時間碼現場校準技術研究

沈小青，李世光，李大珍，王 超，王志虎，邱 斌，余清華，夏 偉

（1.中國衛星海上測控部，無錫214431；2.北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引言

利用各種格式的時間碼進行高精度的時間傳遞，可實現不同系統不同設備間的時間同步。隨著時間碼設備在武器系統、電力系統及航空航天等領域的廣泛應用，時間碼的同步精度也在不斷提高，急需對其同步精度進行校準以評估其指標和性能［1］；此外，時間碼設備的使用環境對時間可用性及延續性要求極高，很多場景下時碼設備需長期加電連續運行，無法拆卸搬運至試驗室進行計量校準，因此對時間碼的現場校準是一個很急迫且現實的需求。

目前，國內外時間碼設備和時間碼碼型類別眾多，校準方法大多采用拆卸后搬運至計量實驗室校準的方法，存在測試周期長、校準場地固定等問題；部分場景下采用現場計量服務，但仍存在著難以獲取精確的時間參考的問題。

在此給出一種對時間碼進行現場高精度校準的方法，采用北斗共視技術和馴服技術，遠程獲取精確的內部時間基準，解決現場校準難以獲取高精度參考源的難題。時碼校準裝置進一步對多種時間碼信號解調恢復出1PPS，通過高精度時間數字轉換器測量其與內時基的時差，完成對時間碼的現場校準。

2 時間碼現場校準原理

時間碼現場校準裝置通過北斗共視接收機馴服內部銣原子鐘［2］，獲取高精度的內部時間基準；時間碼解調模塊對各鐘時間碼進行解調恢復出1PPS 信號和年月日時分秒時間信息；通過高精度時間間隔測量模塊，得到解調1PPS 與內時基1PPS 的時差。系統原理如圖1所示。

圖1 時間碼現場校準原理框圖Fig.1 Block diagram of time code field calibration

2.1 時間碼解調

時間碼解調模塊可以對1PPS、B（DC）碼、B（AC）碼、TOD、1PPS ＋TOD、PTP／NTP 等時間碼信號進行解調，從而滿足多種格式時間碼的測量需求［3-7］。以下主要介紹B（DC）碼和B（AC）碼的解調。

2.1.1 B（DC）碼解調

B（DC）碼為脈寬調制的方波信號，幀周期為一秒，每個碼元寬度為10 ms，每幀包括100 個碼元［8］。碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿，幀的參考標志由一個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8 ms；每10 個碼元有一個位置識別標志，它們均為8 ms 時寬；二進制“1”的脈沖寬度為5 ms，“0”的脈沖寬度為2 ms。每幀時間格式的幀起始是連續2 個8 ms 寬脈沖。時、分、秒均用BCD碼表示，低位在前，高位在后；個位在前，十位在后。時序如圖2所示。

圖2 B（DC）碼時序圖Fig.2 Timing Diagram of B（DC）code

FPGA 通過判斷輸入B（DC）碼信號的脈寬，將B（DC）碼信號分解為幀標志位“P 碼”、數據“0”和數據“1”。當判斷幀標志位為幀頭時，將各數據位存入相應的存儲器獲得秒信息、分鐘信息、小時信息、天信息和年信息等，并根據幀頭位置獲取1PPS。B（DC）碼的年信息的個位在奇數秒幀信息中，而十位在偶數秒幀信息中，因此需要一奇一偶兩幀才能獲取完整的年信息。

2.1.2 B（AC）碼解調

為改善B（DC）碼傳輸距離短，將B（DC）碼進行調制，從而形成B（AC）碼。因此B（AC）碼是在B（DC）碼的基礎上采用了1 kHz 的正弦信號進行調制，B（AC）碼波形圖如圖3所示。碼元周期為10 ms，載波周期為1 ms，載波頻率為碼元的10 倍，因此一個碼元對應10 個正弦波周期。在正弦波上采用幅度調制，標準的調制比為10 ∶3，常用的調制比還有2 ∶1，3 ∶1，4 ∶1，5 ∶1，6 ∶1 等。B（AC）碼的正弦信號過零點與直流B 碼的起始碼元的脈沖信號的上升沿保持一致，過零點代表B（AC）碼的碼元起始點。高幅調制在前，低幅調制在后。8 個周期的高幅調制代表P 碼，5 個周期的高幅調制代表邏輯“1”，2 個周期的高幅調制代表邏輯“0”。第一個周期的過零點代表該碼元的起始點。

