测试场时统设备误差分析及处理技术

摘  ；要： 针对测试场对试验控制信息、时间信息和准频率信息要求较高的特点，设计了基于GPS授时的时间统一系统。在简要介绍时统设备组成的基础上，对影响系统的误差因素进行了分析，着重从调制解调方面讨论了B码终端误差，从系统同步和失步方面讨论了守时误差；提出了从增强B码解调器适应能力、时统守时精度、取样信号时刻精度三个方面减小时统误差的处理措施，指出系统设计中通过合理进行误差分配，控制显著误差，可实现系统的技术性能和经济性能的统一。

关键词： 时统设备； GPS授时； IRIG?B码； 守时误差

中图分类号： TN06?34  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文献标识码： A  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文章编号： 1004?373X（2014）23?0107?03

Error analysis and processing technique of time synchronization equipment in test range

HU Xiao?ming， HE Zhan?xiong

（Aerospace Life?support Industries Co.， Ltd.， Xiangyang 441003， China）

Abstract： According to the characteristic that the test range has serious requirements for experiment control information， time information and frequency information， a GPS?based time synchronization system is proposed. The composition of the time synchronization system is introduced. The equipment error factors are analyzed. The terminal error of B code is discussed in modulation and demodulation emphatically. The timing error is discussed focusing on system synchronization and out?of?synchronization. A measure to mitigate time synchronization error by improving the adaptability of B code demodulator， time synchronization accuracy and sampling signal time precision is proposed. It is pointed out that a well?balanced tradeoff between technical performance and economic affordability can be realized with rational distribution of error and control of notable error.

Keyword： time synchronization equipment； GPS timing； IRIG?B code； timing error

测试场时统设备是试验靶场的重要保障系统，用来为各种被试设备和参试设备提供统一的时间基准，保证各种测试设备高精度同步运行。受测试靶场应用需求的影响，对时统设备输出的试验过程控制信息、标准时间信息和标准频率信息信号质量要求较高，为了达到相应的技术指标，需要对时统设备的误差来源和影响进行分析，从而采取可行的、有针对性的处理措施，实现系统的技术性能和经济性能的统一。

1  ；测试场时统设备组成

测试场时统设备是基于GPS授时的时间统一系统，基本组成[1]见图1。系统主要包括时统设备、监控设备和用户接口处理设备，时统设备主要有铷原子频标组、GPS定时接收机、时码信号产生器和频率信号分路器组成，用来为用户设备提供多种时间信息和频率信息；监控设备主要由计算机和接口单元组成，用来实时监控时统设备和用户接口处理设备的工作状态；用户接口处理设备主要由时码接收卡和终端控制卡组成，用来产生用户设备的控制信号和时间信号。

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图1 测试场时统设备基本组成

GPS授时是一种高精度的定时校频方法，其输出采用标准时间IRIG?B码作为时统设备与用户设备之间接口的时间信号标准。时码接收卡从标准的时间码中解调出需要的时间信息和频率信息，并送至终端控制卡，从而实现所有的任务设备都同步于标准时间码。因此，GPS的时间信息精度、GPS定时接收机获取的时间精度、时码信号产生器的精度、时码接收终端卡的设计等因素均会对定时精度产生影响。所以，只有对影响测试场时统设备的误差进行分析，才能更有针对性地采取相应措施，避免出现时间同步误差超差等问题。

2  ；误差分析

测试场时间误差是时统设备最关键的技术指标之一，时间误差主要来自GPS定时误差、B码终端误差和自守时误差。GPS定时误差主要包括卫星星载钟的误差、星历误差、相对论效应引入的误差、信号传播引起的误差、接收机引入的误差等[2]。 一般情况下，对C/A码接收计算得到的时间信息与GPS时间信息误差为100～300 ns，对P码接收计算得到的时间信息与GPS时间信息误差为50～100 ns。相对于B码终端误差和自守时误差，用户参与处理GPS定时误差的能力较弱，因此主要对B码终端误差和自守时误差进行分析。

2.1  ；B码终端误差

鉴于用户数量较多，时统设备不再为每个用户单独提供所需要的频率信号和时间信号，而是输出标准的B（AC）时间码信号给所有用户；用户设备通过时码接收卡解调B（AC）时间码信号来获得时间和频率信息，因此时码终端是实现时间统一的重要环节。

