2023年11月30日发(作者：)

２０１２年６月

舰船电子对抗

ＳＨＩＰＢＯＡＲＤ ＥＩ ＥＣＴＲ０ＮＩＣ Ｃ０ＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ

Ｊｕｎ．２０１２

ＶｏＩ．３５ Ｎｏ．３

第３５卷第３期

高精度时间对准系统研究

张 坡，张 方

（中国电子科技集团公司２７所，郑州４５００４７）

摘要：在复杂系统中各个独立子功能模块常常需要精确系统时间同步来完成系统功能，描述了目前不同领域中存在

的几种高精度时间对准系统，分析其中优缺点，并提出了一种基于复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）的高精度时间对准

系统，用低廉的成本，实现了较高精度的时间对准。

关键词：复杂可编程逻辑器件；时间同步；时间对准系统

中图分类号：ＴＮ９６５．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：ＣＮ３２—１４１３（２０１２）０３—００５４—０３

Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ａｃｃｕｒａｃｙ Ｔｉｍｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ

ＺＨＡＮＧ Ｐｏ。ＺＨＡＮＧ Ｆａｎｇ

（Ｔｈｅ ２７ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｂ—

ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｔＯ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ

ｓｅｖｅｒａｌ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｉｍｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｏｍａｉｎｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅｉｒ ａｄｖａｎｔａ—

ｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄ ｂｒｉｎｇｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｉｍｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ

ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ），ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｉｍｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ

ｌＯＷ ｃｏｓｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ；ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ

