刘朕 智世鹏 丁晓阳

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050000）

精准的时间是同步的基础，同步是数字通信的基础[1]。随着数字化处理技术的发展，在无线通信、数字采集以及控制系统等领域中，对时间的同步精度要求越来越高[1-3]。由于北斗卫星中所搭载的原子钟可提供高精度的时间，因此，北斗授时已逐渐成为低成本高精度授时的首选方案。

但北斗高精度授时需要时刻接收卫星信号，给使用场景带来了较大的限制，本文利用北斗授时结合高精度守时算法，设计了高稳定守时系统，实现了在北斗无信号情况下的低成本高精度授时。

1 系统的组成与工作原理

1.1 系统组成

高稳定守时系统分为整体上分为三部分：北斗接收机部分、守时模块部分和电源部分。其中，北斗接收机完成北斗信号解析，获取精准的北斗时间，用于给守时模块进行授时和驯服。守时模块部分用于北斗信号无效时的守时和对外授时。电源部分为整个系统提供各种需要的工作电源。系统的组成框图如图1所示。

1.2 工作原理

北斗接收机接收卫星信号，获得电文中的精确时间信息，生成高精度1PPS脉冲信号和TOD时间信息，并输送给守时模块。

图1：高稳定守时系统框图

图2：北斗接收机模块实物及尺寸图

图3：北斗接收机典型电路

图4：守时模块电路原理图

图5：电源变换电路图

守时模块中的晶振控制单元测量北斗1PPS和晶振1PPS之间的误差，建立晶振的漂移模型，并计算频率修正值，通过调整电压控制晶振的输出频率，完成对晶振的驯服。内部RTC用于粗略时间的保持，结合晶振的误差模型及对晶振的频率补偿，获得精确的1PPS秒信号，完成对高精度守时功能。

电源模块中DC/DC电源对输入电源进行电压变换，电源控制模块形成各模块工作需要的电压，并给电池组充电。电池组在外部电源断开时，为整系统提供电源。实现证系统的断电守时功能。电池组温度管理模块监控电池组温度，在电池组温度过低时启动加热，温度过高时断开充电电源或输出电源，保证电池组的工作稳定性和安全性。

2 系统方案设计

系统的方案设计分为三部分：即北斗授时部分、守时模块部分和电源部分。北斗授时部分以北斗接收机为主，使用北斗接收机获得高精度1PPS秒脉冲信号和串口授时信号TOD，为守时部分提供时间基准。高稳守时部分以恒温晶振和控制单元为主，控制单元通过晶振的压控脚可调整晶振的输出频率，使晶振时刻输出高精度的1PPS和10MHz的信号，实现高精度时间的保持。电源部分对输入电源进行电压转换，为整个系统提供工作电源，保证整系统的电源特性。

图6：5只典型OCXO的7天老化曲线（横坐标为时间，单位：hour，纵坐标为频率变化量，单位：E-10）

图7：OCXO精度曲线图

2.1 北斗接收机设计

北斗授时部分采用ATGM332D 高灵敏度北斗/GPS 双模接收机模块，包含 32 个跟踪通道，可以同时接收所有的 GPS 和北斗可见卫星。具有体积小，功耗低，成本低和灵敏度高的特点。北斗模块的实物及尺寸如图2所示。

北斗接收机模块主要性能参数如下：

接收灵敏度：-160dBm。

授时精度：50ns。

平均功耗：700mW。

北斗接收机典型电路如图3所示。

2.2 守时模块设计

守时模块是高稳守时系统的核心部分，在功能上分为恒温晶振单元和晶振控制单元两部分。

其中，恒温晶振单元使用恒温晶振OX36B-H-BR-V-10M作为核心，晶振控制单元输出控制电压VC施加到恒温晶振的压控管脚上，实现对晶振输出频率的调整。恒温晶振单元中的PLL电路将晶振输出的10MHz转换成1Hz的1PPS秒脉冲信号，用于对外授时。

晶振控制单元解析北斗接收机输入的TOD串口信号，得到年月日时分秒的信息，和北斗接收机的定位状态，用于选择是否继续使用北斗1PPS驯服晶振。

晶振控制单元采集晶振输出的1PPS和北斗1PPS之间的差值，对差值进行模型分析，建立晶振精度漂移的误差模型，计算晶振频率补偿量，并转换成电压信号VC，输出到晶振的压控管脚，调节晶振输出频率，完成对晶振的驯服过程。

守时模块电路图如图4所示。

2.3 电源设计

电源设计部分中DC/DC电源模块使用市场上成熟的升降压电源，电池组采用3节18650电池串联，电源控制模块将12V变换成各模块需要的工作电压。

电源部分电路原理图如图5所示。

2.4 晶振补偿算法设计

本系统的设计指标为24小时守时精度30us，由守时精度与频率准确度的关系如下式所示。

其中，ΔP：守时精度（ns），ΔF：频率准确度（ppb），T：时间（s）。

可知，ΔF≤ΔP≤ /T=0.347（ppb）。即补偿算法的频率准确度阈值设置为0.3ppb。

晶体的频率稳定性关于时间的数学模型可用下式表示：

其中，t为时间，T为温度，A,B为常数，f0为晶体额定频率。

由式（2）可知，OCXO的频率特性主要体现为老化特性（时间特性）和温度特性。一般情况下OCXO温度特性曲线不具备单调性且每一只OCXO的温度特性曲线都不一样，因此器件选型时选用了恒温晶振作为时钟源，晶体工作中的温度保持不变（在90℃左右），即可忽略温度对OCXO的频率影响，因此只需利用最小二乘法拟合老化特性中的常数A,B即可。晶体的老化特性曲线如图6所示。

3 试验验证与分析

选择两套设备设计了对比试验，其中第一套设备自由运行，验证晶体的老化特性，即频率漂移与时间的关系如图7（左）所示，以及经北斗驯服2小时后，守时24小时期间精度随时间变化的关系图7（右）所示。

由图可知，经过补偿算法处理后，晶体的24小时守时精度可达到3us，而自由运行状态下，24小时的精度只有600us。补偿算法对精度的改进效果明显。

对于大多数通信系统，1us的精度已能满足时间同步需求，因此，该系统允许长达10小时的断电情况存在。这也为该系统对便携式应用提供守时成为可能。

4 结束语

随着科学技术的发展，通信、导航、控制、航空等越来越多的领域需要精确的时间实现同步，授时和守时系统的应用也越来越广泛[4]。尤其在高精度守时方面，由于原子钟高昂的成本，难以在低成本领域内大规模使用，而成本相对较低的恒温晶振应运而生[5]。因此，对恒温晶振的特性研究和算法补偿也越来越受到人们关注，具有非常重要的意义[6,7]。

高精度守时系统选用了恒温晶振作为守时核心，恒温晶振由于工作的温度相对恒定，可尽量避免温度对晶振频率特性的影响，不仅保证了守时精度，而且简化了晶振的数学模型，降低了补偿算法的难度，通过2小时的北斗1PPS驯服，可达到24小时3us的守时精度，且具备断电守时的能力，具有广泛的应用前景。