如果不考虑时间信息源的误差，B（AC）码的误差主要来自调制解调误差和传输的不确定延时。B（AC）码调制原理见图2。1 kHz正弦信号经过不同幅度的放大后，利用B（DC）码作为开关控制信号，形成B（AC）码调制码[3]。开关电路的延时为B（AC）码调制误差，约80 ns。

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图2 B（AC）码调制原理

B（AC）码解调原理见图3。首先将交流码变为直流码，再利用过零电路检测出的过零信息获得秒脉冲精准点[4]，因此过零电路的检测精度决定了B（AC）码的解调误差精度，约为0.2 μs。当系统产生的B（AC）码需要远距离传输时，路径传输时延也成为时间同步误差的主要来源。假设时码产生器与时码接收卡之间距离为10 km，那么传输延迟将达到34 μs。此外，远距离传输将导致波形产生畸变，使信号的过零点产生漂移，过零点漂移造成1 PPS脉冲前沿产生漂移，误差也将增加。

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图3 B（AC）码解调原理

综上所述，受信道传输或其他条件的影响，输入到B码终端的B（AC）码或多或少会发生畸变，解调输出的时间信息同步误差一般会在10 μs左右，设计时必须对该误差进行修正。

2.2  ；时统设备守时误差

以上是基于系统能够正确接收和解调1 PPS脉冲的情况下进行的误差分析，当系统不能正确接收或解调1 PPS时，时统设备将采用内部的铷原子频标组进行计时同步，此时铷原子频标的性能决定了时统设备的自守时误差。

时统设备1 PPS脉冲通过铷原子频标分频得到，频标精度和稳定度是影响守时精度的关键因素。下面对这种影响进行分析。

铷原子频标工作过程中准确度表达式为：

[A（t）=A0+D?t+A1（t）+A2（t）] （1）

式中：[A（t）]为频率校准后[t]时刻的准确度；[A0]为[t=0]时刻频标准确度；[D]为频率标准老化率；[A1（t）]为频率稳定度对准确度的影响；[A2（t）]为外部特性对准确度的影响。

由式（1）可见：[t=0]时表示频标校频刚结束，理论上其准确度与授时台的准确度相同，即误差为0；实际上受频标自身影响，误差不可能达到0，因此将校频后的准确度设为[A0]。时统频标受老化率的影响，输出频率会产生漂移。老化率一般是线性的，引起频标准确度的变化正比于[D?t]，可见老化率越大，工作时间越长，准确度就越差。

铷原子频标对时统设备守时的影响见式（2）：

[?t=t-ts=t0+0tA（t）dt] （2）

式中：[?t]为[t]时刻的时差；[t0]为[t=0]时刻的时差；[A（t）]为频率校准后[t]时刻的准确度。

将式（1）代入式（2），得到式（3）：

[?t=t0+A0?t+0.5D?t2+A1（t）?t+A2（t）?t=t0+A0?t+0.5D?t2+?1（t）+?2（t）] （3）

式中：[?1（t）]为频标稳定度对时差的影响；[?2（t）]为频标外部特性对时差的影响。

由式（3）可见，影响时统守时精度的因素包括初始频标准确度[A0，]频标老化率[D，]频标稳定度[?1（t）]和频标外部特性[?2（t）。][A0]对时统造成的误差随时间呈线性增长，即守时时间越长，误差就越大；[D]对时统造成的误差随时间呈平方关系，随着守时时间的增长，其对误差的影响越来越大。下面对时统同步和失步情况下的守时误差进行分析。

（1） 同步情况下的时统误差

同步情况下，系统能够正常接收或解调出1 PPS，并每秒同步一次，将[t=1 s]代入式（2）可得：

[?t=t0+A] （4）

式中：[t0]为GPS同步定时误差，约为300 ns。铷原子频标准确度为[±5×10-11，]1 s的偏差为0.1 ns，因此同步情况下，时统每秒守时精度为300.1 ns。

