一种提高时间同步系统守时精度的方法

潘玲娇

(江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

信息科学的快速发展及其在社会各个领域中的日益广泛应用，对现代化社会的发展起到了极大的推动作用，同样也对军事领域产生了深远的影响。作战系统中的军用信息网，建设指控系统、指挥调度系统等多个信息系统，多个信息系统之间的时间同步，对作战的正常开展和有效打击起到了重要的作用。为保证这些系统协同工作，需要高精度的时间同步系统，将各系统的时间进行统一校准。

军事作战主要在隐蔽的山林环境中部署与活动，通常利用自然屏障进行伪装防护，作战阵地多部署在山林地区，地形植被复杂多样，易导致时间同步系统的天线被遮挡，北斗接收信号受限。此外，敌人常播发欺骗干扰信号，干扰一切依赖北斗系统运作的武器，导致我军武器无法正常接收或接收错误的北斗导航电文，从而无法保证各作战系统的时间统一。因此，时间同步系统需要在没有北斗作为时间频率参考，依然能保障时间同步系统输出精准的频率、时间信号，要求时间同步系统在各种环境下实现守时功能。

1 守时原理

根据守时精度的要求，利用以FPGA为控制核心，以北斗模块的1PPS+TOD为参考，在北斗模块运行稳定以后，自动与北斗模块时间频率校准，以保证守时模块的1PPS+TOD保持在时频装置断电前的精度[1]。温控守时算法主要实现掉电守时模块进入守时模式时，温度传感器可实监控环境温度变化情况，FPGA根据环境温度及高稳晶振的老化特性来保证守时模块的守时精度[2]。

守时模块配有温度传感器，可实时监测外部温度变化，根据外部温度的变化率、温度变化总幅度与高稳恒温晶振自身的温度特性结合起来进行数学建模[3]，实时进行温度特性的补偿(见图1)。通过FPGA作用于压控DA进行实时压控电压调整，让恒温晶振保持在一个相对稳定的频率范围内，从而降低了温度大范围变化导致恒温晶振自身频率的变化，从而提高守时精度。

图1 守时原理框

设备无外电时，电池组会给守时模块供电，以保证时间和频率的准确性。FPGA与电池组之间通过一个状态串口实现数据通信。

2 温控守时算法

温控守时算法主要实现守时模块进入守时模式时，温度传感器可实监控环境温度变化情况，FPGA根据环境温度及高稳晶振的老化特性来保证守时模块的守时精度[4]。高稳恒温晶振的频率准确度会随着时间和外界环境变化，主要体现为频率的温度稳定度和老化特性。

为提高守时精度，需要从两个方面进行控制：(1)频率根据温度变化的补偿控制；(2)频率根据时间所进行的补偿控制。

高稳恒温晶振的准确度受一定的环境影响，在众多环境因素中，温度的影响尤为严重，本方案从温度补偿出发，通过测量晶振周围温度，试验阶段借助外参考来学习温度和晶振频偏的对应曲线关系。在正常工作时，通过温度和频率的曲线关系，借助温度贴片芯片的温度测量，完成对频率的补偿，使工作晶振维持到高的精度和稳定度。同理时间的补偿亦是如此。

本方案采用在线的线性拟合方法进行线性拟合，可以节省人力，提高程序的自动化程度，其在线叠加的线性拟合公式如下：

Slope=

xi为当前时间或者温度；yi为当前频率；Slope为老化系数或者温度系数。

3 测试结果

根据大量仿真发现，守时的精度随着采样温度数量的增加，其精度也会逐渐精准，适合长时间计算。经过实际测量在同一个环境下高稳恒温晶振的频率随时间和温度变化如图2所示。

图2 晶振温度偏移量

可以看出温度对于晶振频率有较大的影响，通过温度参数的计算，可的剔除温度对频率的影响。如图3所示。

图3 晶振消除温度影响后的频率偏移量

4 结语

本文提出的温控守时算法切实可靠，可有效抑制温度对高稳恒温晶振的频率影响，从而提高守时精度，在实际使用中有很强的应用价值，大大提高了时间同步系统的守时精度。