调节。 2．2．3 锁相环 ' 使振荡器的相位与参考信号的相位保持同步的 自动控制称为锁相，相应的电子电路称为锁相环路。 驯服钟的核心是锁相环。 锁相环(Phase Locked Loop，PLL)其实是一个闭 环的相位负反馈控制系统，由三个基本部分组成，即 鉴相器(Phase Detector，PD)、环路滤波器(Loop Fil— ter，LP)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator， VCO)，其组成框图如图2所示。 同 2 锁相环的基本构成 锁相环有模拟锁相环技术、全数字锁相环和数 模混合的锁相环。目前应用最为普遍的是数字锁相 环(DPLL)。锁相环的工作原理是：首先鉴相器把输 出信号 (t)和参考信号 ，(t)的相位进行比较，产 生一个反映两信号相位差 (t)大小的误差电压 (￡)， (t)经过环路滤波器的滤波得到控制电压 t)， ，(t)调整压控振荡器的频率向参考信号的 频率靠拢，直至最后两者频率相等，两相位同步实现 锁定。锁定后两信号之间的相位差 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为一固定的 稳态值。 驯服钟中“锁相环”的作用相当于手动校频时 反复测试、调整，直至准确度指标满足要求的过程。 2．2．4 异常情况的精度保持 驯服钟是由经过驯服的恒温晶振或铷标输出长 期稳定的时间和频率信息。驯服的基准是卫星授时 系统的时间信息，驯服的对象是恒温晶振或铷钟，驯 服的前提是卫星授时工作正常。 卫星授时有很多不稳定因素，随时会不可用。 在 GPS异常时，如随机误差引起的 GPS秒脉冲跳变 或 GPS接收机失锁(锁星失败)，驯服操作停止，此 时时钟虽然也输出秒信号，但其精度随时问推移会 越来越差。 “保持电路”的没计可以使驯服钟的工作状态， 在外部基准中断时，保持不变(主要是保持压控电 压调节端的电压不变)，继续输出稳定的时间频率 信号。保持电路可以通过阈值判别的方法实现。比 导弹试验技术 2011正 如设立门限值为 100 as，当鉴相器输出数据超过此 门限时，认为 GPS秒脉冲跳变或接收机失锁，此时 用上个时刻的鉴相结果作为当前的观测值，使锁相 环继续工作。但是保持电路维持高稳定的频率标准 的输出时间有限，如果外部卫星定时基准长时问异 常，频率标准就完全进入自由运行状态，其精度由内 部原有的频标(铷原子频标或晶振)决定。 3 -~llllt钟的特点及应用 采用 GPS+PLL方法得到的驯服钟，结合了卫 星定时信号的长期准确度高和铷标、恒温晶振短期 稳定度高的优点，弥补了频标的漂移老化特性带来 的时钟漂移，具有高准确度、高稳定度、低漂移的特 点，在时间同步应用领域迅速推广。 3．1 分类及特点 驯服钟根据内置的频率源不同主要分为两种： 内置晶振的驯服钟(驯服晶振)和内置铷标的驯服 钟(驯服铷钟)。其特点略有差别。 内置晶振的驯服钟在驯服状态下晶振老化现象 得到明显的抑制，校准后的晶振准确度明显优于校 准前的准确度，输出的10 MHz频率信号的准确度可 提高2～3个数量级，达到甚至优于5×10 ，相当 于铷钟的准确度，因此驯服晶振可以当铷钟使用而 价格却远远低于铷钟。但是在外部定时信号失锁状 态下，系统精度基本靠内置晶振保持，对精度要求很 高的场合可能无法满足要求。 内置铷标的驯服钟在驯服状态下频率准确度一 般可优于5×10 ，准确度提高不太明显，它的最大 优点在于长期稳定，无需人工守时校频。外部信号 失锁后精度由内置铷标保持，指标不会很快变差。 主要适用于时间同步精度要求高又不宜人工校频的 场合。但是对频标短期稳定度要求高的场合，应注 意这种类型的驯服钟在频率校准过程中可能会引起 的频率跳变和频率稳定度降低。 3．2 在时间统一系统的应用 太原卫星发射中心时间统一系统的部分站点配 置了驯服钟，主要用作高精度频率源的冗余配置，其 输出的秒信号也可以作为时统设备的外同步秒。主 要型号类型有：北京北斗欣舟时频公司的 BD6000 铷原子频标，北京寒江泰福时频公司研制的 SZ68A GPS铷钟，四川I星华时频公司研制的 XHTF1068C3 GPS／~斗定时测频接收机(内置晶振被 GPS／~L斗 信号驯服)等。 人工守时校频是每次任务前场区时统站的一项 重要工作。一般在任务实施发射前一周开始直到发 射结束，频标加电，连续开机。机房操作人员需要二 十四小时值班，每隔固定的时间测试本地钟与长波 或 GPS秒的时差，每天对测试值进行统计平均，计 算出本地频标的频差，然后手动调节，使频标的准确 度保持在指标要求范围内。 其实，人工守时是过去频标自守时能力差、本地 时间不容易保持情况下的一项制度。有了驯服钟以 后，时间的获取和保持都变得比较简单。人工守时 便可以简化，时统站的技术人员不需要夜间值班，频 偏也不需要人工测试、计算、校准，正常上班时间固 定监测频偏就可以了。一般驯服铷钟在 24小时内 可以达到稳定的驯服状态，因此守时时间也可以相 应缩短，大大减轻了工作人员的负担。 4 结束语 频标是时统站的基本设备之一，从晶振、铷标， 到驯服钟，设备自身的守时能力越来越强，从中可以 看出时频技术的进步。时钟驯服技术完美地结合了 卫星定时和频率标准的优点，无需人工校准就可以 长期保持很高的时间同步精度，是时频领域的一项 新技术发展分支。在实际应用时，应了解技术原理， 把握具体产品的特点，根据不同的需求，合理选购和 配置，更好地满足靶场试验对时频精度的要求。 参 考 文 献 周德海，崔保健，赵海鹰．GPS锁定晶振的数据处理方法研究[J]．宇航计测技术，2009，29(3)：3l一33． 党晓圆，单庆晓，肖昌炎，等．基于 GPS与北斗双模授时的压控晶振校频系统的研究与设计[J]．计算机测量与控制，2009， l7(11)：2246—2248． 曾 亮，孟庆杰，徐 伟．利用 GPS驯服校频技术提高晶振性能[J]．计量技术，2008(5)：6—8． 许国宏，李铁成，李 星．基于 GPS驯服技术的高稳频踪设计[J]．电子设计 工程 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