（2） 失步情况下的时统误差

失步情况下，系统不能够正常接收或解调出1 PPS，就会造成时统误差积累。此时守时误差为：

[?t=t0+A?Tmax] （5）

假设铷原子频标被同步一次后，系统就处于失步状态，估算失步1 h之后的时统误差。[t0]为GPS同步定时误差，约为300 ns。铷原子频标准确度为[±5×10-11，]1 h的偏差为360 ns，因此失步情况下，时统1 h的守时精度为660 ns。

3  ；处理措施

时统误差为GPS定时误差、B码终端误差和自守时误差之和，减小时统误差的关键是减小B码终端误差和自守时误差。减小B码终端误差的方法是增强解调器的适应能力，提高时统自守时精度，这就要求必须采用高性能的频率源；但是频率源性能越高，其成本也就越高，因此在性能和经济性方面需要综合考虑。

（1） 增强B码解调器适应能力

系统采用B（AC）码作为时间信号接口标准，但是B（AC）码经过长距离信道传输后，会产生波形失真和波形畸变，甚至误码。为适应长距离传输的需求，需要采用容错、提高调制比、多通道采集等措施来增强解调器的适应能力，下面逐一说明。

容错技术  ；为了克服波形失真、畸变带来的影响，解调过程采用容错技术，即8 ms宽的秒标志或位置标志对应1 kHz的高幅度正弦信号8个，5 ms宽的二进制“1”对应5个，2 ms宽的二进制“0”对应2个。在解调时为提高容错能力，7、8、9按8处理，4、5、6按5处理，1、2、3按2处理。采用此措施后可大大提高解调适应能力。

提高调制比  ；将B（AC）码转换得到数字量，进行幅度平方运算，加大高幅度与低幅度的调制比，这样更容易提取和判断高幅度信号的个数，提高获取正确时间的能力。

多通道采样  ；把输入的B（AC）码信号分档放大，根据幅度的高低，选择不同的通道进行采集，拓宽解调器对B码输入范围的适应能力。

（2） 提高时统守时精度

根据时统守时误差分析，时统守时误差在同步和失步情况下差别较大，频率源性能越高，守时精度越高。频率源的选取应保证系统在最严酷的条件下满足时统的同步精度，下面举例说明。

假设系统要求的同步精度为10 μs，任务时间为24 h，按照系统执行任务之前被GPS校频修正，然后系统处于失步情况下估算，由式（5）可得频标准确度[Aα]为：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可见，要保证24 h的任务时间，时统同步精度为10 μs，那么频标应采用准确度为1×10-11的铷原子频标。

如果系统的任务时间为10 min，时统同步精度要求仍为10 μs，那么频标只要选用准确度优于1×10-8的晶振即可。在短期稳定度方面，晶振性能一般优于铷钟；而对于长期稳定度来说，铷钟要远远优于晶振。因此对于短时间的任务剖面，时统设备采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任务的前提下，相同的时统同步精度可以选用不同的频标源来实现，从而达到了技术性能和经济性能的统一。

（3） 提高取样信号时刻精度

测试场对被测设备的运动轨迹、速度等状态参数测量时，需要时统设备提供各种控制信号和事件信号，这些取样信号要求周期准确、均匀，并且与秒信号保持严格的同步。时刻精度的测量一般采用连续测试多个数据，然后用标准方差进行处理，处理方法为[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4  ；结  ；语

为了保证测试场时统设备技术性能和经济性能的统一，系统设计中应合理进行误差分配，控制显著误差。在保证时间同步精度的前提下，还要保证系统的可靠性，因此系统采用了频率源的冗余设计措施。如果频率源故障或精度达不到要求，系统会自动切换到热备份的频率源，大大提高了系统的可靠性。此外系统设计时还应保证监控设备具有良好的人机交互界面，提高设备可操作性，实现对时统设备的实时监控。

参考文献

[1] 童宝润.时间统一技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2] 邱致和，王万义.GPS原理与运用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3] 燕斌，赵飞.基于GPS授时的异地同步数据采集系统[J].电子科技，2008（12）：46?49.

[4] 聂浩.IRIG?B（AC）码解调技术浅析[J].飞行器测控技术，1997（1）：1?5.

[5] 黄学德.导弹测控系统[M].北京：国防工业出版社，2000.

[6] 孙永灿.频标性能对时统守时的影响[J].科技信息，2013（13）：58?59.