戴群雄，霍海強(qiáng)，賈杰峰

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

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一種基于北斗授時(shí)的B碼終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴群雄1，2，霍海強(qiáng)1，2，賈杰峰1，2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

摘要針對(duì)眾多領(lǐng)域的用戶在組建時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)高精度時(shí)間同步的需求，以從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)中解算的時(shí)間信息和授時(shí)秒脈沖為基準(zhǔn)，基于B碼編碼原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高精度B碼授時(shí)終端。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)輸出的直流B碼具有優(yōu)于100 ns的同步授時(shí)精度，交流B碼具有微秒級(jí)的同步授時(shí)精度，能作為一個(gè)穩(wěn)定的B碼時(shí)間源，為用戶提供高精度的B碼授時(shí)服務(wù)。

關(guān)鍵詞B碼；授時(shí)終端；同步；時(shí)間源

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)精密時(shí)間及時(shí)間的準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高。近年來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速崛起，基于北斗授時(shí)的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng))也應(yīng)運(yùn)而生，北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和方向的研究也逐步成為熱點(diǎn)，從而使得對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度和精度的應(yīng)用提升到了一個(gè)新的高度。

北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)中，利用所接收導(dǎo)航信號(hào)解算的高精度時(shí)間信息綜合實(shí)現(xiàn)NTP、B碼、PTP和串口等的高精度授時(shí)服務(wù)。B碼是其中一種應(yīng)用最為廣泛的專用時(shí)間碼，其特點(diǎn)是速率適中、編碼信息量豐富、通用規(guī)范及使用靈活方便[1]?；诒倍肥跁r(shí)的B碼終端在靶場(chǎng)測(cè)量、控制、計(jì)算、通信、氣象和電力等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文從交/直流B碼組成和同步產(chǎn)生原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種能夠溯源到北斗系統(tǒng)時(shí)間的B碼授時(shí)終端，并對(duì)其B碼授時(shí)精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合測(cè)試結(jié)果，對(duì)其輸出交流B碼和直流B碼授時(shí)精度進(jìn)行了分析。

1B碼組成與原理

B碼是一種國(guó)際通用的靶場(chǎng)測(cè)量與時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)專用時(shí)間碼，主要用于保持被控對(duì)象與測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間的高度統(tǒng)一，并提供高精度的時(shí)間信號(hào)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)通用的B碼格式分2個(gè)版本，即GJB 2991-1997《B時(shí)間碼接口終端通用規(guī)范》規(guī)定的97版B碼和GJB 2991-2008《B時(shí)間碼接口終端通用規(guī)范》規(guī)定的2008版B碼。

B碼的時(shí)間信息采用BCD碼編碼表示，其編碼格式可參考GJB 2991-1997《B時(shí)間碼接口終端通用規(guī)范》中B格式時(shí)間碼圖[3]。B碼的時(shí)幀速率為1幀/s，1幀包含100個(gè)脈沖(碼元)，碼元周期為10 ms。每個(gè)碼元序號(hào)由索引計(jì)數(shù)所確定，索引計(jì)數(shù)由準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)起，從0～99。碼元脈寬分為5 ms、2 ms和8 ms，2 ms表征二進(jìn)制“0”，5 ms表征二進(jìn)制“1”，8 ms表征位置識(shí)別標(biāo)志“P”[4]。幀格式中，Pr為幀參考點(diǎn)，其寬度為8 ms。每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它們均為8 ms寬度。一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開(kāi)始，連續(xù)2個(gè)8 ms寬脈沖表明時(shí)幀中秒的開(kāi)始，從第2個(gè)8 ms開(kāi)始對(duì)碼元進(jìn)行編碼，分別為第0，1，2，…，99個(gè)碼元[5]。97版B碼其時(shí)間編碼信息包含秒、分、時(shí)和天，如表1所示。

