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分布式地震數(shù)據(jù)采集器的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)研制*

2022-12-21 11:43:46李彩華滕云田周健超胡星星王喜珍李小軍王玉石
地震學(xué)報(bào) 2022年6期
關(guān)鍵詞:高精度延時(shí)光纖

李彩華滕云田,周健超胡星星王喜珍李小軍王玉石

1) 中國(guó)北京 100081 中國(guó)地震局地球物理研究所

2) 中國(guó)北京 100124 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部

引言

時(shí)間同步技術(shù)是多種行業(yè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù),它所提供的高精度同步時(shí)間是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)等方面的基本物理量.隨著高精度同步授時(shí)在各個(gè)行業(yè)的需求愈加廣泛,科研、生產(chǎn)和生活中時(shí)間的同步性和穩(wěn)定性也越來越重要,例如電力網(wǎng)的時(shí)間精確和統(tǒng)一就是電力系統(tǒng)自動(dòng)化和安全運(yùn)行的要素之一,時(shí)分同步碼分多址(time division-synchronous code division multiple access,縮寫為TD-SCDMA)等通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般需要微秒級(jí)的時(shí)間同步,準(zhǔn)確統(tǒng)一的時(shí)間也是利用各類地震觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地震科學(xué)研究的前提.因此,自主研究簡(jiǎn)單實(shí)用高精度的同步授時(shí)系統(tǒng)并將其應(yīng)用于各類科研、生產(chǎn)、生活中具有重要意義,特別是對(duì)于地震研究而言,在各類地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣、強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣及邊坡滑坡震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與長(zhǎng)期運(yùn)行中,獲取更高質(zhì)量的同步地震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和地球科學(xué)研究等都非常重要.

地震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)儀器的時(shí)間同步都具有一定的精度要求,其中小孔徑地震臺(tái)陣和密集臺(tái)陣等對(duì)地震儀器時(shí)間同步的精度要求更高.小孔徑地震臺(tái)陣是在與所觀測(cè)地震波波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)目讖椒秶鷥?nèi)有規(guī)則排列的一組地震計(jì),采用獨(dú)特的地震數(shù)據(jù)處理方法對(duì)這些地震計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行各種組合分析.將各子臺(tái)的數(shù)據(jù)時(shí)間對(duì)齊后進(jìn)行抑制地面噪聲、壓低干擾背景、提高信噪比等方面的處理,從而提升地震監(jiān)測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)提取更微弱地震信號(hào)的目的.故臺(tái)陣內(nèi)各地震計(jì)時(shí)間同步誤差將極大地影響微弱信號(hào)的提取效果.Meng等(2014)提出了利用近斷層密集臺(tái)陣波束形成技術(shù)反演震源方位角的方法來實(shí)時(shí)估測(cè)震源的破裂長(zhǎng)度,用美國(guó)的UPSAR強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)陣記錄對(duì)多次地震進(jìn)行破裂長(zhǎng)度的估測(cè),取得了較好的結(jié)果.該方法需要小孔徑地震臺(tái)陣提供精確的走時(shí),但我國(guó)現(xiàn)有的一些強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣中各觀測(cè)子臺(tái)的觀測(cè)儀器均為獨(dú)立授時(shí),各子臺(tái)記錄可能存在時(shí)鐘同步誤差問題,因此對(duì)密集臺(tái)陣中臺(tái)站之間的時(shí)間延遲及其精度的確定有一定影響(劉辰等,2018).此外,水庫(kù)大壩等地震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器安裝于密閉廊道內(nèi),不具備使用傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System/BeiDou Navigation Satellite System,縮寫為 GPS/BDS)授時(shí)設(shè)備的條件,因此水庫(kù)大壩、水電站等結(jié)構(gòu)設(shè)施的地震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也需要一種更實(shí)用的授時(shí)系統(tǒng).鑒于上述情況,本文擬提出一種基于實(shí)時(shí)光纖通信的多通道同步授時(shí)系統(tǒng),以期解決各類分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度同步授時(shí)問題.

