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摘要：针对用时设备高精度时频信号需求，设计了一种基于卫星导航系统（GNSS）的铷钟授时守时板卡。板卡利用导航接收机授时秒脉冲（1PPS）长期稳定度高的特点，结合铷钟优良的短期稳定度和低漂移率特性，以接收机1PPS为基准对铷钟进行实时控制，进而生成高精度时频信号，对外提供高精度时频服务。当卫星信号丢失后，根据历史驯服数据调整铷钟频率实现高精度守时。测试结果表明，板卡授时精度优于20 ns，驯服期间瞬时频率准确度优于2×10-10，守时精度优于1μs/d。
关键词：驯服；授时；守时
中图分类号：TN253文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）16-60-4
0引言
时间是物理学中7个基本物理量之一，与人们的日常生活、科技发展密切相关。随着技术探索的进步，在测控与通信系统领域，对时间频率基准的精度要求越来越高[1]。氢钟及铯钟是高性能时间频率基准首选，但体积较大、对环境要求严格且成本较高[2]；铷钟及晶振短期稳定度较好，但老化指标较差，难以满足长期守时、长期稳定度指标[3-4]，与氢钟、铯钟相比，铷钟老化指标相对较差[5-6]，可维持一段时间守时，晶振老化指标最差，守时性能最差，但晶振成本最低。基于以上分析，设计了一种接收机加铷钟的板卡作为本地时间频率基准，接收机通过接收卫星信号校准本地铷钟频率[7]，并输出高精度授时信号。当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行高精度守时，通过上述设计为用时设备提供完成高性能授时守时信号。
本文分析了基于导航系统的铷钟驯服技术基本工作原理，针对实际应用及铷钟驯服特点，完成了硬件设计及软件设计，在软件中设计PID控制算法及守时算法[8]，对板卡授时性能、守时性能进行了验证。
1系统设计
1.1板卡总体设计
授时守时板卡主要由接收机单元、驯服单元和铷钟组成，接收机单元通过天线接收卫星信号，完成定位后输出1PPS+TOD信息给驯服单元，驯服单元对接收机1PPS和本地铷钟分频1PPS进行时差测量，进而获得铷钟频偏并对其进行校正，然后以铷钟时钟为基准生成授时信号，对外提供高精度时频服务，如图1所示。
1.2硬件设计
授时守时板卡由DC/DC电源模块、铷钟原子钟、时差测量芯片（TDC）、FPGA、ARM、电平转换芯片等组成，DC/DC电源模块将外部输入12 V转换为5 V，3.3 V，1.8 V，为整板各个器件供电；时差测量芯片实时测量本地1PPS与外部输入接收机1PPS的时差，为铷钟驯服提供数据支撑；铷钟接受FPGA+ARM时钟控制指令完成频率信号的校准；FPGA和ARM为板卡处理控制核心，完成整板逻辑、时序、算法和控制。授时守时板卡硬件设计如图2所示。
衛星信号正常情况下，接收机定位授时输出参考1PPS+TOD，FPGA+ARM使用TDC测量参考1PPS与铷钟10 MHz分频1PPS的相差，获得铷钟与参考1PPS的相差，根据相差信息驯服铷钟频率获得高精度1PPS同步信号及高准确度10 MHz频率信号，以驯服1PPS、10 MHz及参考TOD为基准生成1PPS+TOD，B码，NTP等授时信号，当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行守时。
1.3软件设计
授时守时板卡在外部参考信号正常且铷钟锁定的情况下，驯服本地铷钟生成授时信号，卫星信号消失后，进入守时状态。在板卡实际应用过程中，由于存在多种情况，因此需设计合理的软件处理流程来应对各种外在因素，使板卡尽可能输出高精度授时信息。基于以上考虑，板卡软件流程如图3所示。
