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
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.
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).
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.
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)
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.
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
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.
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.
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
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
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.