1 傳統(tǒng)時(shí)間同步授時(shí)技術(shù)

目前各類地震觀測(cè)儀器及地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣常用的時(shí)間同步技術(shù)主要有短波(長(zhǎng)波)授時(shí)技術(shù)、衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)和 IRIG-B (Inter-Range Instrumentation Group-B)碼授時(shí)技術(shù)等,其中短波(長(zhǎng)波)授時(shí)技術(shù)是利用不同波長(zhǎng)信號(hào)通信實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣中多個(gè)觀測(cè)設(shè)備時(shí)間同步的方法,該種方法授時(shí)簡(jiǎn)單但授時(shí)精度有限,短波授時(shí)精度一般為毫秒級(jí),長(zhǎng)波授時(shí)精度為微秒級(jí),一般僅用于野外特殊場(chǎng)地的部分觀測(cè)設(shè)備.多數(shù)地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣采用GPS/BDS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)的地震觀測(cè)設(shè)備,其內(nèi)配置GPS/BDS接收模塊,當(dāng)GPS/BDS衛(wèi)星天線接收到足夠多的空間衛(wèi)星信號(hào)后(王向軍等,2016;郭長(zhǎng)發(fā),2018),地震觀測(cè)設(shè)備就能夠獲取到準(zhǔn)確而無累積誤差的高精度時(shí)間,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的多臺(tái)地震觀測(cè)設(shè)備的時(shí)間同步.

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步授時(shí)技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊环N授時(shí)技術(shù),如基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(network time protocol,縮寫為 NTP)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(simple network time protocol,縮寫為 SNTP)、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議的授時(shí)技術(shù)(魏豐,孫文杰,2009;彭?xiàng)?,郭偉?018).網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議是通過NTP協(xié)議和時(shí)間源進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn),根據(jù)服務(wù)器與客戶端往返報(bào)文來確定兩者之間的時(shí)鐘差值和報(bào)文在網(wǎng)路傳輸中的延遲向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他客戶端提供精準(zhǔn)時(shí)間服務(wù).這種技術(shù)是可以跨越廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)的復(fù)雜時(shí)間協(xié)議,通??梢垣@得毫秒級(jí)的同步精度.網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)也可以用硬件輔助解決網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和以太網(wǎng)中交換器、路由器產(chǎn)生的時(shí)延穩(wěn)定問題(馬紅皎等,2014;翟學(xué)明等,2016),用支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的硬件芯片在以太網(wǎng)口的物理層設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、打時(shí)間戳,從而將時(shí)延降低到極小的數(shù)量級(jí)(小于1 μs).

雖有如上多種同步授時(shí)方法,但部分地震觀測(cè)設(shè)備所處地理位置特殊,無法架設(shè)GPS/BDS接收天線,且其它授時(shí)方法的授時(shí)精度無法達(dá)到高精度同步地震觀測(cè)的需求,因此本文將提出以基于光纖通信的多通道同步授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度同步授時(shí),并將其應(yīng)用于小孔徑地震臺(tái)陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的授時(shí).

2 高精度同步授時(shí)技術(shù)原理

2.1 光信號(hào)傳輸延時(shí)測(cè)量原理

光信號(hào)在光纖中傳播的速度約為2×108m/s,長(zhǎng)度為l(單位為m),光纖中單程光信號(hào)傳播的時(shí)間為t=l/(2×108) s.若光信號(hào)從光纖初始端發(fā)送并在光纖中勻速傳播,該光信號(hào)到達(dá)光纖接收端即刻沿光纖原路返回至光纖初始端,那么在此傳播過程中,光信號(hào)所需的傳輸時(shí)間為t=2l/(2×108) s.當(dāng)所使用的光纖長(zhǎng)度固定時(shí),光信號(hào)在該段光纖中的傳播時(shí)間即可確定,因此可以設(shè)計(jì)高精度時(shí)間測(cè)量電路來測(cè)量該傳輸時(shí)間.若一種設(shè)備的光信號(hào)發(fā)送端的發(fā)送時(shí)間可控、光信號(hào)接收端識(shí)別與返回電路的時(shí)間可控,則可以精確地測(cè)量光信號(hào)在不同長(zhǎng)度光纖中的傳輸時(shí)間,并可以利用延時(shí)測(cè)量的時(shí)間值對(duì)授時(shí)操作進(jìn)行時(shí)間校正,所以基于此原理設(shè)計(jì)一種多通道時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)分布式地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的高精度遠(yuǎn)距離同步授時(shí)是可行的.