圖3 B（AC）碼格式示意圖Fig.3 Schematic diagram of format of B（AC）code

時間碼測量校準裝置采用模數轉換器件，將B（AC）碼的正弦信號轉換為FPGA 可識別的數字信號，再由FPGA 解析出碼元中包含的時間信息，解調過程與B（DC）碼一致。

2.2 測量不確定度來源

由圖1 可知，時間碼現場校準的不確定度主要取決于內部時基的最大允許誤差、時差測量的最大允許誤差和時間碼解調的最大允許誤差。其中時差測量通過專用的時間數字轉換器，其時差測量的最大允許誤差為±1 ns；而時碼解調的最大允許誤差主要取決于時間碼格式；內部時基鎖定于北斗共視接收機輸出的1PPS，因此內時基的最大允許誤差取決于接收機1PPS 的定時偏差。

3 基于北斗共視＋馴服的參考時基獲取

3.1 北斗共視法獲取與UTC（BIRM）時差

時間碼現場校準的參考時基通過北斗定時接收機獲取。對于常規定時接收機，由于受到星歷誤差、星鐘誤差和電離層／對流層傳播誤差等的波動，在一天內定時接收機輸出的1PPS 波動約為±50 ns。

通過北斗共視獲取與UTC（BIRM）時差原理如圖4所示。本地共視接收機測量銣鐘輸出1PPS 與北斗星載原子鐘的時差，遠端共視接收機測量UTC（BIRM）與同一顆北斗星載原子鐘的時差，通過共視時差比對網絡，即可得到銣鐘輸出1PPS 與UTC（BIRM）的時差。利用北斗共視技術，可以有效消除星歷誤差、星鐘誤差，并能消除大部分電離層／對流層傳播誤差，也可大大降低內部時間基準的不確定度。

圖4 北斗共視法獲取與UTC（BIRM）時差原理框圖Fig.4 Block diagram of time difference measurement relative to UTC（BIRM）based on Beidou common view method

3.2 基于共視時差補償的銣鐘馴服

時間碼現場校準以銣原子鐘輸出信號作為參考時間信號。自由運行的銣原子鐘由于自身的準確度和漂移，只能作為二級頻標，且其輸出的1PPS具有隨機相位，因此必須對銣鐘進行馴服［9-12］。

常規馴服以定時接收機的1PPS 為參考，由于受導航衛星星鐘星歷誤差和大氣傳播誤差影響，導航接收機的1PPS日波動較大，馴服鎖定后的銣鐘準確度和1PPS 相位也跟隨接收機波動。其次，接收機還存在固有的接收機時延問題，未校準時會引入較大的定時偏差。

銣鐘馴服原理框圖如圖5所示。基于北斗共視比對獲取的本地1PPS 與UTC（BIRM）時差，可對接收機1PPS 的相位誤差進行補償，從而有效消除衛星誤差和大氣傳播誤差的影響。利用卡爾曼濾波技術對時差補償后的數據進行濾波，通過比例積分控制算法產生原子鐘控制調整量，對原子鐘進行頻率調整，使得原子鐘的輸出頻率鎖定在外部時間源的1PPS 信號上。

圖5 基于共視時差補償的銣鐘馴服原理框圖Fig.5 Block diagram of disciplined rubidium clock based on Beidou common view time difference compensation

基于共視時差補償后的馴服銣鐘，輸出1PPS的相位波動受到抑制，相位偏差得到補償，可作為現場校準的時間參考源。

3.3 實驗分析

3.3.1 常規馴服模式

設置銣鐘為常規馴服模式，即關閉北斗共視比對時差的補償功能，但仍通過共視比對鏈路對馴服銣鐘輸出的1PPS 進行時差比對。未用共視時差補償的24 h 馴服比對結果如圖6所示。

圖6 常規馴服銣鐘的時差比對結果圖Fig.6 Result of time difference comparision from conventional disciplined rubidium clock

圖6 中，相鄰兩個比對結果間隔16 min，即每16 min進行一次時差比對，分析24 h 的比對結果，最大偏差為-22 ns，最小偏差為-62 ns，均值為-37 ns。

3.3.2 基于北斗共視時差補償的馴服模式

設置銣鐘為北斗共視時差補償馴服模式，即打開北斗共視比對時差的補償功能，同時通過共視比對鏈路對馴服銣鐘輸出的1PPS 進行時差比對。基于共視時差補償的24 h 馴服比對結果如圖7所示。

圖7 共視補償后的馴服銣鐘時差比對結果圖Fig.7 Result of time difference comparision from disciplined rubidium clock based on Beidou common view compensation