表1　97版B碼時(shí)間編碼

2008版B碼相對(duì)于97版B碼，增加了閏秒修正標(biāo)志和年的編碼。其中，年的個(gè)位和十位的BCD編碼交替出現(xiàn)在索引計(jì)數(shù)的45～48位，閏秒標(biāo)志用于控制B碼終端進(jìn)行閏秒調(diào)整，閏秒標(biāo)志碼元為索引計(jì)數(shù)為27、28所對(duì)應(yīng)的2個(gè)碼元[6]。用戶在解調(diào)2008版B碼時(shí)間時(shí)，需要嚴(yán)格參照GJB 2991-2008《B時(shí)間碼接口終端通用規(guī)范》里關(guān)于閏秒的說(shuō)明，即當(dāng)B碼傳輸?shù)臅r(shí)間需要向后閏秒調(diào)整時(shí)，閏秒標(biāo)志編碼為01；當(dāng)需要向前閏秒調(diào)整時(shí)，閏秒標(biāo)志編碼為10。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于北斗授時(shí)的B碼終端主要由授時(shí)與時(shí)間信息提取模塊、直流(DC)碼生成模塊和交流(AC)碼生成模塊這3個(gè)模塊組成。其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1授時(shí)與時(shí)間信息提取模塊

授時(shí)與時(shí)間信息提取模塊主要由北斗授時(shí)模塊、中心處理模塊和高穩(wěn)晶振3個(gè)模塊組成。其中，北斗授時(shí)模塊的主要功能是接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)解調(diào)，輸出高精度的代表北斗時(shí)的授時(shí)1 PPS和TOD信息(含北斗時(shí)間以及授時(shí)狀態(tài)等信息)；中心處理模塊的主要功能：① 接收北斗授時(shí)模塊的TOD信息，提取年、月、日、時(shí)、分和秒時(shí)間信息，并將時(shí)間信息輸出給DC碼生成模塊[7]；② 根據(jù)北斗授時(shí)1 PPS和TOD信息，對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行馴服，校準(zhǔn)其10 MHz信號(hào)；③ 根據(jù)校準(zhǔn)后的10 MHz，綜合產(chǎn)生精度更高的系統(tǒng)10 MHz和1 PPS，提供頻率和同步參考；④ 產(chǎn)生B碼程控信息。

2.2DC碼生成模塊

DC碼生成模塊的主要功能是接收中心處理模塊輸出的時(shí)間信息、程控信息、10 MHz和1PPS，按照GJB 2991-1997或GJB 2991-2008B碼編碼格式，以10 MHz和1 PPS為參考，通過(guò)寄存器存儲(chǔ)表示相應(yīng)二進(jìn)制0、1和位置識(shí)別標(biāo)志的值，為了使DC-B碼的幀頭與1 PPS同步，需要在檢測(cè)到1 PPS上升沿之后開(kāi)始產(chǎn)生B碼，然后將產(chǎn)生的B碼與1 PPS進(jìn)行同步處理，使得DC-B碼與1 PPS同步輸出[8]。DC-B碼生成原理如圖2所示。

圖2　DC-B碼生成原理

2.3AC碼生成模塊

AC碼生成模塊主要由數(shù)字調(diào)制器、DA轉(zhuǎn)換模塊和濾波模塊組成，其主要功能是以10 MHz和1 PPS為參考，采用1 kHz正弦波對(duì)DC-B碼進(jìn)行幅度調(diào)制，綜合、同步輸出AC-B碼，AC-B碼的幅度和調(diào)制比可控。AC-B碼產(chǎn)生的技術(shù)原理：以輸入的DC-B碼為基礎(chǔ)，接收中心處理模塊給出的程控信息，控制數(shù)字調(diào)制器按照指定的幅度和調(diào)制比輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)控地址，通過(guò)數(shù)控地址線控制DA轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)濾波處理后得到相應(yīng)幅度和調(diào)制比的AC-B碼。AC-B碼生成原理如圖3所示。

圖3　AC-B碼生成原理

由于AC-B碼是由1 kHz正弦波對(duì)DC-B碼進(jìn)行幅度調(diào)制得到，二者的相位關(guān)系保持一致，調(diào)制關(guān)系如圖4所示。AC-B碼低幅到高幅的正弦信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)(圖4中的A點(diǎn))與DC-B碼的準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)嚴(yán)格保持一致。圖4中，N代表調(diào)制比，NX代表幅度。