2.2 高精度同步授時(shí)校正原理

通過研究授時(shí)秒脈沖發(fā)送和接收時(shí)間測(cè)量方法、納秒級(jí)定時(shí)器設(shè)計(jì)方法、授時(shí)秒脈沖及對(duì)應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的編譯與解析方法,設(shè)計(jì)一套高精度時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng),具體步驟如下:① 通過高速可編程電路設(shè)計(jì)時(shí)間測(cè)量模塊,實(shí)時(shí)測(cè)量授時(shí)秒脈沖的發(fā)送時(shí)間與返回時(shí)間,計(jì)算出該授時(shí)通道的授時(shí)秒脈沖全路徑時(shí)間的延遲值(圖1a);② 以內(nèi)部高精度高頻時(shí)鐘信號(hào)為源,用硬件邏輯編程設(shè)計(jì)納秒級(jí)精度的定時(shí)器,并在下一個(gè)授時(shí)秒脈沖到達(dá)前提前tas 完成延遲校正的秒脈沖發(fā)送(圖1b),從而達(dá)到補(bǔ)償該授時(shí)通道的系統(tǒng)延時(shí)及光纖傳輸線路延時(shí)的目的;③ 圖1a中td為某授時(shí)通道的授時(shí)秒脈沖傳輸全路徑的時(shí)間延遲值,圖1b中第一組秒脈沖信號(hào)為同步授時(shí)端發(fā)送出去的、經(jīng)過時(shí)間校正的授時(shí)秒脈沖信號(hào),第二組秒脈沖信號(hào)為時(shí)間接收模塊端接收到的授時(shí)秒脈沖信號(hào),其中ta=0.5td.此秒脈沖信號(hào)理論上與該授時(shí)通道的初始發(fā)送秒脈沖時(shí)間同步.

圖1 同步授時(shí)秒脈沖(a)及延時(shí)校正后的授時(shí)秒脈沖(b)Fig.1 Synchronous timing second pulse (a) and timing second pulse after delay correction (b)

3 高精度同步授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 高精度同步授時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的高精度同步授時(shí)系統(tǒng)基于GPS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù),GPS接收模塊在衛(wèi)星條件及氣候良好條件下,與GPS時(shí)間同步精度為納秒級(jí)別,這種精度的時(shí)鐘作為本系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)能夠滿足需求.高精度授時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,包含同步授時(shí)中心、同步授時(shí)模塊、光纖和時(shí)間接收模塊.該系統(tǒng)進(jìn)行同步授時(shí)脈沖傳輸?shù)难舆t時(shí)間測(cè)量及延遲時(shí)間校正、同步授時(shí)脈沖發(fā)送及時(shí)間信息編譯、光電轉(zhuǎn)換及光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)、時(shí)間接收模塊識(shí)別授時(shí)脈沖及時(shí)間信息,自動(dòng)完成多路時(shí)間接收模塊端的同步授時(shí).

圖2 時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of synchronous timing system

在同步授時(shí)系統(tǒng)中,同步授時(shí)中心通過串口連接多個(gè)同步授時(shí)模塊,每路同步授時(shí)模塊由光纖連接對(duì)應(yīng)的時(shí)間接收模塊.多個(gè)同步授時(shí)模塊從同步授時(shí)中心模塊獲得高度同步的授時(shí)秒脈沖信號(hào),之后通過串口獲得秒脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息,再根據(jù)如上時(shí)間信息同步授時(shí)模塊完成與同步授時(shí)中心模塊的時(shí)間同步,并進(jìn)一步與時(shí)間接收模塊配合完成傳輸延遲時(shí)間測(cè)量、同步授時(shí)及校正、通信數(shù)據(jù)發(fā)送等工作.

3.2 同步授時(shí)中心模塊

同步授時(shí)中心模塊是該同步授時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間源,它管理高精度時(shí)間源、多路授時(shí)秒脈沖輸出、多路串口通信端口,通過串口實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)同步授時(shí)模塊的并行管理,即通過并行控制將時(shí)間信號(hào)以同步授時(shí)脈沖、時(shí)間信息發(fā)送至多路同步授時(shí)模塊,從而完成整個(gè)系統(tǒng)的同步授時(shí)脈沖管理、時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送等功能.同步授時(shí)中心模塊的結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 同步授時(shí)中心模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of synchronous time center mudule

3.3 同步授時(shí)模塊

同步授時(shí)模塊是同步授時(shí)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊,負(fù)責(zé)完成授時(shí)通道的授時(shí)脈沖傳輸時(shí)間測(cè)量及延時(shí)校正等功能,具體包括同步授時(shí)脈沖發(fā)送時(shí)間測(cè)量、經(jīng)授時(shí)通道返回的同步脈沖時(shí)間測(cè)量、納秒級(jí)定時(shí)器、同步授時(shí)脈沖及對(duì)應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的編譯、正常通信數(shù)據(jù)的收發(fā)管理等功能.

