衛星導航系統中時間頻率系統的方法研究

王淑華，陳之純，郭芳，周明翔，江賢峰

衛星導航系統中時間頻率系統的方法研究

王淑華，陳之純，郭芳，周明翔，江賢峰

時間頻率系統在衛星導航系統中占有重要的地位，為保證地面運控系統高質量地穩定運行，時間頻率系統需提供高指標、高可靠性的基準信號，是地面運控系統中可靠性要求最高的系統。為滿足時間頻率系統的高可靠性，以及輸出信號的高指標要求，提出了一些創新的時間頻率控制方法，如：故障自動定位和處理技術、頻率信號和脈沖信號的無損切換技術、高分辨率脈沖信號相位調整技術、頻率信號低相位噪聲和脈沖信號低抖動技術、相位可控的頻率綜合技術。這些方法在實際中得到應用，并取得了很好的效果，提高了時間頻率系統的可靠性和輸出信號指標。

時間頻率系統；高指標；高可靠性；無損切換；

0 引言

衛星導航系統是當今世界最具發展前景和帶動性的高科技領域之一，是最能發揮軍民兩用作用的航天系統，已成為國家安全、經濟和社會發展不可或缺的重大空間信息基礎設施[1]。目前，它被廣泛應用于全球監測、航海、航空、安全、搜救等眾多領域，為人類帶來了巨大的社會和經濟效益。隨著衛星導航系統的越來越廣泛和深入的使用，人們對衛星導航系統的定時定位精度和可靠性的要求也越來越高。而時間頻率系統在衛星導航系統中占有重要的地位，是地面運控系統的心臟。為保證地面運控系統高質量穩定運行，時間頻率系統需為其他系統提供高指標高可靠性的基準信號，是地面運控系統中可靠性要求最高的系統。時間頻率系統輸出高精度的時間頻率信號也成為了衛星導航系統高精度的基本條件之一。因此，研究提高衛星導航系統中時間頻率系統可靠性和輸出信號指標的方法有重要的實際意義。

1 方法與研究

本文就當前衛星導航系統對時間頻率系統的要求，提出了一些創新的方法。這些方法使得時間頻率系統在輸出信號指標和可靠性方面有了長足的進步，完全滿足當前衛星導航系統對時間頻率系統精度的要求。

1.1 故障自動定位和處理技術及無損切換技術

由于電子元器件和接插件等老化以及使用壽命的限制，通過提高單機設備可靠性提高系統可靠性不現實。提高時間頻率系統的可靠性，重點還是在于改善時間頻率系統的可靠性模型。熱備份冗余方式可以將輸出異常的概率按單機異常概率的指數關系減少，從而提高系統可靠性。要保證最終輸出信號的穩定連續和信號的質量，還需要先進的判別和切換機制，即加強時間頻率系統對異常情況的自動判斷和準確定位能力。

1.1.1 故障自動定位和處理技術

故障的自動定位包括單機設備對輸入信號異常的準確

1）單機設備對輸入信號異常的判斷作為自動切換的判據，同時和其他檢測信息合并，向監控系統報告，為系統異常情況定位提供判據。在切換環節發現異常狀況時，由于電信號傳播速度很快，而異常通過網絡上報和人工干預的時間遠遠滿足不了要求，因此切換設備根據多路輸入信號之間的相互關系判別出哪一路信號可以確保正常，并在極短時間內根據切換規則自動進行無損切換，從而保證系統輸出信號的穩定和連續。故障自動定位和處理原理圖如圖1所示：

圖1 故障自動定位和處理原理圖

2）系統中一旦發生切換，則表明系統內部有設備異常，雖然這些異常通過設備切換后不影響系統的最終輸出，但系統已經處于亞健康狀態。為保證系統長期穩定運行，在這種狀態下，監控系統會對操作人員進行提示，對系統具體故障部位進行定位，對故障原因進行分析，幫助操作人員盡快排除異常情況。

1.1.2 頻率信號和脈沖信號的無損切換技術

目前，時間頻率系統在切換前后信號相位變化方面的要求已經達到10-9秒量級，而異常判別和切換電路所需要的時間也在10-9秒量級上，簡單的切換機制可導致頻率信號切換過程中相位噪聲和頻率變化，或者脈沖信號切換過程中丟失脈沖或引入毛刺。而頻率信號和脈沖信號的無損切換技術則可以克服以上問題。

頻率切換利用鎖相環原理并配以高速合理的異常判別和切換機制，在設備輸出級使用一個高性能的VCXO恒溫晶振，將該晶振的輸出作為設備的輸出，而其相位鎖定在輸入信號上。當這個鎖相環路選擇合適的環路參數時，既可以保證輸出信號的快速切換，又能夠保證在輸入信號異常而切換還未發生時輸出信號穩定，從而做到頻率信號切換前后信號相位和信號質量均能保持一致，實現無損切換。

