北斗GPS双模高精度时间同步系统设计研究

徐青

建贤思齐智能科技（上海）有限公司 上海 201499

摘要：文章对利用北斗GPS双模所设计时间同步系统进行了介绍，本系统在充分融合先进技术的基础上，通过模块化设计的方式，增加了平台所输出信号的数量、种类和精确度。事实证明，本系统的成功研发，使产品功能较少的局面被打破，通过为移动通信等领域及设备提供所需参考信号的方式，使时钟同步相关需求得到最大限度的满足，为行业乃至整个社会的发展助力。

关键词：高精度；北斗GPS双模；时间同步系统

前言：近几年，移动通信对同步高精度时间所提出需求较过去更高，基于GPS系统所制定解决方案，由于需要将GPS模块加装于基站内部，极易出现被环境因素干扰或精度降低的问题，无法为整网安全运行提供保证。由我国科研人员所设计北斗卫星，其核心功能为精密授时、快速定位和双向通信，其中，授时为定位及通信提供了技术支持，可使授时需求得到最大程度满足。由此可见，基于北斗卫星对原有同步系统加以改进势在必行。

1时间系统介绍

1.1模块构成

本系统的构成模块有①人机接口②电源模块③同步模块④输出模块，上述模块均经由时钟总线进行连接，考虑到互联模块数量较多，研究人员决定对I2C控制总线加以运用，与此同时，向功能模块传送TFDE所提供信号。下文将对各模块功能做详细说明，供相关人员参考：

1.1.1人机接口

人机界面的作用，主要是确保有状态显示需求或人工干预必要的任务可顺利完成。

1.1.2电源模块

作为向总线连接模块提供运行所需电力能源的主体，电源模块所提供稳定电压，以5V、9V以及12V较为常见。

1.1.3同步模块

接收机、接收引擎均属于同步模块，其功能主要是接收相对独立的系统所发出数据及电文，通过解析并计算的方式，获得相应的PPS信号与TOD信号，在将时钟保持所需高稳晶振、铷原子钟驯服的基础上，确保相关信号均可被挂接至时钟总线。上文所提到铷原子钟，其特点是具有理想可靠性及精度，通过充分结合时间同步、GPS授时等技术的方式，使频率信号更加准确且稳定。

1.1.4输出模块

对现有输出模块进行挂接处理，可确保PTP、PPS等信号得到及时且准确的输出。

1.2性能分析

要想使通信行业所需时钟同步系统得到持续发展，切记不可对GPS过分依赖，研究人员以GPS常见安全问题为依据，提出了相应的替代方案：其一，对GPS冗余和北斗卫星授时加以运用；其二，借助PTP技术，确保高精度时间可得到有效传递，为移动通信所具有可靠性与安全性提供保障。本系统创造性的对现有同步手段进行了结合，通过引入高稳晶振+铷原子钟的方式，确保自身具备长期稳定运行的条件^[1]。

除此之外，对比本系统及其他国家现有系统可知，本系统具有更加理想的稳定性和频率保持精确度，对比结果如下：

表 1 现有系统性能对比

项目	TEMEX	Symmetricom	OSA	北斗GPS
稳定性	1E-12	1E-12	1E-12	1E-12
准确性	1E-10~5E-10	1E-10~5E-10	1E-10~5E-10	1E-10~5E-12
PTP精度	100nS~1uS	100nS~1uS	100nS~1uS	100nS~1uS
NTP精度	0.5ms~10ms	0.5ms~10ms	0.5ms~10ms	0.5ms~10ms
脉冲精度	100ns	50ns	50ns	50ns
无缝切换	不具备	不具备	不具备	具备
保持准确性	1E-10~5E-10	1E-10~5E-10	1E-10~5E-10	1E-10~5E-10
维护便捷性	优	优	优	优

2时间系统技术探析

本文所研究时间系统，在设计阶段先后运用了无缝切换、精密测控和间隔测量等先进技术，旨在为系统有效性提供有力保证。

2.1无缝切换

该技术的作用，主要是确保即便出现信号中断的突发情况，系统仍然能够继续运行。现阶段，该技术主要被用来对北斗卫星、GPS和地面链路所传递时间信号进行处理。上述系统的共性特征是有相对独立的时钟源，因此，对其进行切换时，出现较大突变的情况时有发生，而突变是影响系统运行效率的主要原因。由此可见，对能够平滑过度的切换技术加以运用很有必要，这样做可最大程度减弱突变所带来影响，避免不必要损失出现。

本系统所采用组合模块，具有对自身状态进行智能切换的功能，可准确判别GPS及北斗系统所处工作状态，基于不同状态所展示出特点和需求，提供可被用来对时间基准进行高效配置的方法。一旦北斗授时出现无法运行或是稳定性较差的情况，系统便能自行向GPS进行切换；若GPS及被动系统均受到外界严重干扰，还可借助高稳晶振、铷原子钟，使自身维持稳定运行状态，并对高精度的时间信号与频率进行输出。基于无缝切换相关技术完成状态的切换，将切换精度提高到1ns左右，输出信号跳变还有其他常见问题随之得到解决。

2.2精密测控

TFDE是系统核心部分，在对卫星参考时间进行获取的基础上，利用频率测控相关算法，先测量振荡器输出信号，再向参考秒脉冲同步调节所得信号，确保经由振荡器所输出信号，具有长期稳定性和理想准确性。