同步授時(shí)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)分為邏輯控制區(qū)、數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)、數(shù)據(jù)接收區(qū)和光電轉(zhuǎn)換區(qū),其原理圖見圖4.邏輯控制區(qū)包括控制器、定時(shí)器和時(shí)間測(cè)量,主要負(fù)責(zé)邏輯控制、同步授時(shí)脈沖發(fā)送和返回時(shí)間的測(cè)量;發(fā)送區(qū)包括通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)和發(fā)送控制器,負(fù)責(zé)將正常通信信息對(duì)外發(fā)送,其中控制器具有發(fā)送使能功能(見TxE控制線);接收區(qū)包括數(shù)據(jù)緩存區(qū)和接收控制器,負(fù)責(zé)時(shí)間接收模塊端發(fā)送來的通信數(shù)據(jù)的管理,其中控制器有接收緩存的控制使能(見RxE控制線);光電轉(zhuǎn)換區(qū)為高度集成的光電收發(fā)一體接收器,支持高速遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸.同步授時(shí)模塊電路由高速ARM控制器、可編程器件、時(shí)鐘管理模塊、串口模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊組成.通過高速可編程電路設(shè)計(jì)時(shí)間測(cè)量模塊,實(shí)時(shí)測(cè)量同步授時(shí)脈沖的發(fā)送時(shí)間與返回時(shí)間,計(jì)算出該授時(shí)通道的全路徑時(shí)間延遲值(圖1a).具體步驟如下:① 以內(nèi)部高精度高頻時(shí)鐘信號(hào)為源,用硬件邏輯編程設(shè)計(jì)納秒級(jí)的定時(shí)器,在下一個(gè)授時(shí)秒脈沖到達(dá)前自動(dòng)完成延遲校正的授時(shí)脈沖發(fā)送(圖1b),從而達(dá)到補(bǔ)償該授時(shí)通道的系統(tǒng)延時(shí)及光纖傳輸延時(shí)等;② 用硬件編程設(shè)計(jì)納米級(jí)的定時(shí)器,對(duì)于兩個(gè)授時(shí)秒脈沖之間的1 s,采用同步授時(shí)模塊的定時(shí)器及可編程器件進(jìn)行精確延時(shí),生成一個(gè)初值為(1-ta) s的定時(shí)器;③ 啟動(dòng)定時(shí)器工作,當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá),由同步授時(shí)模塊發(fā)出該通道同步授時(shí)脈沖;④ 該同步授時(shí)脈沖發(fā)出后,所對(duì)應(yīng)串口發(fā)出該同步授時(shí)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間值;⑤ 將同步授時(shí)脈沖及其時(shí)間數(shù)據(jù)嵌入正常通信數(shù)據(jù),遵循通信協(xié)議命令經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊和光纖發(fā)送出去,且以時(shí)間同步脈沖電信號(hào)形式發(fā)送;⑥ 在同步授時(shí)脈沖發(fā)送前通過內(nèi)部緩存器暫存正常通信數(shù)據(jù),同步授時(shí)脈沖發(fā)送結(jié)束、停止數(shù)據(jù)緩存、恢復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送.

圖4 同步授時(shí)模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of synchronous timing module

3.3.1 授時(shí)過程

當(dāng)時(shí)間同步脈沖信號(hào)到來,時(shí)間信息依次寫入控制器、定時(shí)器和時(shí)間測(cè)量等三個(gè)模塊.控制器通過TxE使能暫停其它通信數(shù)據(jù)發(fā)送,定時(shí)器關(guān)閉開關(guān)K1和開關(guān)K2,時(shí)間同步脈沖經(jīng)由K1線路直接發(fā)送.控制器通過TxE使能失效而恢復(fù)發(fā)送,定時(shí)器打開開關(guān)K1,發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù),帶有同步脈沖標(biāo)識(shí)的同步授時(shí)數(shù)據(jù)幀編譯完畢.

