成都金诺信高科技有限公司

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高精度监测系统(XPTM-6501) 技术方案

发布时间:2020-05-18 16:12

概述

XPTM-6501是成都金诺信高科技有限公司开发的一款高集成度、高同步精度、高监测精度的便携式监测系统。

XPTM-6501接收北斗/GPS定位和定时信号,驯服恒温晶振,产生高精度、高稳定时间频率信号,同时具备高精度守时和定位功能,输出1pps和10MHz信号,可为雷达等用户设备提供标准时间、位置信息和频率信号;同时,XPTM-6501具备高精度网络、时码监测功能,可对到达的网络报文记录精准时间戳,并将时间戳添加在报文末尾,通过网络存储到网络监控服务器;采用我公司提供的配套XPTM-6501高精度监测系统管理软件,可对监测系统进行管理,对网络报文时间戳进行分析等功能。

产品以公司自主创新的软时统技术为核心,以通用化、平台化的软硬件平台为基础,融合“高精度卫星同步技术”、“高稳驯服技术”、“高精度时间戳技术”以及“高精度守时技术”,具备高精度时频同步、高精度授时、高精度守时、高精度监测及记录功能。XPTM-6501具备如下特点:

高同步精度

卫星同步精度:

峰峰值≤20ns(相对UTC)。

峰峰值≤10ns(300公里以内,无通信模式下,监测系统间相对同步精度)。

PTP同步精度:

支持PTP组网:点对点PTP同步精度优于1ns

NTP同步精度:

支持NTP授时:NTP授时精度优于1ms

高精度快速守时:≤30us/1天(驯服1小时)。

高监测精度:

网络报文的监测时间戳精度≤1ns

网络报文的监测精度≤10ns

1pps+TOD监测精度≤10ns

高稳低噪

稳定度:5E-12@1s

噪声(10MHz):

-100dBc@1Hz

-130dBc@10Hz

-150dBc@100Hz

-160dBc@1KHz

-165dBc@10KHz

软时统技术

软时统技术是我公司自主创新的以软件算法技术替代硬件实现各种时频功能的新技术。XPTM-6501高精度监测系统全面应用软时统技术中的高精度卫星同步技术,高精度守时算法技术,高精度时码生成技术,高精度G灵敏度补偿技术(动态和便携环境下晶振频率具有方向性),高稳低噪驯服技术,高精度时间戳技术,与传统的时频技术相比,软时统技术使硬件更简单,具备以下优势:

最大可能减少硬件的需求,提高国产化率;

有利于平台化和通用化;

有利于提升产品质量;

可扩展性强,在硬件不变的前提下,通过软件升级,为未来实现更多功能和更好的性能提供保障。研制指导思想

产品设计贯彻“通用化、系列化、模块化”原则,积极开展“三化”设计;

遵循“六性”设计思想,提高产品环境适应性、可靠性、维修性、测试性、

保障性、安全性;

充分考虑技术的先进性、成熟性及可升级能力;

加强科研过程管控,样机测试试验充分,各类设计及交付文档完整、规范,满足标准化要求。

研制设计原则

架构合理性

硬件设计采用总线技术,设备架构简单清晰,模块之间耦合度低,通用性好。软件设计遵循架构化、模块化;软件架构清晰,模块功能定义合理,各软件模块间耦合度低,可靠性和可维护性高。

技术成熟性

公司始终坚持时频技术平台化思路,经过多年技术积累和产品应用验证,持续不断迭代升级,形成了自主创新的软时统技术,技术成熟可靠。

技术先进性

全面应用公司自主创新的软时统技术,以软件算法技术替代硬件实现各种时频功能;与传统的时频技术相比,软时统技术使设备指标更高、硬件更简单、功能更丰富。

迭代提升能力

硬件采用平台化思路,可支持未来时频技术的发展要求。通过软件算法升级,不断提升设备性能和指标。

自主可控

关键器件国产化,核心技术自主可控。对无法进行国产化替代的进口器件,进行充分的风险评估和制定替代保障计划,确保设备的可持续生产。

产品方案

关键技术分析

根据技术需求分析,XPTM6501高精度监测系统关键技术见表1所示。

表1关键技术与需求对应表

技术需求

关键技术

说明

高精度同步
高精度卫星同步技术
实现无通信模式下,各站北斗授时设备之间相对同步精度,优于峰峰值10ns
高精度守时
高精度守时技术
采用温度和老化分离技术,实现精准的温度和老化分离,实现守时≤30us/1天(驯服1小时)
G灵敏度
G灵敏度补偿技术
在动态下,晶振受方向变化带来频率变化,需要进行精准补偿,否则影响振动下的守时性能
高稳低噪
高稳低噪频标
高稳定度和低相噪频标是通信和雷达的频率参考源,直接影响系统指标,直接影响系统灵敏度和信噪比
高精度监测
高精度监测技术
实现对网络报文到达的高精度监测功能