圖7 中，相鄰兩個比對結果間隔16 min，即每16 min 進行一次時差比對，分析24 h 的比對結果，最大偏差為10 ns，最小偏差為-9 ns，均值為2 ns。

3.3.3 數據分析

對兩種方法的結果進行比對分析，數據比對如表1所示。實驗中的北斗共視比對鏈路已經過校準，共視鏈路比對不確定度優于3 ns。

表1 兩種方法的結果比對Tab.1 Results comparision of the two methods（單位：ns）

由表1 可見，常規馴服模式的時差峰峰值為40 ns，均值為-37 ns。而基于北斗共視時差補償的馴服模式時差峰峰值為19 ns，均值為2 ns。采用共視時差補償后的結果，時差波動即峰峰值相對于補償前縮小了1 倍；且基于共視比對時差可有效補償接收機的內部時延，因此均值也從-37 ns 提升到了2 ns。

可見，采用共視時差補償后的內部時基1PPS相對于UTC（BIRM）的定時偏差不超過10 ns，該值對時間碼的現場校準具有十分重要的意義，影響最終的時碼測量不確定評估。

4 測量不確定度評估

4.1 1PPS 信號測量不確定度

1PPS 信號測量不確定度主要來源于設備內部時基1PPS 定時偏差的最大允許誤差和TDC 時差測量的最大允許誤差，如表2所示。

表2 1PPS 信號測量不確定度Tab.2 Uncertainty of 1PPS measurement

通過北斗共視時差比對校準，設備內部時基1PPS（含天線及接收機）的最大允許誤差為±10 ns，按均勻分布，包含因子為，則設備內部時基1PPS 引入的不確定度分量u1為5.8 ns。TDC時差測量最大允許誤差為±1 ns［13］，按均勻分布，包含因子為，則TDC 時間測量最大允許誤差引入的不確定度分量u2為0.6 ns。重復性引入的分量uA為0.1 ns。以上影響分量相互獨立不相干，因此，1PPS 信號測量的合成標準不確定度的計算公式為［14-16］：

經分析，1PPS 信號測量的擴展不確定度為11.6 ns，k＝2。

4.2 B（DC）碼測量不確定度

B（DC）碼信號測量不確定度主要來源于設備內部時基1PPS 定時偏差的最大允許誤差、TDC 時差測量的最大允許誤差和B（DC）碼解調的最大允許誤差。

B（DC）碼解調模塊由FPGA 實現，設備FPGA工作時鐘為100 MHz，因此B（DC）碼解調的最大允許誤差為±10 ns，按均勻分布，分布因子為，則B（DC）碼解調引入的不確定度分量為5.8 ns。其他各項的不確定分析與1PPS 信號類似，且各影響分量相互獨立不相干，合成標準不確定度參考式（1）計算。

表3 B（DC）碼測量不確定度Tab.3 Uncertainty of B（DC）measurement

經分析，B（DC）碼測量的擴展不確定度為16.4 ns，k＝2。

4.3 B（AC）碼測量不確定度

B（AC）碼信號測量不確定度主要來源于設備內部時基1PPS 定時偏差的最大允許誤差、TDC 時差測量的最大允許誤差、ADC 采樣的最大允許誤差和B（AC）碼解調的最大允許誤差。

表4 B（AC）碼測量不確定度Tab.4 Uncertainty of B（AC）measurement

ADC 采樣時鐘使用1 MHz 時鐘，因此ADC 采樣的最大允許誤差為±1 μs，按均勻分布，分布因子為，則ADC 采樣引入的不確定度分量為580 ns。B（AC）碼解調模塊由FPGA 實現，設備FPGA 工作時鐘為100 MHz，因此B（AC）碼解調的最大允許誤差為±10 ns，按均勻分布，分布因子為，則B（AC）碼解調引入的不確定度分量為5.8 ns。其他各項的不確定分析與1PPS 信號類似，且各影響分量相互獨立不相干，合成標準不確定度參考式（1）計算。

經分析，B（AC）碼測量的擴展不確定度為1.2 μs，k＝2。

5 結束語

基于本方法研制的現場校準裝置，其內部時基相對于UTC（BIRM）的定時偏差優于10 ns，1PPS 和B（DC）測量不確定度小于20 ns，B（AC）測量不確定度小于1.5 μs。該裝置在時間碼校準方面具有使用便攜、可現場校準、周期短和測量精度高等優點，能夠滿足眾多時間碼的現場校準需求。