3.3.2 延時(shí)校正過程

當(dāng)返回時(shí)間同步脈沖信號(hào)到來,經(jīng)由開關(guān)K2直接送入時(shí)間測(cè)量模塊,控制器通過RxE使能暫停數(shù)據(jù)接收.返回時(shí)間同步脈沖信號(hào)結(jié)束,定時(shí)器控制開關(guān)K2打開,控制器通過RxE使能恢復(fù)數(shù)據(jù)接收.啟動(dòng)時(shí)間同步脈沖信號(hào)與返回時(shí)間同步脈沖信號(hào)的比較過程,即完成傳輸延遲時(shí)間測(cè)量,該時(shí)間延遲值存入定時(shí)器.

3.4 時(shí)間接收模塊

時(shí)間接收模塊是應(yīng)用在遠(yuǎn)端待授時(shí)采集設(shè)備端的硬件模塊,它自動(dòng)識(shí)別同步授時(shí)脈沖信號(hào)和帶有同步脈沖標(biāo)志的時(shí)間數(shù)據(jù)幀,并提取同步脈沖信號(hào)、時(shí)間信息和數(shù)據(jù)信息,自動(dòng)向光纖發(fā)送返回的同步脈沖信號(hào),并向采集設(shè)備發(fā)送授時(shí)脈沖、時(shí)間數(shù)據(jù)及管理通信數(shù)據(jù)等.同步時(shí)間接收模塊必須與同步授時(shí)模塊成對(duì)使用,完成一路數(shù)據(jù)采集設(shè)備的時(shí)間授時(shí).

同步時(shí)間接收模塊電路采用高速可編程器件及相關(guān)配件設(shè)計(jì)完成,主要包括控制器、接收區(qū)(緩存和接收)、發(fā)送區(qū)(發(fā)送和緩存)和光電轉(zhuǎn)換區(qū),同步時(shí)間接收模塊的內(nèi)部元件有ARM控制器、邏輯控制器、串口控制器、脈沖轉(zhuǎn)發(fā)電路及高速光電收發(fā)一體接收器.其中控制器可以通過使能信號(hào)RxE和TxE控制通信數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的啟停,也控制開關(guān)Ka和Kb的操作,接收同步授時(shí)脈沖信號(hào)以及返回同步授時(shí)脈沖信號(hào).同步時(shí)間接收模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 時(shí)間接收模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of time receiving module

同步授時(shí)脈沖信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后到達(dá)控制器并完成授時(shí)脈沖識(shí)別后,控制器關(guān)閉脈沖控制開關(guān)Ka和發(fā)送數(shù)據(jù)控制開關(guān)Kb,同步授時(shí)脈沖經(jīng)由開關(guān)Ka線路被置入待授時(shí)采集器的秒脈沖輸入端,同步經(jīng)過接收串口將對(duì)應(yīng)授時(shí)脈沖的時(shí)間數(shù)據(jù)送入時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸串口.同時(shí)經(jīng)控制開關(guān)Kb線路,直接通過光纖將該授時(shí)脈沖沿原傳輸路徑返回,即該授時(shí)脈沖經(jīng)電光轉(zhuǎn)換、光纖、同步授時(shí)模塊形成延時(shí)測(cè)量脈沖(返程的時(shí)間同步授時(shí)脈沖信號(hào)).

同步授時(shí)脈沖信號(hào)到達(dá)控制器時(shí),控制使能信號(hào)RxE和TxE暫停數(shù)據(jù)發(fā)送與接收.

同步授時(shí)脈沖信號(hào)發(fā)送結(jié)束后,控制器關(guān)閉,打開開關(guān)Ka和Kb,控制使能信號(hào)RxE和TxE恢復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,一組接收時(shí)間同步脈沖工作時(shí)序結(jié)束.

3.5 同步授時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)序

本文的時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng)雖由多個(gè)分立電路模塊組成,但進(jìn)行同步授時(shí)操作需要多組模塊協(xié)同操作共同完成,各組模塊分別完成自身通道的同步授時(shí)操作.

