原子时系统主备钟同步技术研究

杨 帆 陈学军 张 然

(1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.中国西安卫星测控中心，陕西西安 710000)

1 引 言

随着时间频率技术的高速发展，各行业对时间频率的精度要求越来越高，建立与保持原子时系统也逐渐成为各时间保持与应用单位的基础工作。众所周知，原子时系统的实时物理信号是由主钟系统产生的，主钟系统的运行状态直接关系到整个守时系统的性能。为了提高系统的可靠性，保证原子时系统实时物理信号的连续稳定输出，为主钟系统建立一套备份钟系统成为重要举措之一。正常情况下，备份钟系统与主钟系统均持续运行；当主钟系统出现异常，备份钟系统代替主钟系统开始工作。为了保证主钟系统向备份钟系统切换时的时间连续性，主备钟系统之间的时间同步是其中的关键[1]。

本文介绍了原子时主备钟同步系统的设计，开展主备同步技术研究，结果表明通过主备同步技术，可保持主备信号时间频率的实时一致性。

2 主备钟同步系统设计

原子时系统的主备钟同步系统结构如图1所示。

图1 主备钟同步系统结构图Fig.1 Structure diagram of the master-backup consistency system

在原子时系统中选出两台性能优良的原子钟分别作为系统的主钟和备份主钟。主钟的10MHz经1台相位微调仪后输出主路信号，同时，备份主钟的10MHz经1台相位微调仪后产生备路信号。时间间隔计数器实时采集主路1PPS和备路1PPS之间的时差，主备同步算法利用该时差对备份主钟信号进行调整。主路1PPS和备路1PPS，以及主路10MHz和备路10MHz分别接入脉冲转换开关和频率转换开关。主备路均正常运行时，转换开关选通主路信号作为UTC(k)输出；主路出现异常后，工控机控制转换开关，使其选通备路信号作为UTC(k)输出。除了转换开关的切换速度，主备路信号的实时同步是保证主路切换到备路时UTC(k)连续稳定的关键。

3 主备路信号实时同步技术

主备路信号实时同步包含两个关键技术，分别是备份主钟的实时调整技术和主备路原子钟性能实时监测技术。

3.1 备份主钟实时调整技术

对备份主钟的调整分为两步[2]，分别是初始脉冲同步和实时频率微调，备钟调整流程如图2所示。

图2 备钟调整流程图Fig.2 Flow chart of backup clock adjustment

3.1.1初始脉冲同步

系统运行伊始，备份主钟按照自己的频率特性自由运行，其脉冲和频率输出与主钟相互独立。初始脉冲同步是利用相位微调器的PPS同步功能，将主备钟输出的脉冲信号粗同步到一个较小的范围内(该范围由相位微调器的指标决定)，通常脉冲粗同步后主备时差仍在百纳秒量级。然后通过相位微调仪对备份钟发送相位调整指令，使主备时差调整至纳秒量级，即相位精同步。初始脉冲同步动作只在系统运行初始执行一次，要保持主备钟的持续同步需要通过第二步微调频率同步来实现。

3.1.2实时频率微调

主备钟同步系统开始运行之后，为了保证备份主钟与主钟的实时同步，需要根据主备钟差实时计算主备时差和频差，并对备份主钟频率进行微调。

本主备同步系统中，设置时间间隔计数器的采样周期为1s，工控机通过串口实时读取计数器采集的主备钟差，经主备同步算法处理后得到备份主钟的频率微调量。主备同步算法流程如图3所示。

图3 主备同步算法流程图Fig.3 Flow chart of master-backup consistency algorithm

主备同步算法对采集到的本周期内钟差数据进行异常值检测与修正[3]，并实时计算备份钟相对于主钟的频率偏差和相位偏差。若偏差超出阈值，无论是否到达调整时刻，都应立即计算备份钟的频率调整量，并利用相位微调器对备份钟的频率进行驾驭。若偏差在阈值范围以内，需判断是否到达调整时刻，再根据判断结果采取不同的操作：调整时刻未到，则继续进行钟差预处理和判断是否超出阈值；调整时刻已到，则计算备份主钟调整量并执行调整动作。至此，一个调整周期结束，进入下一个调整周期，重复以上数据预处理、判断、计算与调整操作。

