淺談基于高精度數字化航空時鐘的應用設想

摘 要：從航空時鐘的概念入手，闡述現代航空時鐘的發展，并且根據實際應用，提出可北斗衛星校時高精度數字化航空時鐘應用設想。

關鍵詞：航空時鐘；高精度數字化；可北斗衛星校時

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

1 發展背景

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展，航空機載儀表設備也日趨現代化，尤其是屏幕顯示儀表的應用明顯增加，使傳統的航空時鐘逐漸發展為趨于集成化、小型化、數字化、高精度以及可采用衛星校時的多功能混合顯示時鐘。

北斗導航衛星定位系統是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統，可在全球范圍內全天候、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，已經初步具備區域導航、定位和授時能力。基于北斗衛星定位系統為飛機上各種設備校時的高精度數字化航空時鐘，成為航空時鐘在軍事應用上的重要發展方向。

2 國內外現狀

目前，我們大部分飛機仍然使用的是傳統機械時鐘，需要在使用前上好發條才能計時，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生震蕩信號，經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齒輪傳動系帶動現時秒、分、時針轉動以指示現在時間。在實現測時或航時功能時，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、脫離來實現測時或航時的啟動、停止。通過回零簧的運動來實現測時或航時的回零。

國外的航空時鐘早期也采用傳統機械時鐘，目前多被可GPS衛星校時的全數字化航空時鐘所取代。

3 高精度數字化航空時鐘的優勢

高精度數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，保持不間斷的連續計時，具有掉電保護功能，即使機上電源關閉，數字時鐘內部的備用電源仍將維持時鐘繼續工作。時鐘未使用衛星校準時，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。通過衛星系統校準時，精度可達10-6秒級，使得授時后的時間精度遠遠高于傳統航空時鐘。如此高精度的時間基準還可應用于機群系統的其他時間應用，如時鐘同步。全數字化顯示和控制，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星定位系統的日趨成熟，可北斗衛星校時的高精度數字化航空時鐘成為航空時鐘今后的主要發展趨勢。

4 應用設計

可北斗衛星校時的高精度數字化航空時鐘是一臺全數字化航空時鐘，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，內部備用電源可使時鐘繼續長時間運行，其機芯內數字化的結構使得時鐘可以獲得高精度的現在時間以及計算精確的航行時間。時鐘內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，時鐘內的北斗接收模塊在通過衛星的校準后，可以獲取更精準的時間。根據特殊用戶需要，還可以提供北斗高精度時間、經緯度、高度及飛行速度等。

可北斗衛星校時的高精度數字化航空時鐘包含高精度的標準時頻裝置和衛星信號校時系統。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”高穩晶振的漂移等特性，并將這些參數存入板載存儲器中。當衛星信號出現異常或不可用時，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。衛星信號校時系統除了原有的時鐘系統外，還具有可北斗衛星校時的選件，通過接收與解調北斗衛星信號，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，如瞬態記錄系統，超視距攻擊系統等。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。其中包括北斗衛星定位及接口輸出算法、協議結算及時間提取同步算法、主從機數據傳輸及通信算法、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化。