同步授時(shí)模塊工作分為測(cè)量時(shí)鐘校準(zhǔn)(clock correction)、線路延時(shí)校準(zhǔn)(delay correction)、同步信息發(fā)送和微幀數(shù)據(jù)發(fā)送幾個(gè)步驟,其中:測(cè)量時(shí)鐘校準(zhǔn)是指利用時(shí)間同步信息調(diào)整和校準(zhǔn)模塊內(nèi)的時(shí)鐘誤差;線路延時(shí)校準(zhǔn)是指同步授時(shí)模塊進(jìn)行測(cè)量線路的延時(shí),然后將其存儲(chǔ)為下發(fā)同步授時(shí)秒脈沖信號(hào)時(shí)的補(bǔ)償線路延時(shí)值;同步信息發(fā)送是指收到同步授時(shí)秒脈沖信號(hào)時(shí),對(duì)其執(zhí)行測(cè)量時(shí)鐘校準(zhǔn)算法和線路延時(shí)校準(zhǔn)算法后再發(fā)送授時(shí)秒脈沖,以保證遠(yuǎn)端待授時(shí)設(shè)備收到的同步授時(shí)秒脈沖信號(hào)與同步授時(shí)中心的授時(shí)秒脈沖信號(hào)一致,其中同步授時(shí)秒脈沖信號(hào)嵌入授時(shí)秒脈沖信號(hào),并且同步授時(shí)秒脈沖信號(hào)以硬件信號(hào)的形式進(jìn)行收發(fā);微幀數(shù)據(jù)發(fā)送則是指根據(jù)發(fā)送或接收信號(hào)的類型來確定串口緩存內(nèi)部的通信數(shù)據(jù)發(fā)送與否.

時(shí)間接收模塊工作包括配合同步授時(shí)模塊校準(zhǔn)線路延時(shí)(delay correction of synchronous time module,縮寫為DCS)、同步信息接收和微幀數(shù)據(jù)接收.配合同步授時(shí)模塊校準(zhǔn)線路延時(shí)(DCS)是指當(dāng)同步授時(shí)模塊申請(qǐng)測(cè)量線路延時(shí)的時(shí)候,時(shí)間接收模塊無延時(shí)返回接收到的授時(shí)秒脈沖信號(hào);同步信息接收是指時(shí)間接收模塊識(shí)別出授時(shí)秒脈沖信號(hào)后,以硬件信號(hào)的形式無延時(shí)地把授時(shí)秒脈沖信號(hào)輸出到授時(shí)秒脈沖輸出端口,提取時(shí)間脈沖對(duì)應(yīng)時(shí)間信息數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到串口1;當(dāng)上述工作完成后,時(shí)間接收模塊恢復(fù)微幀數(shù)據(jù)接收,并把收(發(fā))的正常數(shù)據(jù)由串口2對(duì)應(yīng)收發(fā)處理.同步授時(shí)系統(tǒng)工作流程圖見圖6,在此流程下同步授時(shí)系統(tǒng)中各個(gè)模塊中的授時(shí)脈沖時(shí)序見圖7.

圖6 同步授時(shí)工作流程圖Fig.6 Flow chart of synchronous timing program

此處以一路授時(shí)通道的同步授時(shí)工作時(shí)序?yàn)槔榻B各模塊中授時(shí)秒脈沖信號(hào)的工作時(shí)序.未進(jìn)行同步授時(shí)操作時(shí)各個(gè)模塊的時(shí)間脈沖工作時(shí)序見圖7a,圖中t1為同步授時(shí)模塊發(fā)送脈沖延遲時(shí)間,該延遲時(shí)間內(nèi)同步授時(shí)模塊將完成上一微幀數(shù)據(jù)通信,然后停止數(shù)據(jù)通信;t2為同步授時(shí)模塊授時(shí)秒脈沖信號(hào)在光纖中正向傳輸?shù)难舆t時(shí)間值;t3為授時(shí)秒脈沖從時(shí)間接收模塊返回后在光纖中反向傳輸?shù)臅r(shí)間延遲值,一般情況下t2=t3.當(dāng)完成一次同步授時(shí)操作后,各個(gè)模塊的時(shí)間脈沖將按照?qǐng)D7b所示的時(shí)序進(jìn)行工作,從該時(shí)序圖可以看出,時(shí)間接收模塊端的秒脈沖已經(jīng)與同步授時(shí)模塊輸出的秒脈沖信號(hào)達(dá)到同步.