实现主备钟的实时同步，最主要的两点是调整周期的选择和调整量的计算。一般来说，调整周期越短，备钟对主钟的跟踪效果越好；调整量越小，对备钟原有频率特性的影响越小。

调整周期需要根据备份钟实际运行状态决定[4]。备钟频率调整量的算法[5,6]如下。

1)设置相位偏差阈值Mp和频率偏差阈值Mf；

2)计算当前备份主钟相对于主钟的相位偏差p，若p超出阈值Mp，则通过相位偏移量得到的一个频率调整分量offset1=-(p-Mp)/T(T为调整周期)；

3)对异常值修正后的主备钟差进行最小二乘线性拟合，得到备份钟的频率偏移量f，若f超出阈值Mf，以其相反数作为一个频率调整分量，记为offset2=-f；

4)计算备份钟的频率总调整量offset=offset1+offset2。

3.2 主备路原子钟性能实时监测技术

原子钟作为一种精细复杂的设备，其运行状态会受到各种各样内因外因的影响，而主钟的运行状态又在整个原子时系统中占据着至关重要的地位。研究主备同步技术的目的就是在主钟出现异常的情况下，能及时利用备份主钟替代主钟，使得系统能够稳定无间断地运行，因此主备钟状态监测也是主备同步的关键[6]。

3.2.1原子钟性能表征

原子钟的性能一般通过准确度、稳定度和漂移率来表征[7]。

准确度是指频率的实际值相对标称值(给定值)的偏离程度。在原子时系统中，该标称值通常为综合时间尺度TA。

原子钟内部，引起频率随机起伏的主要有五种独立噪声，尽管噪声的幅度和相位准确值不可预见，但预见噪声的随机程度是有可能的，定量地描述这种随机变化程度的量称为频率稳定度。同样的，稳定度也是一个相对概念，原子时系统中，通常以原子钟相对于综合时间尺度TA的稳定度来表征该钟的稳定度性能。

频率漂移率一般是指频率在单位时间内的单方向变化量，它表征原子钟内部振荡器在连续运行过程中频率值随时间的有规律变化。在原子时系统中，频率漂移率由原子钟与TA的时差数据计算得到。

3.2.2原子钟异常状态的判定

在主备同步系统中，实时计算主钟和备份钟的准确度、稳定度和漂移率，并将计算结果与监测阈值进行比较(阈值的选择由正常情况下钟的历史运行状态决定)。当主钟的任何一个性能表征量异常，则给出告警信息，操作人员需对其进行进一步异常排查；若判定其无法继续担任主钟角色，则进行主备切换操作。若备份钟的性能出现异常，则需要从钟组中重新选择一台钟作为备份主钟，保证主备同步系统的持续运行。

主备钟状态监测流程如图4所示。

图4 主备钟状态监测流程图Fig.4 State monitoring process of master-backup clock

4 实验结果分析

根据所述原理搭建原子时主备同步系统，并利用自行开发的主备同步控制软件对该系统进行调整控制。

系统运行伊始，以主路1PPS为参考，利用备路相位微调仪的PPS同步功能，将主备路信号进行粗同步；此时，并未对备份主钟的频率作调整，仍以其自身频率特性运行，粗同步后系统运行1h，运行结果如图5所示。

图5 初始运行时的主备钟差波形图Fig.5 Clock differences of master and backup clock during initial operation

利用图5中1h的主备钟差计算备份主钟相对于主钟的频率偏差和相位偏差，分别为1.21E-13和221.9ns。然后对备份主钟进行相位精同步，将主备相位调整至0ns左右，此时，仍未对备份主钟的频率进行调整，该过程对应图6中的T1周期。系统在T1周期运行1h后，利用运行结果计算备份主钟的频率微调量，系统进入频率微调阶段，对应图6中的T2周期，在该周期运行1h，主备相对频率偏差已提高1个量级。根据T2的运行结果再次计算备份主钟相对于主钟的频率偏差和相位偏差，并再次对备份主钟进行调整。经过两轮调整，主备运行状态趋于稳定。图6中的T3周期和T4周期，即运行稳定后的状态，可见，主备钟差保持在(0.25～0.35)ns，主备频差保持在2E-15以内。

图6 调整至稳定运行过程中的主备钟差波形图Fig.6 Clock differences of master and backup clock during adjusting to stable operation

5 结束语

本文设计了原子时系统中的主钟和备份主钟同步系统，并对主备同步技术进行了深入研究，通过搭建实验系统和开发主备同步软件，使主备路的相对频率频差和相位偏差保持在很小的范围内。为提高原子时系统的可靠性、稳定性，实现原子时系统的主备路无缝切换提供重要支撑。