浅谈基于高精度数字化航空时钟的应用设想

余涛

摘 要：从航空时钟的概念入手，阐述现代航空时钟的发展，并且根据实际应用，提出可北斗卫星校时高精度数字化航空时钟应用设想。

关键词：航空时钟；高精度数字化；可北斗卫星校时

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.116

1 发展背景

作为飞机上的时间观察设备，航空时钟是一种不可缺少的飞行仪表。航空时钟一般安装在航空仪表板上，主要用于指示现在时间、航行时间以及测量某一任意时段时间，给飞行员提供直观的时间信息。随着航空技术和电子技术的发展，航空机载仪表设备也日趋现代化，尤其是屏幕显示仪表的应用明显增加，使传统的航空时钟逐渐发展为趋于集成化、小型化、数字化、高精度以及可采用卫星校时的多功能混合显示时钟。

北斗导航卫星定位系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，可在全球范围内全天候、全天时的为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。基于北斗卫星定位系统为飞机上各种设备校时的高精度数字化航空时钟，成为航空时钟在军事应用上的重要发展方向。

2 国内外现状

目前，我们大部分飞机仍然使用的是传统机械时钟，需要在使用前上好发条才能计时，并且计时时间一般在一周左右。时钟的走时精度只有在满弦的前五天最高，越往后精度越低，一周误差在一分钟左右。对点拨针的操作复杂，由于是人工操作，在时间校准时难免存在误差。为了具有夜视功能，有些时钟的钟面和指针使用镭材料，具有对人体有害的放射性。大多数时钟还有加热装置，在加热过程中容易导致时钟表油冻结，同时摆动游丝也会发生变形，从而给时钟的使用和精度带来较大影响。

另外，其他部分飞机使用的是电子机械时钟，始终工作时由高频石英振荡器产生震荡信号，经CMOS集成电路分频、放大后输出脉冲信号，驱动步进电机单向转动再经齿轮传动系带动现时秒、分、时针转动以指示现在时间。在实现测时或航时功能时，需启动测时或航时机构，按动测时或航时手柄后，齿轮传动系带动测时或航时离合轮及回零簧。通过测试或航时离合轮与主传动的齿合、脱离来实现测时或航时的启动、停止。通过回零簧的运动来实现测时或航时的回零。

国外的航空时钟早期也采用传统机械时钟，目前多被可GPS卫星校时的全数字化航空时钟所取代。

3 高精度数字化航空时钟的优势

高精度数字化航空时钟可通过飞机电源对其供电以及自身的备用电源工作，保持不间断的连续计时，具有掉电保护功能，即使机上电源关闭，数字时钟内部的备用电源仍将维持时钟继续工作。时钟未使用卫星校准时，扔能保持高精度计时及校准，每天的时间误差不超过0.1～0.4秒，并且高精度不会随着时间的累计而降低。通过卫星系统校准时，精度可达10-6秒级，使得授时后的时间精度远远高于传统航空时钟。如此高精度的时间基准还可应用于机群系统的其他时间应用，如时钟同步。全数字化显示和控制，运行时基本无任何声响，不需添加对人体有害的夜光材料，背光的液晶显示屏在任何时候都能清晰的看到时间和方便计时。

随着我国北斗导航卫星定位系统的日趋成熟，可北斗卫星校时的高精度数字化航空时钟成为航空时钟今后的主要发展趋势。

4 应用设计

可北斗卫星校时的高精度数字化航空时钟是一台全数字化航空时钟，无机械转动部件，精度高、显示清晰、工作可靠、使用方便，外部断电后，内部备用电源可使时钟继续长时间运行，其机芯内数字化的结构使得时钟可以获得高精度的现在时间以及计算精确的航行时间。时钟内部有可模拟指针走动的测时机构，使得时钟的测时显示更加直观、方便。同时，时钟内的北斗接收模块在通过卫星的校准后，可以获取更精准的时间。根据特殊用户需要，还可以提供北斗高精度时间、经纬度、高度及飞行速度等。

可北斗卫星校时的高精度数字化航空时钟包含高精度的标准时频装置和卫星信号校时系统。标准时频装置具有智能学习算法，在驯服晶振过程中能够不断“学习”高稳晶振的漂移等特性，并将这些参数存入板载存储器中。当卫星信号出现异常或不可用时，该装置能够利用高效的智能保持算法，继续提供高可靠性的时间和频率基准信息输出，能保持长时间的较高精度。卫星信号校时系统除了原有的时钟系统外，还具有可北斗卫星校时的选件，通过接收与解调北斗卫星信号，在必要时输出受北斗授时信号控制的时间信号。满足特殊用户对精准时间或同一时间的需求，如瞬态记录系统，超视距攻击系统等。显示的时间由选件自动校准，无须人工校时。

研制可北斗卫星校时的高精度航空时钟，最核心的部分是将需要的功能用复杂的软件算法来实现。其中包括北斗卫星定位及接口输出算法、协议结算及时间提取同步算法、主从机数据传输及通信算法、时间显示与计时控制算法、高精度时间校准算法等，同时为了更好的与硬件匹配，还需要完整的程序调试及算法优化。