①板卡上电后，首先要检测铷钟是否锁定。当铷钟未锁定时，其输出频率变化很大，不具备驯服条件，故不对铷钟进行任何调整。
②铷钟未锁定且外部时间无效时，直接输出本地时间；铷钟未锁定且外部参考时间有效时，以铷钟10 MHz对外部时间进行粗同步，并维持、输出本地时间信息。
③铷钟锁定后，若参考有效则进入驯服状态，并输出高精度授时信号；若参考无效，则判断上一秒是否为驯服状态。若是驯服状态则根据驯服数据调整铷钟频率并进行守时，否则直接输出本地授时时间信号。
④完成以上操作后，重新判断铷钟是否锁定，开始下一循环。
时钟驯服算法是基于本地铷钟与外部参考相差、频偏获得本地铷钟参考量，并对本地铷钟进行驯服，授时守时板卡采用PID算法完成频率驯服，如图4所示[9-10]。（ ）是TDC测得的相差进行平均滤波的结果，Δ（ ）是相对调整量。对（ ）进行滤波的原因在于，接收机输出1PPS抖动较大，若直接将其送入PID将导致铷钟调整过于剧烈，会破坏铷钟短期稳定度，因此需要对（ ）进行滤波，然后将滤波结果送入PID。
根据守时模型，铷钟相差、频差、频率漂移率决定铷钟守时精度，因此守时算法关键在于获得三者准确的值。授时守时板卡守时算法基于筛选后的历史驯服数据，采用最小二乘法获得准确的相差、频差、频率漂移率结果。根据经验，相差一般在20 ns以内对守时影响较小，暂不调整，在进入守时瞬间校准频差，在板卡正常守时过程中，根据频率漂移率对铷钟频率进行校正减小频率漂移带来的守时偏差，以此获得最优的守时效果。
2测试结果分析
对授时板卡进行授时守时性能测试，测试框图如图6所示。
由于本地氢钟未与UTC溯源，因此多通道时间间隔计数器测得接收机1PPS、驯服1PPS与氢钟的结果存在固定偏差，该偏差并不影响数据分析，扣除偏差的结果如图7所示。
对计数器数据进行分析，前1 000点为进入驯服过程，在正常的驯服过程中，与接收机1PPS相比，驯服1PPS抖动明显较小，有效滤除了抖动，当接收机1PPS出现跳动时，驯服1PPS会随着接收机1PPS出现起伏但波较小。
频率计测得数据如图8所示。对数据分析可得，以授时板卡通过接收机溯源到GNSS时间基准，开始驯服时为跟踪状态，该状态中为校准驯服1PPS与接收机1PPS相位，需要对铷钟频率进行较大的调整，曲线显示出现较大波动，同时对应图7驯服1PPS起始波动较大的区间，进入正常驯服状态后，铷钟频率变化峰峰值小于2×10-10，能够对外提供高精度的频率基准。
驯服24h后，守时数据如图9所示，可得授时守时板卡24h守时精度为140 ns，优于1μs，即授时守时板卡在24 h内维持较高精度时间基准，能够满足大多数当前多数项目守时需求。
3结束语
本文设计的授时守时的授时板卡通过本地铷钟与接收机1PPS相差获得铷钟频差，对铷钟进行PID控制进而完成驯服授时，当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行守时。试验结果表明，该板卡有效抑制了接收机1PPS引入的抖动，授时精度优于20 ns，驯服期间瞬时频率准确度优于2×10-10，守时精度优于1μs/d，可为用时系统提供准确、可靠的时间同步和频率基准信号。
参考文献
[1]单庆晓，杨俊.卫星驯服时钟系统的新进展[J].测试技术学报，2009，23（5）：396-401.
[2]周渭，王海.时频测控技术的发展[J].时间频率学报，2003，26（2）：87-95.
[3]江华.北斗在移动通信中的应用技术研究[J].移动通信， 2016，40（4）：64-67.
[4]盧祥弘，陈儒军，何展翔.基于FPGA的恒温晶振频率校准系统的设计[J].电子技术应用，2010（7）：101-104.