高精度卫星同步技术

高精度同步技术,是实现高精度监测的基础和关键技术。影响高精度卫星同步(即相对同步精度)的因素主要有电离层和对流层延时误差、星历和卫星钟差、多径误差和接收机测量误差。

XPTM-6501高精度监测系统,采取以下几个方面的优化措施,有效的减小上述主要误差,实现系统内的所有高精度监测系统之间的高精度同步。

电离层和对流层延时误差

电离层和对流层延时误差是误差的主要来源,采用电离层和对流层误差修正模型,可消除大部分的误差。

星历和卫星钟差

随着技术的发展,卫星广播星历和卫星钟差越来越小,并且可通过获取卫星广播的报文,对其误差进行修正。

多径误差

消除多径有两种手段:

算法根据路径最短原则以及数据连续性原则判定,可以消除多径影响;

合理选择天线的安装位置,降低多径影响。

接收机测量误差

接收机测量误差消除包括:

硬件设计上避免产生解调误差;

器件选择上降低温度影响;

算法上进行温度补偿。

成熟的算法及修正模型,使接收机的精度得到极大的提高。

高精度守时技术

高精度守时技术是时频领域的关键核心技术。我司经过多年研究,自主创新独有的老化和温度特性智能分离技术,对温度和老化智能分离,实现更精准的学习和更精准的补偿。精准学习是其中的核心和关键,我们从多方面解决这个问题:

有效的数据识别;

环境的干扰分析;

物理的保护;

有效的补偿模型。

有效的数据识别

在驯服过程中,能够得到的数据有:驯服相差、温度、压控数据。由于驯服过程中存在参考噪声、本振噪声以及环境噪声,这些噪声综合在一起,相互影响;同时,本振上电后在不同时段的老化和稳定性均有差别,所以必须要消除这些影响因素,识别有效数据。我司经过多年对不同厂家、不同频点晶振进行长期数据观察,对温度、压控、环境以及时间进行分析,寻找到他们的关系,并建立有效算法模型,识别出有效数据。

环境的干扰分析

环境干扰包括电源、电磁、空气流动以及温度,通过获取温度老化、压控和相差的数据,同时检测温度,在加上时间量,建立模型,再根据实际数据跟模型匹配,若匹配度低则判定为无效数据,并进行剔除。

物理的保护

物理保护主要是让本振处于一个好的环境,包括防止电磁干扰、电源的波动,避免本振环境温度的快速变化,尽可能降低环境影响。

有效的补偿模型

通过有效的学习温度和老化,以及采用环境保护措施,加上好的模型,保证学习更准,补偿更准。

G灵敏度

由于晶体具有方向各异性,各个方向的加速度对晶振的频率均有影响。本产品在使用中会存在手持移动,即在动态环境下使用,晶振的输出频率会随着装备姿态变化以及运动加速度变化而变化,从而影响守时能力,所以必须对其进行补偿。

不同类型的晶振,G灵敏度指标不一,通常10M三次泛音的晶体,G灵敏度指标为2ppb,可以采用姿态传感器和加速度传感器,检测设备姿态以及不同方向的加速度,根据这两种传感器数据进行补偿,根据测试结果,补偿后的G灵敏度达到0.2ppb,远远满足监测系统指标,经过补偿后的G灵敏度对守时指标影响较小。

高稳低噪

高稳低噪是时频系统的重要指标。经过多年研究,已经实现国产器件的高稳低噪。

要实现高稳低噪,需要解决的几个关键技术是:降低参考噪声、参考和本振测量噪声、压控噪声、功分噪声、区放噪声等。

降低参考噪声

对于北斗/GPS源,我们采用高精度算法技术,有效降低参考噪声,使参考秒抖动0.1ns以内,将弱带宽的环路噪声影响降到最低。

测量噪声

采用高精度时差测量技术,参考秒和本地秒的时差测量精度优于25ps,将弱带宽的环路噪声影响降到最低。

压控噪声

采用软件算法技术,提高压控分辨率,等效压控精度23bit,频率分辨率优于4E-13,将压控对频率稳定度和噪声影响降到最低。

功分和区放噪声

采用合理电路形式以及合理的电路参数,包括布局布线等综合措施,能够保证频偏100Hz以内噪声恶化小于0.5dB,频偏100Hz以外噪声恶化小于2dB。

高精度监测

XPTM-6501采用成熟的高精度时间戳技术+高精度测量技术,可实现高精度监测功能。高精度测量技术是我司成熟技术,其测量分辨率优于25ps。本方案结合高性能FPGA技术,对输入的报文进行精准识别,对于需要打时间戳的报文,采用高精度时间戳技术,记录报文到达时间戳,并把时间戳记录到报文末尾,从管理网口,转发到管理服务器,可作为后续业务报文的传输时间、执行时间的精确分析,达到高精度监测功能,其时间戳精度优于1ns,监测精度优于10ns。

