基于卫星授时的时间同步系统设计
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摘 要：為满足电力和测控通讯等领域对高精度时钟的要求，提出一种新型的基于GPS/BD双模接收机的时钟驯服的软、硬件设计及其实现方法。本文提出了一种新型的基于卫星授时的高精度时间同步方法，系统的设计结构采用“ARM+FPGA”，时间间隔测量方法使用脉冲计数法计算时间间隔差值，极大的提高了钟差测量精度和系统运行效率。数据处理在ARM处理器中实现，引入无偏FIR滤波算法对钟差数据进行滤波，提高了钟差的滤波精度。
关键词：卫星授时 同步 算法
中图分类号：U172 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（c）-0076-02
从古人的日出而作，日落而息，到今天人们设定上下班时间，高铁、飞机等出发和到达时间等，无时无刻不显示出统一时间标准的重要意义。同时，随着科学技术的飞速发展，在一些特殊领域，如天文观测、军事测绘和保密系统等，高精度的时间同步系统和精确的时间信息是至关重要的[1-2]。
为此，本文提出了一种新型的高精度时间同步系统，采用“FPGA+ARM”的设计结构，在FPGA测量钟差数据，极大的提高了系统运行效率。数据处理在ARM处理器中实现，引入无偏FIR滤波算法对钟差数据进行滤波，提高了钟差的滤波精度。
1 系统总体设计
1.1 时间同步原理
系统的基本调控原理可以设计为锁相环控制机制[3]，利用滤波算法和控制算法计算反馈控制量对本地时钟源的输入电压调节，最终使其输出高精度频率信号。
1.2 时间间隔测量方法
本文中时间间隔测量部分在FPGA中实现，FPGA具备了倍频、分频和时间间隔测量等功能，系统在降低成本的同时仍能够保持精确的测量时间间隔差值，误差保持在5ns以内，符合预期设计。实际倍频越高，测量的时间间隔差值误差越小。
2 无偏FIR滤波算法
本系统中引入无偏FIR滤波算法对时间间隔数值进行滤波处理。文献[4]提出了一种用于状态空间模型的无偏FIR滤波器，之后有学者将无偏FIR滤波器设计用于线性时间间隔误差的模型中，实现了较好的效果。
2.1 无偏FIR滤波器原理
在实际应用中，工作环境的不确定性和信号测量中存在的误差等因素使采集到的信号除了真实值以外不可避免地包含了噪声，噪声的存在会使计算结果出现偏差，因此在对采集的信号进行计算前必须使用滤波器滤除信号中的噪声，数字滤波器是一种常用的滤波方法。
数字滤波器中有限脉冲响应滤波器（Finite Impulse Response， FIR）基本的实现形式可以使用冲激响应序列h（k）（k=0，1，...）来表示，本文对FIR滤波器进行了改进，改进后的滤波器对误差的处理结果是无偏的，并且使用迭代的思想，算法易于在微处理器中实现。
2.2 无偏FIR滤波模型设计
根据恒温晶振的数学模型，本地时钟的时间间隔误差模型可以用泰勒多项式来表示为：
其中：n=0，1，…;是时间步长，tn是离散的时间单位;是第次时钟状态;x1是初始时间误差;x2是本地时钟对于参考频率的频率补偿;x3是线性漂移率;本地时钟内部噪声和环境因素引起的偏差。
由于卫星时间信号传播不确定性，在实际应用中，忽略掉公式中的。将泰勒级数展开式应用于时间间隔测量模型的时间倒数，时钟状态和观测量表达式分别为：
使用无偏FIR滤波算法对钟状态估计，本文中需要获得的真实估计量，同时需要获得时钟状态x（n）的估计量。的无偏FIR滤波估计值通过离散时间卷积计算。
在时域中，K是被时钟的精度所确定的在N点范围上的滤波器储量。恒温晶振具有较高的短期稳定性，本文中设定K=1，计算得到所需值。
精确的滤波是控制的前提，改进的无偏FIR滤波算法滤波得到了准确的钟差估计量和钟差速度估计量。控制系统中数字PID控制算法具有一些良好的特性，例如快速性和准确性。在锁定状态下，系统中时钟的模型可以描述为：
实际应用中，PID控制参数由经验和试验相结合的方式予以确定，本系统设定初始概验值为。
根据本文的设计要求，最终选定滤波周期N=100s，时间同步误差保持在100ns以内。卫星信号正常工作情况下，通过1PPS信号驯服恒温晶振，驯服后的恒温晶振兼备了1PPS的高稳定度和自身的高准确度。
3 结语
卫星导航、勘测等特殊领域要求高精度的时间和时间同步信息，本文在传统时间同步系统的基础上，设计实现了一种“ARM+FPGA”结构的新型时间同步系统，详细叙述了时间间隔测量方法、无偏FIR滤波算法的实现要点。分析可得，引入无偏FIR滤波算法对钟差数据进行滤波，选取合适的滤波周期，优于传统的测量时间同步方法，驯服后的恒温晶振兼备了1PPS的高稳定度和自身的高准确度，可以提供精度更加准确的时间频率信号。
参考文献
[1] 李跃，邱致和.导航与定位[M].2版.北京：国防工业出版社，2012.
[2] 范文晶.基于GPS信号锁定二级频标技术的研究与实现[D].西安电子科技大学，2010.
[3] 杜文建.GPS与恒温晶振互补的高稳定时钟研究[D].南京大学，2012.
[4] Yu. S. Shmaliy， “A simple optimally unbiased MA filter for timekeeping，” IEEE Trans. On Ultrason.， Ferroel. and Freq. Contr.， vol. 2002，49（6）：789–797.
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