[5]孙杰，潘继飞.高精度时间间隔测量方法综述[J].计算机测量与控制，2007，15（2）：145-148.
[6]陆加海，张同双，陶小红，等.基于TDC的GPS驯服恒温晶振系统设计[J].电讯技术，2011，51（12）：113-116.
[7]崔保健，王玉珍.GPS驯服铷钟频标数据处理方法研究[J].电子测量与仪器学报，2010，24（9）：808-813.
[8]杨旭海，翟惠生，胡永辉，等.基于新校频算法的GPS可驯服铷钟系统研究[J].仪器仪表学报， 2005，26（1）：41-44.
[9]王飞，苏娟，高光.GPS校频定时电路板的设计与应用[J].无线电工程，2001，31（2）：23-25.
[10]张莹，周渭，梁志荣.基于GPS锁定高稳晶体振荡器技术的研究[J].宇航计测技术，2005，25（1）：54-58.
[11]陈旭东，吕桂华，刘和平，等.基于TDC的高精度频标驯服系统设计与实现[J].飞行器测控学报，2011，30（1）：26-29.
关键词：驯服；授时；守时
中图分类号：TN253文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）16-60-4
0引言
时间是物理学中7个基本物理量之一，与人们的日常生活、科技发展密切相关。随着技术探索的进步，在测控与通信系统领域，对时间频率基准的精度要求越来越高[1]。氢钟及铯钟是高性能时间频率基准首选，但体积较大、对环境要求严格且成本较高[2]；铷钟及晶振短期稳定度较好，但老化指标较差，难以满足长期守时、长期稳定度指标[3-4]，与氢钟、铯钟相比，铷钟老化指标相对较差[5-6]，可维持一段时间守时，晶振老化指标最差，守时性能最差，但晶振成本最低。基于以上分析，设计了一种接收机加铷钟的板卡作为本地时间频率基准，接收机通过接收卫星信号校准本地铷钟频率[7]，并输出高精度授时信号。当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行高精度守时，通过上述设计为用时设备提供完成高性能授时守时信号。
本文分析了基于导航系统的铷钟驯服技术基本工作原理，针对实际应用及铷钟驯服特点，完成了硬件设计及软件设计，在软件中设计PID控制算法及守时算法[8]，对板卡授时性能、守时性能进行了验证。
1系统设计
1.1板卡总体设计
授时守时板卡主要由接收机单元、驯服单元和铷钟组成，接收机单元通过天线接收卫星信号，完成定位后输出1PPS+TOD信息给驯服单元，驯服单元对接收机1PPS和本地铷钟分频1PPS进行时差测量，进而获得铷钟频偏并对其进行校正，然后以铷钟时钟为基准生成授时信号，对外提供高精度时频服务，如图1所示。
1.2硬件设计
授时守时板卡由DC/DC电源模块、铷钟原子钟、时差测量芯片（TDC）、FPGA、ARM、电平转换芯片等组成，DC/DC电源模块将外部输入12 V转换为5 V，3.3 V，1.8 V，为整板各个器件供电；时差测量芯片实时测量本地1PPS与外部输入接收机1PPS的时差，为铷钟驯服提供数据支撑；铷钟接受FPGA+ARM时钟控制指令完成频率信号的校准；FPGA和ARM为板卡处理控制核心，完成整板逻辑、时序、算法和控制。授时守时板卡硬件设计如图2所示。
衛星信号正常情况下，接收机定位授时输出参考1PPS+TOD，FPGA+ARM使用TDC测量参考1PPS与铷钟10 MHz分频1PPS的相差，获得铷钟与参考1PPS的相差，根据相差信息驯服铷钟频率获得高精度1PPS同步信号及高准确度10 MHz频率信号，以驯服1PPS、10 MHz及参考TOD为基准生成1PPS+TOD，B码，NTP等授时信号，当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行守时。