设计思路

总体设计思路:采用成熟的产品硬件和软件平台为基础,确保产品的成熟、可靠以及周期可控。

针对高精度监测系统的需求,以我公司自主创新、成熟可靠的软时统技术为核心,以平台化、货架化的XPTM-8090-XX系列产品平台为硬件基础,只需在XPTM-8090-XX产品平台上,增加高精度监测单元,即可满足高精度监测系统的需求。

XPTM-8090-XX是我司小型化时频类成熟产品,其核心为我司研发的XPTM-8757高精度核心模块。

高精度监测系统组成

表2产品组成表


序号

产品名称

型号

数量

备注

1
高精度监测系统
XPTM-6501


2
天线


可通过更换抗干扰天线升级实现抗干扰功能
3
配套线缆
电源线
1根

4
天线射频线缆
1根

5
串口通信线缆
1根

6
网络通信线缆
2根

7
PPS信号线缆
2根

8
避雷器

1

9
检验报告

1

10
使用说明书

1

11
合格证

1


工作原理

图1XPTM-6501高精度监测系统应用示意图

XPTM-6501高精度监测系统应用示意图如图1所示,XPTM-6501过网络接入到用户现有系统中,通过在用户交换机上配置镜像端口,将网络数据镜像到XPTM-6501网络端口上,XTPM-6501对需要打时间戳的网络数据进行监测,同时将网络数据到达的时间戳插入到网络报文末尾,并将打时间戳后的数据,通过网络转发、存储到监控服务器上。

监控服务器上安装高精度监测系统软件,可对多台监控服务器上的数据进行联合分析,分析和显示各网络报文到达某高精度监测系统的时间。

图2XPTM-6501高精度监测系统原理框图

如图2所示,XPTM-6501高精度监测系统由电池(含电源管理及切换单元)、多源参考测量单元、运算处理单元、时码生成单元、网络监测单元、网络单元等组成:

时间同步

XPTM-6501高精度监测系统可支持BDS/GPS、1pps+TOD两种参考同步方式。

XPTM-6501高精度监测系统内置BDS/GPS接收机,接收机从北斗信号恢复出1pps和TOD授时信号和定位信息,通过多源参考单元,实时测量外部参考与本地时钟之间的时差,校准本地OCXO,调整本地时间;通过时码生成单元,产生1pps、B(DC)、和串行时间码。

在没有BDS/GPS信号情况下,XPTM-6501兼容支持高精度监测系统支持1pps+TOD输入作为参考,以用户输入的1pps+TOD作为参考基准,校准本地OCXO频率,同步本地时间。

高精度监测

高精度监测可支持外部输入1pps+TOD监测、网络数据监测两种监测功能。

工作在外部1pps+TOD监测模式下时,系统参考测量模块对外部输入的1pps进行高精度测量,测量精度优于25ps,精准记录外部1pps到达高精度监测系统的时间,并通过网络上报给监控系统。

工作在网络数据监测模式下时,网络监测单元采用高性能FPGA对到达的网络报文进行精准识别,对于需要监测的网络报文,记录到达的准确时间,时间戳精度优于1ns,监测精度优于10n,并将时间戳插入到网络原始报文的末尾,通过网络单元,实时传输、存储在监控服务器上。

时码产生

对OCXO输出的10MHz进行分频,同步,产生本地1pps,对时间码进行调制,产生B(DC)码。时码产生单元内部集成可编程延迟线,可对输出进行优于1ns步进的时延调整。

NTP/SNTP授时

XPTM-6051高精度监测系统兼容支持高集成NTP/SNTP协议,对NTP/SNTP报文进行精确的时间标记,实现高精度NTP/SNTP授时,可对系统中的所有NTP客户端进行精准授时,授时精度优于1ms。

PTP高精度同步/守时

XPTM-6051高精度监测系统兼容支持高精度PTP同步协议,可通过网络进行联合组网,实现高精度的组网同步。全网同步精度优于1ns。

网络管理

通过网络单元,可对高精度监测系统进行状态监测以及基本的参数配置,对于需要打时间戳的网络数据,网络监测单元将时间戳插入在报文末尾后,通过网络单元转发存储到监控服务器上。

标签:时间同步高精度授时电力同步系统高精度监测系统

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