卫星导航系统中时间频率系统的方法研究

王淑华，陈之纯，郭芳，周明翔，江贤峰

卫星导航系统中时间频率系统的方法研究

王淑华，陈之纯，郭芳，周明翔，江贤峰

时间频率系统在卫星导航系统中占有重要的地位，为保证地面运控系统高质量地稳定运行，时间频率系统需提供高指标、高可靠性的基准信号，是地面运控系统中可靠性要求最高的系统。为满足时间频率系统的高可靠性，以及输出信号的高指标要求，提出了一些创新的时间频率控制方法，如：故障自动定位和处理技术、频率信号和脉冲信号的无损切换技术、高分辨率脉冲信号相位调整技术、频率信号低相位噪声和脉冲信号低抖动技术、相位可控的频率综合技术。这些方法在实际中得到应用，并取得了很好的效果，提高了时间频率系统的可靠性和输出信号指标。

时间频率系统；高指标；高可靠性；无损切换；

0 引言

卫星导航系统是当今世界最具发展前景和带动性的高科技领域之一，是最能发挥军民两用作用的航天系统，已成为国家安全、经济和社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施[1]。目前，它被广泛应用于全球监测、航海、航空、安全、搜救等众多领域，为人类带来了巨大的社会和经济效益。随着卫星导航系统的越来越广泛和深入的使用，人们对卫星导航系统的定时定位精度和可靠性的要求也越来越高。而时间频率系统在卫星导航系统中占有重要的地位，是地面运控系统的心脏。为保证地面运控系统高质量稳定运行，时间频率系统需为其他系统提供高指标高可靠性的基准信号，是地面运控系统中可靠性要求最高的系统。时间频率系统输出高精度的时间频率信号也成为了卫星导航系统高精度的基本条件之一。因此，研究提高卫星导航系统中时间频率系统可靠性和输出信号指标的方法有重要的实际意义。

1 方法与研究

本文就当前卫星导航系统对时间频率系统的要求，提出了一些创新的方法。这些方法使得时间频率系统在输出信号指标和可靠性方面有了长足的进步，完全满足当前卫星导航系统对时间频率系统精度的要求。

1.1 故障自动定位和处理技术及无损切换技术

由于电子元器件和接插件等老化以及使用寿命的限制，通过提高单机设备可靠性提高系统可靠性不现实。提高时间频率系统的可靠性，重点还是在于改善时间频率系统的可靠性模型。热备份冗余方式可以将输出异常的概率按单机异常概率的指数关系减少，从而提高系统可靠性。要保证最终输出信号的稳定连续和信号的质量，还需要先进的判别和切换机制，即加强时间频率系统对异常情况的自动判断和准确定位能力。

1.1.1 故障自动定位和处理技术

故障的自动定位包括单机设备对输入信号异常的准确

1）单机设备对输入信号异常的判断作为自动切换的判据，同时和其他检测信息合并，向监控系统报告，为系统异常情况定位提供判据。在切换环节发现异常状况时，由于电信号传播速度很快，而异常通过网络上报和人工干预的时间远远满足不了要求，因此切换设备根据多路输入信号之间的相互关系判别出哪一路信号可以确保正常，并在极短时间内根据切换规则自动进行无损切换，从而保证系统输出信号的稳定和连续。故障自动定位和处理原理图如图1所示：

图1 故障自动定位和处理原理图

2）系统中一旦发生切换，则表明系统内部有设备异常，虽然这些异常通过设备切换后不影响系统的最终输出，但系统已经处于亚健康状态。为保证系统长期稳定运行，在这种状态下，监控系统会对操作人员进行提示，对系统具体故障部位进行定位，对故障原因进行分析，帮助操作人员尽快排除异常情况。

1.1.2 频率信号和脉冲信号的无损切换技术

目前，时间频率系统在切换前后信号相位变化方面的要求已经达到10-9秒量级，而异常判别和切换电路所需要的时间也在10-9秒量级上，简单的切换机制可导致频率信号切换过程中相位噪声和频率变化，或者脉冲信号切换过程中丢失脉冲或引入毛刺。而频率信号和脉冲信号的无损切换技术则可以克服以上问题。

频率切换利用锁相环原理并配以高速合理的异常判别和切换机制，在设备输出级使用一个高性能的VCXO恒温晶振，将该晶振的输出作为设备的输出，而其相位锁定在输入信号上。当这个锁相环路选择合适的环路参数时，既可以保证输出信号的快速切换，又能够保证在输入信号异常而切换还未发生时输出信号稳定，从而做到频率信号切换前后信号相位和信号质量均能保持一致，实现无损切换。