脈沖信號無損切換技術的關鍵在于異常信號相對于切換動作先發后至。隨著芯片的高度集成和高速化，使得純硬件高速切換得以實現，再配合優化的切換規則，使得異常判別和切換響應時間大大縮減。通過合理設置時序，并通過增加驅動來提高抗干擾能力，可以保證切換動作發生在異常信號到達切換點之前，從而實現輸出信號不受異常信號影響，也不會引入毛刺或丟失脈沖。脈沖信號切換原理圖如圖2所示：

圖2 脈沖信號切換原理圖

脈沖信號切換規則如表1所示：

城市是長江經濟帶發展、長江大保護中非常重要的區域和環節，城市水問題已成為制約長江經濟帶生態文明建設的明顯短板，具有問題多、任務重、難度大的特點。隨著未來城鎮化水平不斷提高，城市規模持續擴大，長江經濟帶面臨的水安全和水生態環境形勢將愈發嚴峻。解決好城市水問題，建設城市水生態文明，對實現長江大保護背景下城市生態優先，綠色發展的可持續高質量發展具有重要意義。但從世界上美國、英國、日本等發達國家的水環境治理經驗看，水污染治理需要20年以上時間，而水生態恢復則需要更長時間，因此長江經濟帶城市水生態文明建設任重道遠。

表1 脈沖信號切換規則

故障自動定位和處理及無損切換技術在時間頻率系統應用過程中，在單個設備的輸入信號異常時，能快速做出判斷，并將輸入信號無損切換至正常的輸入，保證了下一級設備輸入信號的連續性和質量，提高了系統的可靠性。

1.2 高分辨率脈沖信號相位調整技術

要保證脈沖信號切換過程中相位變化在 10-10秒量級以內，首先要保證脈沖信號切換設備的多路輸入之間原始相位差在 10-10秒量級以內。這就要求脈沖信號具有高分辨率的相位調整能力，從而保證多個設備之間輸出信號相位的一致性。調頻移相技術可以實現高分辨率的脈沖信號相位調整，其分辨率可以達到10ps甚至更高。

由于時間和頻率之間存在關系式：

對等式兩邊微分，得到式：

在實際應用中，我們以差分ΔT、Δf替代dT、df，經變換有下式：

因此，只要有足夠的頻率調整分辨率Δf/f，就可以得到足夠的時間調整分辨率ΔT。在改變輸出信號的頻率后，經過一段時間的累積，信號相位就會發生改變。通過改變輸出信號的頻率達到精密移相目的，該方法可實現分辨率為10ps的精密脈沖相位調整，為信號的無損切換提供了保證。

1.3 頻率信號低相位噪聲和脈沖信號低抖動技術

時間頻率系統作為某系統地面運控系統的信號基準，必須為其他系統提供低相位噪聲的頻率信號和低抖動的脈沖信號，否則在經過高次倍頻后頻率信號將無法使用，或者由于脈沖信號抖動太大而影響定時定位的精度。與早期的時間頻率系統相比，當前的時間頻率系統的頻率信號相位噪聲在標準頻率 10MHz偏離 1Hz處，對相位噪聲的要求提高了10dBc/Hz；而對脈沖信號抖動的要求提高了一個量級。

要實現以上目標，重點在于整個信號鏈路上的環節都具有低相位噪聲和低抖動的性能。具體來說，在頻率信號產生到系統最終輸出環節，要求頻率信號源、頻率信號切換環節、頻率信號區分放大環節均具有低相位噪聲。在脈沖信號產生到系統最終輸出環節，要求脈沖信號產生環節、脈沖信號切換環節、脈沖信號分配環節均具有低抖動性能?？焖侔l展的集成電路技術和硬件電路設計理論使頻率信號低相位噪聲和脈沖信號低抖動得以實現。

1.3.1 頻率信號低相位噪聲技術

極低本征相位噪聲的器件為頻率信號的低相位噪聲提供了可能，通過選擇合適的器件，同時兼顧溫度系數、隔離度和信號完整性等影響，為頻率信號的處理和傳播提供良好的路徑。巧妙的電路原理設計和合理的布局布線降低頻率信號傳播過程中的反射，減少由阻抗不匹配和電磁兼容性問題引入的相位噪聲。實際應用中，時間頻率系統頻率信號輸出相位噪聲如圖3所示：

圖3 頻率信號相位噪聲測量圖

1.3.2 脈沖信號低抖動技術

選擇高驅動能力的器件，可以提高信號的抗干擾能力，并且通過改善信號的上升沿來減少相位抖動。在PCB設計中，布線是完成產品設計的重要步驟[2]。電路設計中充分考慮電磁兼容性和阻抗匹配，減少傳播通路上的反射[2,3]，尤其是在內部信號傳遞中利用差分形式收發信號，能極大降低確定性抖動的影響，消減信號通路上的干擾和串擾，對減少抖動可以起到很好的作用，從而實現脈沖信號從產生到輸出的所有環節均能保持低抖動。實際應用中，經過長距離傳輸的脈沖信號抖動在10-11秒量級。