1.3软件设计
授时守时板卡在外部参考信号正常且铷钟锁定的情况下，驯服本地铷钟生成授时信号，卫星信号消失后，进入守时状态。在板卡实际应用过程中，由于存在多种情况，因此需设计合理的软件处理流程来应对各种外在因素，使板卡尽可能输出高精度授时信息。基于以上考虑，板卡软件流程如图3所示。
①板卡上电后，首先要检测铷钟是否锁定。当铷钟未锁定时，其输出频率变化很大，不具备驯服条件，故不对铷钟进行任何调整。
②铷钟未锁定且外部时间无效时，直接输出本地时间；铷钟未锁定且外部参考时间有效时，以铷钟10 MHz对外部时间进行粗同步，并维持、输出本地时间信息。
③铷钟锁定后，若参考有效则进入驯服状态，并输出高精度授时信号；若参考无效，则判断上一秒是否为驯服状态。若是驯服状态则根据驯服数据调整铷钟频率并进行守时，否则直接输出本地授时时间信号。
④完成以上操作后，重新判断铷钟是否锁定，开始下一循环。
时钟驯服算法是基于本地铷钟与外部参考相差、频偏获得本地铷钟参考量，并对本地铷钟进行驯服，授时守时板卡采用PID算法完成频率驯服，如图4所示[9-10]。（ ）是TDC测得的相差进行平均滤波的结果，Δ（ ）是相对调整量。对（ ）进行滤波的原因在于，接收机输出1PPS抖动较大，若直接将其送入PID将导致铷钟调整过于剧烈，会破坏铷钟短期稳定度，因此需要对（ ）进行滤波，然后将滤波结果送入PID。
根据守时模型，铷钟相差、频差、频率漂移率决定铷钟守时精度，因此守时算法关键在于获得三者准确的值。授时守时板卡守时算法基于筛选后的历史驯服数据，采用最小二乘法获得准确的相差、频差、频率漂移率结果。根据经验，相差一般在20 ns以内对守时影响较小，暂不调整，在进入守时瞬间校准频差，在板卡正常守时过程中，根据频率漂移率对铷钟频率进行校正减小频率漂移带来的守时偏差，以此获得最优的守时效果。
2测试结果分析
对授时板卡进行授时守时性能测试，测试框图如图6所示。
由于本地氢钟未与UTC溯源，因此多通道时间间隔计数器测得接收机1PPS、驯服1PPS与氢钟的结果存在固定偏差，该偏差并不影响数据分析，扣除偏差的结果如图7所示。
对计数器数据进行分析，前1 000点为进入驯服过程，在正常的驯服过程中，与接收机1PPS相比，驯服1PPS抖动明显较小，有效滤除了抖动，当接收机1PPS出现跳动时，驯服1PPS会随着接收机1PPS出现起伏但波较小。
频率计测得数据如图8所示。对数据分析可得，以授时板卡通过接收机溯源到GNSS时间基准，开始驯服时为跟踪状态，该状态中为校准驯服1PPS与接收机1PPS相位，需要对铷钟频率进行较大的调整，曲线显示出现较大波动，同时对应图7驯服1PPS起始波动较大的区间，进入正常驯服状态后，铷钟频率变化峰峰值小于2×10-10，能够对外提供高精度的频率基准。
驯服24h后，守时数据如图9所示，可得授时守时板卡24h守时精度为140 ns，优于1μs，即授时守时板卡在24 h内维持较高精度时间基准，能够满足大多数当前多数项目守时需求。
3结束语
本文设计的授时守时的授时板卡通过本地铷钟与接收机1PPS相差获得铷钟频差，对铷钟进行PID控制进而完成驯服授时，当卫星信号消失后，根据历史驯服数据进行守时。试验结果表明，该板卡有效抑制了接收机1PPS引入的抖动，授时精度优于20 ns，驯服期间瞬时频率准确度优于2×10-10，守时精度优于1μs/d，可为用时系统提供准确、可靠的时间同步和频率基准信号。
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