脉冲信号无损切换技术的关键在于异常信号相对于切换动作先发后至。随着芯片的高度集成和高速化，使得纯硬件高速切换得以实现，再配合优化的切换规则，使得异常判别和切换响应时间大大缩减。通过合理设置时序，并通过增加驱动来提高抗干扰能力，可以保证切换动作发生在异常信号到达切换点之前，从而实现输出信号不受异常信号影响，也不会引入毛刺或丢失脉冲。脉冲信号切换原理图如图2所示：

图2 脉冲信号切换原理图

脉冲信号切换规则如表1所示：

城市是长江经济带发展、长江大保护中非常重要的区域和环节，城市水问题已成为制约长江经济带生态文明建设的明显短板，具有问题多、任务重、难度大的特点。随着未来城镇化水平不断提高，城市规模持续扩大，长江经济带面临的水安全和水生态环境形势将愈发严峻。解决好城市水问题，建设城市水生态文明，对实现长江大保护背景下城市生态优先，绿色发展的可持续高质量发展具有重要意义。但从世界上美国、英国、日本等发达国家的水环境治理经验看，水污染治理需要20年以上时间，而水生态恢复则需要更长时间，因此长江经济带城市水生态文明建设任重道远。

表1 脉冲信号切换规则

故障自动定位和处理及无损切换技术在时间频率系统应用过程中，在单个设备的输入信号异常时，能快速做出判断，并将输入信号无损切换至正常的输入，保证了下一级设备输入信号的连续性和质量，提高了系统的可靠性。

1.2 高分辨率脉冲信号相位调整技术

要保证脉冲信号切换过程中相位变化在 10-10秒量级以内，首先要保证脉冲信号切换设备的多路输入之间原始相位差在 10-10秒量级以内。这就要求脉冲信号具有高分辨率的相位调整能力，从而保证多个设备之间输出信号相位的一致性。调频移相技术可以实现高分辨率的脉冲信号相位调整，其分辨率可以达到10ps甚至更高。

由于时间和频率之间存在关系式：

对等式两边微分，得到式：

在实际应用中，我们以差分ΔT、Δf替代dT、df，经变换有下式：

因此，只要有足够的频率调整分辨率Δf/f，就可以得到足够的时间调整分辨率ΔT。在改变输出信号的频率后，经过一段时间的累积，信号相位就会发生改变。通过改变输出信号的频率达到精密移相目的，该方法可实现分辨率为10ps的精密脉冲相位调整，为信号的无损切换提供了保证。

1.3 频率信号低相位噪声和脉冲信号低抖动技术

时间频率系统作为某系统地面运控系统的信号基准，必须为其他系统提供低相位噪声的频率信号和低抖动的脉冲信号，否则在经过高次倍频后频率信号将无法使用，或者由于脉冲信号抖动太大而影响定时定位的精度。与早期的时间频率系统相比，当前的时间频率系统的频率信号相位噪声在标准频率 10MHz偏离 1Hz处，对相位噪声的要求提高了10dBc/Hz；而对脉冲信号抖动的要求提高了一个量级。

要实现以上目标，重点在于整个信号链路上的环节都具有低相位噪声和低抖动的性能。具体来说，在频率信号产生到系统最终输出环节，要求频率信号源、频率信号切换环节、频率信号区分放大环节均具有低相位噪声。在脉冲信号产生到系统最终输出环节，要求脉冲信号产生环节、脉冲信号切换环节、脉冲信号分配环节均具有低抖动性能。快速发展的集成电路技术和硬件电路设计理论使频率信号低相位噪声和脉冲信号低抖动得以实现。

1.3.1 频率信号低相位噪声技术

极低本征相位噪声的器件为频率信号的低相位噪声提供了可能，通过选择合适的器件，同时兼顾温度系数、隔离度和信号完整性等影响，为频率信号的处理和传播提供良好的路径。巧妙的电路原理设计和合理的布局布线降低频率信号传播过程中的反射，减少由阻抗不匹配和电磁兼容性问题引入的相位噪声。实际应用中，时间频率系统频率信号输出相位噪声如图3所示：

图3 频率信号相位噪声测量图

1.3.2 脉冲信号低抖动技术

选择高驱动能力的器件，可以提高信号的抗干扰能力，并且通过改善信号的上升沿来减少相位抖动。在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤[2]。电路设计中充分考虑电磁兼容性和阻抗匹配，减少传播通路上的反射[2,3]，尤其是在内部信号传递中利用差分形式收发信号，能极大降低确定性抖动的影响，消减信号通路上的干扰和串扰，对减少抖动可以起到很好的作用，从而实现脉冲信号从产生到输出的所有环节均能保持低抖动。实际应用中，经过长距离传输的脉冲信号抖动在10-11秒量级。