圖7 校正前(a)、后(b)的各模塊時(shí)間脈沖時(shí)序圖Fig.7 Uncorrected (a) and corrected (b) timing pulse sequence diagrams of each module

4 同步授時(shí)系統(tǒng)性能分析

基于以上技術(shù)研究,本文采用授時(shí)中心模塊、同步授時(shí)模塊、時(shí)間接收模塊及通信光纖搭建了一套同步授時(shí)系統(tǒng),并且以GPS授時(shí)模式作為授時(shí)中心模塊的時(shí)間源,授時(shí)通道的通信光纖均采用2 km長(zhǎng)的單模通信光纖.啟動(dòng)該同步授時(shí)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行,采用高精度時(shí)間測(cè)量設(shè)備連續(xù)記錄授時(shí)通道的授時(shí)脈沖及對(duì)應(yīng)時(shí)間信息.測(cè)試試驗(yàn)所使用通用計(jì)數(shù)器的頻率范圍為 10 Hz——1 300 MHz,其頻率穩(wěn)定度為 3×10?10/s,電力專用衛(wèi)星接收機(jī)的工作頻率為 5 MHz和10 MHz,其穩(wěn)定度為1×10?11/s.同步授時(shí)系統(tǒng)工作時(shí),定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為100 MHz,試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)得到光纖傳輸時(shí)間的延遲值td約為20 μs,時(shí)間延遲校正值ta約為10 μs.

當(dāng)授時(shí)中心模塊的GPS信號(hào)有效后,該時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng)的同步授時(shí)工作啟動(dòng).此時(shí)記錄授時(shí)中心模塊輸出的授時(shí)脈沖和各路通道時(shí)間接收模塊的時(shí)間同步脈沖的連續(xù)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為1 h,在同次試驗(yàn)中相同條件下,同時(shí)采集三路通道的同步時(shí)間接收模塊的時(shí)間同步脈沖,分別統(tǒng)計(jì)授時(shí)中心模塊輸出的授時(shí)脈沖與各路通道時(shí)間接收模塊的時(shí)間脈沖之差,以此時(shí)間差值作為各路授時(shí)通道的授時(shí)時(shí)間誤差.圖8給出了三路授時(shí)通道的授時(shí)時(shí)間誤差,其中通道一、二和三的授時(shí)時(shí)間誤差均方根值分別為126.22 ns,129.19 ns和129.85 ns,三路通道的授時(shí)誤差均方根值均低于200 ns.

圖8 授時(shí)中心模塊的授時(shí)脈沖與第一(a)、第二(b)和第三(c)通道時(shí)間接收模塊的授時(shí)脈沖的時(shí)間差值數(shù)據(jù)曲線Fig.8 The time difference data curves between the timing pulse of the timing central module and the timing pulse of the first (a),second (b) and third (c) channel time receiving module

5 結(jié)論

本文采用時(shí)間同步授時(shí)技術(shù)研制了一套高精度時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng),并搭建了一套同步授時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)授時(shí)觀測(cè)試驗(yàn).對(duì)三路通道的同步授時(shí)脈沖的連續(xù)觀測(cè)記錄的分析計(jì)算結(jié)果表明,本文所研制的時(shí)間同步授時(shí)系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定工作,且在通訊光纖為2 km長(zhǎng)時(shí),其1 h連續(xù)觀測(cè)記錄的同步授時(shí)誤差均小于200 ns.該同步授時(shí)誤差主要來源于兩種硬件模塊內(nèi)部ARM控制器指令執(zhí)行時(shí)間誤差,具體為同步授時(shí)模塊內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)向ARM控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求,當(dāng)ARM控制器正在執(zhí)行指令或中斷服務(wù)程序時(shí),該ARM控制器響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷會(huì)產(chǎn)生延遲,對(duì)同步授時(shí)脈沖的發(fā)送造成影響.定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出中斷與ARM控制器響應(yīng)該中斷的時(shí)間誤差具有非固定性特點(diǎn),這種非固定性給誤差分析、誤差補(bǔ)償也帶來了困難.為控制發(fā)送同步授時(shí)脈沖時(shí)間的不確定性,后續(xù)還要選用FPGA模塊替代ARM控制器設(shè)計(jì)同步授時(shí)模塊及時(shí)間接收模塊的硬件電路,以降低模塊操作時(shí)間不確定性所帶來的同步誤差,從而進(jìn)一步降低同步授時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間偏差.

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