０ 引 言

在很多复杂系统中，为了保证各分系统（设备）

信息的实时性和准确性，需要有一个时间对准系统

来实现系统的时间同步。不论是采用原子钟还是基

较大差异。

１．１互联网时间对准系统［１ｌ

现在解决分系统（设备）间的时间同步问题最直

接、最简单的方法就是通过互联网进行时间比对，它

仅仅需要为分系统（设备）提供标准的授时软件，并

且提供与时间服务器的接口，分系统（设备）就能通

过授时软件访问时间服务器，从而保证时间同步，精

度通常可以达到ｍｓ级。互联网时问对准系统采用

于全球定位系统（ＧＰＳ）同步设备，批量装备代价较

高，并且不易维护。

为降低设备成本，简化设备的操作和维护，同时

又能满足系统的时问同步要求，本文提出了一种基

于复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）时间同步技术，并

ＮＴＰ协议，使得分系统（设备）在任何地点既能连接

上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与世界标准时间服务器进行时间同步校

通过使用高精度、高稳定度的恒温晶振来实现系统

内的时间同步。

准，也可以连接到局域网上的时间服务器进行时间

同步校准。它不需要分系统（设备）针对时间同步问

１ 目前存在的时间对准系统

目前存在多种时间对准系统，每种又具备不同

的特点，而不同的时间对准系统的时间同步精度有

题专门配备时间接收、测试模块，减少软硬件成本。

互联网时间对准系统不受地域限制，非常容易

实现，但由于网络数据传输的不确定性及不稳定性，

其同步精度不高，限制了其在时间同步精度要求较

收稿日期：２０１２—０４—２６

第３期 张坡等：高精度时间对准系统研究 ５５

高场合的应用。

１．２无线电波授时系统

无线电波授时系统采用无线电波传递时间信息

和时间标准，然后由无线电波接收器对接收到的时

间信息同本地时钟进行比较，同时自动扣除在传播

路径上的延时以及其他各种因素造成的误差，从而

实现不同分系统（设备）间时间的同步。无线电波授

时同步技术的授时精度较高（长波为Ｉｒｉｓ级，短波为

“ｓ级，超短波可达１０ ｎｓ级），它需要分系统（设备）

具有无线电波接收模块。

无线电波授时同步技术至今已经有至少８Ｏ年

的历史，其应用范围广，相对来说无论发送还是接收

设备实现简单、价格低廉。此技术最大的优点是可

以实时地校准本地时钟，但其应用受到了发射台的

地域限制。

１．３ ＧＰＳ授时系统［ ］

ＧＰＳ是美国海军天文台建立的一套高精度导

航卫星全球定位系统，它由２１颗工作卫星和３颗在

轨备用卫星（总共２４颗卫星）组成。它们按一定的

规则分布地球的轨道上，人们在任何地点、任何时刻

都能看到４颗以上的卫星，从而满足了随时随地进

行定位、测量的需求。

ＧＰＳ是一种单程系统，它只向用户发送信息而

不接收，因此用户非常隐蔽并且其数量不受限制，授

时精度可达３００ ｎｓ。但ＧＰＳ授时系统有一个严重

的缺陷，其现在受美国军方控制，无法保障用户应用

数据的稳定和安全。

１．４ ＩＲＩＧ—Ｂ码

ＩＲＩＧ—Ｂ码（以下简称Ｂ码）是美国靶场测量组

推荐的格式时间码之一，该码在世界各国靶场应用

广泛。Ｂ码又分直流码ＩＲＩＧ—Ｂ（ＤＣ）（以下简称ＤＣ

码）和交流码ＩＲＩＧ—Ｂ（ＡＣ）（以下简称ＡＣ码）。ＤＣ

码传输距离短，但授时同步误差小；ＡＣ码传输远，

但授时同步误差相对较大，其同步精度目前能够达

到 ｓ级。

２ 高精度时间对准系统的实现

ＣＰＩ Ｄ是一种较可编程逻辑器件（ＰＩ Ｄ）更为复

杂的逻辑元件，是当今应用非常广泛的可编程专用

集成电路（ＡＳＩＣ）。ＣＰＩ Ｄ具有静态可重复编程和

动态系统重构的特性，可以像软件一样通过编程来

修改数字电路，极大地提高了系统设计的灵活性和

通用性，延时可预测，稳定性好，设计灵活，抗干扰性

强，克服了硬件分立器件的不足。

本系统使用Ａｌｔｅｒａ公司的ＭＡＸＩＩ系列芯片

ＥＰＭ１２７０ＴＩ１４４１５，采用了全新的ＣＰＬＤ体系结构，

其速度快，功耗小，容量大，同时又保持了原有的易

用性、非易失性和即用性。在主时统模块中ＣＰＩ Ｄ

主要实现逻辑控制、计时器、产生秒脉冲等功能，在

从时统模块中ＣＰＬＤ主要实现逻辑控制、计时、接

收秒脉冲清零、测量延时误差等功能。

５６ 舰船电子对抗 第３５卷

主时统模块 从时统模块

、

Ｔｒ ＋ｒ 、Ｔｒ２＋ｒｚ的值，计算出误差值即时间同

从上述内容可以看出，在此时间对准系统中，时

步误差。

间对准分为秒以上时间数据（含秒级）的对准和秒以

接收端经处理电路到达同步电路的延时 ）、外部

下时问数据的对准。秒以上时间数据对准由主时统

模块每秒向从时统模块发送一次主机计数器的秒以

传输延时（同步信号在介质中传输延时ｒ。）。电路

延时主要与电路复杂程度和器件反应速度有关，一

般为１０ ｎｓ～０．１肚ｓ量级。介质传输按光速计算，

３００ ｍ电缆传输延时即达到１ ｔＬｓ，总延时误差ｒ采用

最大估算为ｒ—ｒ ＋ｒ ＋ 。一旦系统硬件设计和

传输介质固定，则ｒ值固定。时统模块中设有测距

单元，可在设备复位或通过指令对各分站进行延时

测量校正。

测距单元的工作原理是：向各分站发送１个测

距信号，此测距信号同时作为计时开关开始计时，当

各分站接收电路收到测距信号后，利用硬件把测距

信号直接转发回去；测距单元收到转发过来的信号

后关闭计时开关，停止计时，计时器的计时信息即是

主从时统模块两站之间的信号延时ｒ，所以在从时

统模块中的时刻应该是当前时刻加上ｒ。

高精度时间对准系统实现框图如图３所示。

ＧＰｓ罐 接１：３

读信号： Ｚ测试延时信号

测试延时信号ｆ Ｉ ｌ清零信每 ——下 零信 ｌ语ｌ

ＧＰｓ校时接日ｒ 土 口通信ｌ分机 ｌ串口通信 Ｌ— ５； ｓ校时接口

Ｇ 校

】Ｊ．——＿Ｊ Ｌ——＿．｛分机”

图３ 高精度时间对准系统实现框图

图３中，在主机时统模块和分机时统模块中采

用了同一种恒温晶振，计时电路和控制电路全部在

ＣＰＬＤ芯片中设计，这样大大降低了硬件成本。设

备开机后由主机向分机发送测试延时信号，测得延

时时间 并保存。在主机时统模块中，每秒钟产生

清零信号，同时锁存秒以上时刻Ｔ。主机时统模块

将清零信号和时刻Ｔ传输给分机时统模块，分机在

清零信号到达时对分机时统模块中秒以下计时器清

零，在收到秒以上时刻Ｔ后由分机更新分机时统模

块秒以上的时刻。主机向各分机下发读取脉冲信

号，同时锁存主机时刻Ｔ ，由读取信号分别锁存分

机时刻Ｔ 和Ｔ ，也可以采用ＧＰＳ校时接

口引入ＧＰＳ信号，测试出 、丁 和丁，２，最后比较

上时间数据（含秒级）保证。秒以下时间数据对准由

主时统模块每秒钟发送秒脉冲信号对从时统模块秒

以下时间计数器清零和保证恒温晶振器件的性能。

主时统模块的时刻应该是其时统电路的时刻，而从

时统模块中的时刻应该是其时统电路的时刻加上外

部传输的延时。此方法比较容易实现且成本比较低

廉，只需要在主机和分机上采用相同的恒温晶振和

时统电路就可以实现较高的时间同步精度。

４ 结束语

目前基于ＣＰＬＤ的时间对准系统已在多个大

型的系统中得到应用，在相同的硬件成本条件下，成

功提供了时间同步的精度。某大型系统在采用频率

２０ ＭＨｚ、频率稳定度５×１０ 晶振的条件下，实现

了０．５“ｓ的时间同步。应用结果表明：此方法采用

了单向时间同步信息的发送机制，仅需要少量的时

间信息交换就可以在相同的硬件成本下实现较高时

间同步精度。

由于时间数据信息量小、时间同步精度高的特

性，所以该系统对时间同步精度要求比较高而硬件

成本较低的大型分布式系统有着广泛的应用价值。

预期此时间对准系统统可以达到更高的时间同步精

度。能够进一步提高时间同步精度的方法主要有：

（１）提高时钟频率源的频率，可有效降低时间

同步误差；

（２）提高时钟频率源的频率稳定度，减少时钟

晶体累积误差。

参考文献

［１］ 张九宾，张丕状，杜坤坤．基于ＧＰＳ的无线传感器网络

时间同步技术［Ｊ］．传感器与微系统，２００９，２８（６）：

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［２］吴宁，潘小龙，虞皆侠．高精度ＧＰＳ同步时钟的研究与

实现［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，Ｓ２（１０）：１６—１８．

［３］ＧＪＢ２９９１—９７，Ｂ时间码接口终端ＩＳ］．