頻率信號低相位噪聲和脈沖信號的低抖動技術確保時間頻率系統輸出高質量的頻率和脈沖信號，從而保證了衛星導航系統的定時定位精度。

1.4 相位可控的頻率綜合技術

通常，時間頻率系統提供標稱的標準頻率信號和脈沖信號，如5MHz、10MHz、1PPS、1PPM等。但隨著通信技術的發展，也要求時間頻率系統提供某些小數頻率的信號，這就必須利用頻率綜合技術。

頻率綜合中應用的加、減、乘、除都是整數運算，從簡單意義上來說，頻率綜合不會產生頻率誤差，可以復制基準頻率的準確度。但是實際上，頻率綜合任意環節中產生的相位噪聲和雜波輸出都會惡化輸出信號的頻譜純度，降低頻率穩定度。這些影響累積起來可能引起頻率綜合器的輸出相位變化。在時間頻率系統中，對頻率綜合器輸出頻率的相位與系統其他輸出相位之間的一致性有很高的要求，因此需要對頻率綜合器的輸出相位進行控制，使其可以根據系統提供的參考信號相位，實時調整自身的輸出信號相位，實現系統所要求的相位可控的頻率綜合技術。

相位可控頻率綜合器的原理如圖4所示：

圖4 相位可控的頻率綜合技術原理

與一般的頻率綜合器不同，其輸入參考信號除參考頻率外，還有一個參考相位輸入（在系統中是1pps），其輸出非整數的頻率信號，除要有極好的相位噪聲指標要求外，其輸出信號的相位要可控，即圖中的頻率信號fo和1pps脈沖信號間的相位差Δφ可控，實現相位可控的非整數頻率信號輸出。而此種頻率綜合器，在國內外均無產品提供。

2 總結

上述方法在某系統中取得了很好的效果，時間頻率系統的可靠性和輸出信號的指標都得到了大幅提升。頻率信號的相位噪聲在偏離中心頻率1Hz處的性能提升超過10dBc/Hz；脈沖信號抖動在 10-11秒量級；通過相位一致性和高精度相位調整技術的配合，切換前后的相位一致性達到10-10量級。目前，該系統經過了全面的試驗評估，驗證了時間頻率系統設計滿足衛星導航要求,主要性能指標達到了國內最高水平。

世界發達國家和地區均十分重視時間頻率系統的建設，將其作為衛星導航系統的關鍵技術進行研究和管理。隨著我國衛星導航系統在全球范圍覆蓋面的增加，時間頻率系統的性能也將隨之提升。

[1] 馮建國，鄧海峰，李泰清.淺談衛星導航系統[J].中國科技博覽，2015(10)：305.

[2] 水恒春，趙小珍，劉同旵.高頻電路設計中電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)研究[J].科技創新導報，2014(07)：21-24.

[3] 顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術——設計實踐[M]，北京：清華大學出版社，2004.6：42-56.

Research on Time and Frequency System in Satellite Navigation System

Wang Shuhua1,2, Chen Zhichun2, Guo Fang2, Zhou Mingxiang2, Jiang Xianfeng2
(1.Department of Computer Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China；2. Shanghai Astronomy Observatory of CAS, Shanghai 200030, China)

Time and frequency (T&F) system plays a key role in satellite navigation systems.

ignals of high quality and high reliability provided by T&F system are essential to the stable and continuous operation of the ground facility of the satellite navigation system. In this article, some innovative methods for controlling time and frequency signals are proposed to meet the stringent requirement on the quality and reliability of the reference signals provided by T&F system,e.g., fault identification and recovering technology, lossless switching technology of frequency and pulse signals, high precision phase adjustment technology and frequency synthesis technology with low phase noise. These technologies have been applied to various key projects and proved to be very effective for increasing the reliability of the T&F system and the quality of its output signals.

Time and frequency system； High quality； High reliability； Lossless switching；

TP311

A

1007-757X(2016)11-0057-03

2016.06.27）

王淑華（1975-），女，上海，中國科學院上海天文臺，高級工程師，研究方向：時間頻率技術研究，上海 200040

陳之純（1963-），男，上海，中國科學院上海天文臺，研究員，研究方向：時間頻率技術研究，上海 200040

郭 芳（1980-），女，湖南長沙，中國科學院上海天文臺，高級工程師，研究方向：時間頻率技術研究，上海 200040

周明翔（1982-），男，上海，中國科學院上海天文臺，高級工程師，研究方向：時間頻率技術研究，上海 200040

江賢峰（1971-），男，上海，中國科學院上海天文臺，高級工程師，研究方向：時間頻率技術研究，上海 200040