频率信号低相位噪声和脉冲信号的低抖动技术确保时间频率系统输出高质量的频率和脉冲信号，从而保证了卫星导航系统的定时定位精度。

1.4 相位可控的频率综合技术

通常，时间频率系统提供标称的标准频率信号和脉冲信号，如5MHz、10MHz、1PPS、1PPM等。但随着通信技术的发展，也要求时间频率系统提供某些小数频率的信号，这就必须利用频率综合技术。

频率综合中应用的加、减、乘、除都是整数运算，从简单意义上来说，频率综合不会产生频率误差，可以复制基准频率的准确度。但是实际上，频率综合任意环节中产生的相位噪声和杂波输出都会恶化输出信号的频谱纯度，降低频率稳定度。这些影响累积起来可能引起频率综合器的输出相位变化。在时间频率系统中，对频率综合器输出频率的相位与系统其他输出相位之间的一致性有很高的要求，因此需要对频率综合器的输出相位进行控制，使其可以根据系统提供的参考信号相位，实时调整自身的输出信号相位，实现系统所要求的相位可控的频率综合技术。

相位可控频率综合器的原理如图4所示：

图4 相位可控的频率综合技术原理

与一般的频率综合器不同，其输入参考信号除参考频率外，还有一个参考相位输入（在系统中是1pps），其输出非整数的频率信号，除要有极好的相位噪声指标要求外，其输出信号的相位要可控，即图中的频率信号fo和1pps脉冲信号间的相位差Δφ可控，实现相位可控的非整数频率信号输出。而此种频率综合器，在国内外均无产品提供。

2 总结

上述方法在某系统中取得了很好的效果，时间频率系统的可靠性和输出信号的指标都得到了大幅提升。频率信号的相位噪声在偏离中心频率1Hz处的性能提升超过10dBc/Hz；脉冲信号抖动在 10-11秒量级；通过相位一致性和高精度相位调整技术的配合，切换前后的相位一致性达到10-10量级。目前，该系统经过了全面的试验评估，验证了时间频率系统设计满足卫星导航要求,主要性能指标达到了国内最高水平。

世界发达国家和地区均十分重视时间频率系统的建设，将其作为卫星导航系统的关键技术进行研究和管理。随着我国卫星导航系统在全球范围覆盖面的增加，时间频率系统的性能也将随之提升。

[1] 冯建国，邓海峰，李泰清.浅谈卫星导航系统[J].中国科技博览，2015(10)：305.

[2] 水恒春，赵小珍，刘同旵.高频电路设计中电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)研究[J].科技创新导报，2014(07)：21-24.

[3] 顾海洲，马双武.PCB电磁兼容技术——设计实践[M]，北京：清华大学出版社，2004.6：42-56.

Research on Time and Frequency System in Satellite Navigation System

Wang Shuhua1,2, Chen Zhichun2, Guo Fang2, Zhou Mingxiang2, Jiang Xianfeng2
(1.Department of Computer Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China；2. Shanghai Astronomy Observatory of CAS, Shanghai 200030, China)

Time and frequency (T&F) system plays a key role in satellite navigation systems.

ignals of high quality and high reliability provided by T&F system are essential to the stable and continuous operation of the ground facility of the satellite navigation system. In this article, some innovative methods for controlling time and frequency signals are proposed to meet the stringent requirement on the quality and reliability of the reference signals provided by T&F system,e.g., fault identification and recovering technology, lossless switching technology of frequency and pulse signals, high precision phase adjustment technology and frequency synthesis technology with low phase noise. These technologies have been applied to various key projects and proved to be very effective for increasing the reliability of the T&F system and the quality of its output signals.

Time and frequency system； High quality； High reliability； Lossless switching；

TP311

A

1007-757X(2016)11-0057-03

2016.06.27）

王淑华（1975-），女，上海，中国科学院上海天文台，高级工程师，研究方向：时间频率技术研究，上海 200040

陈之纯（1963-），男，上海，中国科学院上海天文台，研究员，研究方向：时间频率技术研究，上海 200040

郭 芳（1980-），女，湖南长沙，中国科学院上海天文台，高级工程师，研究方向：时间频率技术研究，上海 200040

周明翔（1982-），男，上海，中国科学院上海天文台，高级工程师，研究方向：时间频率技术研究，上海 200040

江贤峰（1971-），男，上海，中国科学院上海天文台，高级工程师，研究方向：时间频率技术研究，上海 200040