一種授時守時板卡設計及實現

霍海強 王敬 趙巖

摘要：針對用時設備高精度時頻信號需求，設計了一種基于衛星導航系統（GNSS）的銣鐘授時守時板卡。板卡利用導航接收機授時秒脈沖（1PPS）長期穩定度高的特點，結合銣鐘優良的短期穩定度和低漂移率特性，以接收機1PPS為基準對銣鐘進行實時控制，進而生成高精度時頻信號，對外提供高精度時頻服務。當衛星信號丟失后，根據歷史馴服數據調整銣鐘頻率實現高精度守時。測試結果表明，板卡授時精度優于20 ns，馴服期間瞬時頻率準確度優于2×10-10，守時精度優于1μs/d。

關鍵詞：馴服；授時；守時

中圖分類號：TN253文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-60-4

0引言

時間是物理學中7個基本物理量之一，與人們的日常生活、科技發展密切相關。隨著技術探索的進步，在測控與通信系統領域，對時間頻率基準的精度要求越來越高[1]。氫鐘及銫鐘是高性能時間頻率基準首選，但體積較大、對環境要求嚴格且成本較高[2]；銣鐘及晶振短期穩定度較好，但老化指標較差，難以滿足長期守時、長期穩定度指標[3-4]，與氫鐘、銫鐘相比，銣鐘老化指標相對較差[5-6]，可維持一段時間守時，晶振老化指標最差，守時性能最差，但晶振成本最低。基于以上分析，設計了一種接收機加銣鐘的板卡作為本地時間頻率基準，接收機通過接收衛星信號校準本地銣鐘頻率[7]，并輸出高精度授時信號。當衛星信號消失后，根據歷史馴服數據進行高精度守時，通過上述設計為用時設備提供完成高性能授時守時信號。

本文分析了基于導航系統的銣鐘馴服技術基本工作原理，針對實際應用及銣鐘馴服特點，完成了硬件設計及軟件設計，在軟件中設計PID控制算法及守時算法[8]，對板卡授時性能、守時性能進行了驗證。

1系統設計

1.1板卡總體設計

授時守時板卡主要由接收機單元、馴服單元和銣鐘組成，接收機單元通過天線接收衛星信號，完成定位后輸出1PPS+TOD信息給馴服單元，馴服單元對接收機1PPS和本地銣鐘分頻1PPS進行時差測量，進而獲得銣鐘頻偏并對其進行校正，然后以銣鐘時鐘為基準生成授時信號，對外提供高精度時頻服務，如圖1所示。

1.2硬件設計

授時守時板卡由DC/DC電源模塊、銣鐘原子鐘、時差測量芯片（TDC）、FPGA、ARM、電平轉換芯片等組成，DC/DC電源模塊將外部輸入12 V轉換為5 V，3.3 V，1.8 V，為整板各個器件供電；時差測量芯片實時測量本地1PPS與外部輸入接收機1PPS的時差，為銣鐘馴服提供數據支撐；銣鐘接受FPGA+ARM時鐘控制指令完成頻率信號的校準；FPGA和ARM為板卡處理控制核心，完成整板邏輯、時序、算法和控制。授時守時板卡硬件設計如圖2所示。

衛星信號正常情況下，接收機定位授時輸出參考1PPS+TOD，FPGA+ARM使用TDC測量參考1PPS與銣鐘10 MHz分頻1PPS的相差，獲得銣鐘與參考1PPS的相差，根據相差信息馴服銣鐘頻率獲得高精度1PPS同步信號及高準確度10 MHz頻率信號，以馴服1PPS、10 MHz及參考TOD為基準生成1PPS+TOD，B碼，NTP等授時信號，當衛星信號消失后，根據歷史馴服數據進行守時。

1.3軟件設計

授時守時板卡在外部參考信號正常且銣鐘鎖定的情況下，馴服本地銣鐘生成授時信號，衛星信號消失后，進入守時狀態。在板卡實際應用過程中，由于存在多種情況，因此需設計合理的軟件處理流程來應對各種外在因素，使板卡盡可能輸出高精度授時信息。基于以上考慮，板卡軟件流程如圖3所示。

①板卡上電后，首先要檢測銣鐘是否鎖定。當銣鐘未鎖定時，其輸出頻率變化很大，不具備馴服條件，故不對銣鐘進行任何調整。

②銣鐘未鎖定且外部時間無效時，直接輸出本地時間；銣鐘未鎖定且外部參考時間有效時，以銣鐘10 MHz對外部時間進行粗同步，并維持、輸出本地時間信息。

③銣鐘鎖定后，若參考有效則進入馴服狀態，并輸出高精度授時信號；若參考無效，則判斷上一秒是否為馴服狀態。若是馴服狀態則根據馴服數據調整銣鐘頻率并進行守時，否則直接輸出本地授時時間信號。

④完成以上操作后，重新判斷銣鐘是否鎖定，開始下一循環。

時鐘馴服算法是基于本地銣鐘與外部參考相差、頻偏獲得本地銣鐘參考量，并對本地銣鐘進行馴服，授時守時板卡采用PID算法完成頻率馴服，如圖4所示[9-10]。（ ）是TDC測得的相差進行平均濾波的結果，Δ（ ）是相對調整量。對（ ）進行濾波的原因在于，接收機輸出1PPS抖動較大，若直接將其送入PID將導致銣鐘調整過于劇烈，會破壞銣鐘短期穩定度，因此需要對（ ）進行濾波，然后將濾波結果送入PID。