2.2.1引擎组成

（1）振荡器

主要被用来对频率原始参考信号进行提供。经过分频处理的信号，通常会被送至TIC，通过比对授时接收机的方式，确定时差。另一路信号则被送至同步模块，输出后，成为TFDE比对频率与时间所参考主要基准。与此同时，本振还创造性的引入了时钟信号，确保测量模块具有参考依据。振荡器1s稳定性满足5E-12的要求，日老化率约为5E-10，若对保持性能、准确率有更高要求，在条件允许的情况下，可对铷原子钟加以使用，其日老化率为1E-12^[2]。

（2）接收器

向TFED提供有参考价值的时间溯源信号，研究人员出于提升可靠性的考虑，遂决定对北斗接收机加以使用。

（3）微处理器

负责监测卫星接收机所处状态，基于授时参考源对应状态，在对TFDE模式加以调整的基础上，如实输出其工作状态及相关信息。

（4）同步模块

以微处理器所发出命令、驯服算法为依据，对本振所输出频率进行调整，向时间参考源同步调整所得1pps信号。

（5）间隔测量

对本振分频秒与北斗接收机存在秒脉冲时差进行测量，保证测量精度较1ns更接近理想水平。

（6）驯服算法

以间隔模块所测量间隔结果为依据，对本振频率精准度等信息进行计算，并给出相应的评估结论。

2.2.2模式分析

TFDE有三种工作模式，分别是自由运行、跟踪和保持。若参考时钟源处于不可用状态，TFDE将转为自由运行，基于晶振所固有运动性能，对时间信号以及参考频率进行输出。

开机并经过20min预热后，在本振、参考时钟源处于正常运行状态的前提下，TFDE状态变为跟踪，通过对内置振荡器所输出频率进行实时测量与调校的方式，保证输出频率和参考时钟满足精密同步要求，随后，对频率及时间保持同步的高精度信号进行输出^[3]。

该系统创造性的加入了保持算法，通过跟踪晶振的方式，对漂移等晶振固有特性进行学习，随后，将相关参数存储于存储器内部，若参考时钟源出现不可用情况，设备将由跟踪状态转为保持状态，由内置晶振向提供所需同步信号，并保证信号具有理想精度。

2.3间隔测量

本系统所采用时间计数方法为间隔技术，特点为双内插，借助TDC芯片联合FPGA，为TIC优势得到充分发挥助力，其测量精度为1ns。

由本地所发送并接收的1pps信号，经由同轴电缆进入测量系统，在顺利通过阻抗匹配电路、信号隔离电路后，方可到达高速比较器。而高速比较器的作用，主要是①接收差分电平脉冲②分别将STOP脉冲、START脉冲送至相应的TDC芯片及FPGA。FPGA对间隔进行测量所使用方法为双内插计数，该方法具有良好的精确度。带测量间隔位于STOP上跳沿和START上跳沿间，对二者进行计算，便可明确计数器对应计数使能具体区间。一般情况下，计数器前后时间段对应时间区间，可被送至TDC，通过量化精确时间的方式，获得N_A数值与N_B数值^[4]。另外，二者的量化步长为τ_A及τ_B。这里要注意一点，若时间区间较计数器对应时钟周期略大，则不满足量化处理条件。计数器对应时钟周期可用T₀加以表示，计数结果则用N_C代替，则：

STOP脉冲、START脉冲、参考时钟上升沿间，通常有待量化间隔存在，该间隔可被送至TDC芯片进行处理，该芯片的职能，便是对时间间隔进行测量。若无特殊要求，可经由相同TDC完成间隔的初次测量与再次测量，随后，由FPGA提供符合控制信号需求的比较器，达到复用目的。在FPGA内部，设有计数器、双内插器和大量电路接口，其中，计数器的作用是参考时钟进行计数，基于双口RAM对计数结果进行存储，随后，将CPU中断，经由CPU完成对预定地址存储计数结果进行读取的任务。由此可见，CPU在该系统中所扮演角色，主要是处理系统控制、计算测量值的相关工作，包括但不限于①通过串口对数据进行输出②利用FPGA对DAC输出电平进行调节。

结论：通过上文的叙述可知，本文所研究系统借助无缝切换、频率测控和间隔测量等技术，通过以用户需求为依据，对授时、GLONASS等模块进行配置的方式，在保证授时可靠且精确的基础上，使GPS所具有安全隐患得到了克服。研究表明，本系统具有较多数同类产品更加理想的性能，可为移动通信等领域提供服务，能够预见的是，随着科技的进步和北斗系统的完善，本系统将替代GPS，为经济和军事发展提供有力支持。

参考文献：

[1]苏日古格,于新海,王睿聪,等.基于STM32单片机的北斗/GPS双模定位系统设计及测试[J].信息与电脑(理论版),2021,33(01):123-125.

[2]苟长龙,陈好宏,张宁锋,等.北斗（BDS）与GPS实时载波相位差分定位精度分析[J].经纬天地,2020(06):18-21+26.

[3]陈英杰,乔波,王健.基于GPS/北斗的水下探测器定位技术研究与应用[J].现代工业经济和信息化,2020,10(11):13-14+20.

[4]周玉泉,周志杰,郭可才,等.北斗导航授时的移动激光雷达测量系统时间同步装置设计[J].红外与激光工程,2020,49(S2):33-42.