圖4　AC-B碼與DC-B碼調(diào)制關(guān)系示意

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

B碼高精度授時(shí)能解決靶場(chǎng)測(cè)量、通信等行業(yè)應(yīng)用中的時(shí)間同步問(wèn)題。B碼授時(shí)一般采用主從結(jié)構(gòu)，B碼授時(shí)終端為主機(jī)，位于各個(gè)用戶端的解碼終端為從機(jī)。主機(jī)輸出B碼，并分發(fā)給各用戶端；用戶端按照B碼幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，可以恢復(fù)出時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)B碼授時(shí)。為了驗(yàn)證基于北斗授時(shí)的B碼終端其B碼授時(shí)性能，按照?qǐng)D5所示框圖搭建驗(yàn)證平臺(tái)。

圖5　B碼終端授時(shí)性能驗(yàn)證原理

圖5中，1PPS是北斗授時(shí)1PPS對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行馴服之后輸出的1PPS，其保持了真實(shí)北斗授時(shí)1PPS的長(zhǎng)穩(wěn)特性和高穩(wěn)晶振好的短穩(wěn)特性，以其作為同步參考來(lái)驗(yàn)證DC-B碼和AC-B碼的授時(shí)性能。示波器采集到的DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關(guān)系如圖6所示，提高示波器分辨率后，采集到DC-B碼與1PPS的相位關(guān)系圖以及AC-B碼與1PPS的相位關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖6　DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關(guān)系

圖7　DC-B碼與1PPS的相位關(guān)系

圖8　AC-B碼與1PPS的相位關(guān)系

圖7中，DC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為84 ns，控制在100 ns以內(nèi)，由于B碼產(chǎn)生的頻率參考為10 MHz，其周期為100 ns，故同步精度理論上會(huì)控制在100 ns以內(nèi)。如果需要使輸出B碼達(dá)到更高的同步精度，可以采用10 MHz倍頻法來(lái)實(shí)現(xiàn)。DC-B碼采用脈寬調(diào)制的方式產(chǎn)生，由于脈沖信號(hào)的頻譜豐富，不易于長(zhǎng)距離傳輸。因此，只適用于用電纜傳輸至近距離的用戶[9]。

圖8中，AC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為800 ns，控制在1 μs以內(nèi)。AC-B碼的幅度和調(diào)制比可以進(jìn)行調(diào)整，以滿足用戶的不同需求，同時(shí)AC-B碼相比DC-B碼具有較強(qiáng)的長(zhǎng)距離傳輸能力，為距離較遠(yuǎn)的分布式用戶提供了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組網(wǎng)時(shí)間同步的可行手段，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值[10]。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，北斗授時(shí)能力會(huì)不斷提升，同時(shí)隨著各類授時(shí)手段的不斷豐富，基于北斗系統(tǒng)的授時(shí)應(yīng)用會(huì)逐步得到擴(kuò)展。本文結(jié)合高精度北斗授時(shí)原理和B碼產(chǎn)生原理，設(shè)計(jì)了一種基于北斗授時(shí)的B碼終端，其在溯源到北斗系統(tǒng)時(shí)間的基礎(chǔ)上，同步輸出DC-B碼和AC-B碼，可作為北斗授時(shí)的一種典型應(yīng)用，裝備于衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、通信與指揮系統(tǒng)、智能景區(qū)等多個(gè)領(lǐng)域，為各行業(yè)用戶提供高精度授時(shí)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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戴群雄男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)。

霍海強(qiáng)男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：時(shí)間頻率技術(shù)。

引用格式：戴群雄,霍海強(qiáng),賈杰峰.一種基于北斗授時(shí)的B碼終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2016,46(1):53-56.

Design and Implementation of a B-code Terminal Based on

Beidou Timing Service

DAI Qun-xiong1,2,HUO Hai-qiang1,2,JIA Jie-feng1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the requirements of users in multiple domains for high-precision time synchronization in time and frequency network constitution,using timing information and timing second pulse as a reference,a kind of high-precision B-code timing terminal is designed based on B-code coding principle.The experiment results show that the synchronous timing precision of B code(DC)of this terminal is better than 100 ns,and that of B code(AC)is of millisecond level,so this terminal can serve as a stable B-code source,providing users with high-precision B code timing service.

Key wordsB code;timing service terminal;synchronization;B-code source

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA121801；2015AA124001)。

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號(hào)TN965.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.13