毛江锟 刘洪源
摘 要：介绍了船载时间统一系统的组成和GPS模块的工作原理。指出了现有时间统一系统存在的GPS跳秒问题。针对船载时间统一系统GPS跳秒问题，建立FTA故障树分析模型，分析故障底事件，定位了GPS跳秒问题的故障部位是GPS定时接收机，并深入分析GPS接收机关于闰秒的相关原理，进一步精确定位了GPS跳秒问题的原因是GPS接收机的闰秒修正软件算法存在缺陷。为了解决该问题，采用在GPS解码程序中增加GPS跳秒检测机制的方法，检测GPS芯片是否发生跳秒现象来避免产生器误同步，从而避免GPS跳秒问题导致的系统时间异常。通过搭建GPS模块程序验证平台和设计GPS验证测试软件进行测试，结果表明改进后的GPS解码程序在检测到GPS定时接收机跳秒后，能使GPS定时接收机复位，并设置GPS信息不可用，避免产生器误同步，从而有效解决了GPS跳秒问题。
关键词：船载;时间统一;GPS;跳秒;FTA（故障树分析）;闰秒
中图分类号：TP274 文献标识码：A
Research and Improvemen of GPS Jump Second
Problem for Timing System on Ship
MAO Jiang-kun， LIU Hong-yuan
（China Satellite Marine Track & Control Department， Jiangyin，Jiangsu 214431， China）
Abstract：Describes the composition of the ship timing system and the working principle of the GPS module. pointed out the GPS jump second problem of current timing system. For it establishing FTA model and analysis fault bottom events， which positioned the fault location is GPS timing receiver. And analyzed deeply the principle of GPS receiver on the leap second， further pinpoint the reasons is the defect of GPS receiver second correction software algorithm. In order to solve this problem， by means of increasing the GPS jump second detection mechanism in GPS decoding process， which detect jump second phenomenon of GPS chip to avoid the generator false synchronous， and avoid GPS jump second leading to System time anomaly. By setting up the GPS module program verification platform and designing the GPS verification test software for testing. The results show that GPS timing receiver jump second is detected by the improved GPS decoding procedure， which can reset GPS timing receiver， and set the GPS information is not available， to avoid generator false synchronous， so as to effectively solve the GPS problem.
Key words：ship; timing system; GPS; jump second; FTA （fault tree analysis）; leap second
船載时间统一系统为船舶各用户及配套设备提供标准频率和标准时间信号，确保岸船设备之间时间同步，特别是对科学试验中整个试验系统时间和频率的统一、保证测量数据正确有效有着重大意义。因GPS信号有覆盖广、精度高等特点，成为了船载时间统一系统的主要对时手段之一，船载GPS对时校频技术也日趋成熟，但在使用过程中也陆续发现了一些问题，其中GPS跳秒问题比较突出，该问题直接导致输出时间错误。通过深入分析GPS模块相关工作原理，并进行相应改进，预期解决GPS跳秒问题，以提高船载时间统一系统的可靠性。
1 GPS跳秒问题介绍
船载时间统一设备在开机后出现控制器和监控软件告警的情况，日志记录GPS时间不一致。GPS参考时间比正常时间快19秒，一直保持直到4小时左右后恢复正常，跳秒期间时统设备控制器对外告警，现象描述如图1所示。
2 基于FTA的GPS跳秒问题研究
2.1 GPS模块工作原理分析
船载时间统一系统主要由GPS模块、北斗模块、时码产生、频标输出、B（AC）输出、B（DC）输出、控制模块、电源等部分组成[1-2]，系统原理图如图2所示。
其中，GPS模块主要由GPS接收机和单片机组成。GPS模块的原理图如图3所示。GPS接收机接收美国导航卫星系统发布的星历数据，先解调出粗略的时间报文给出时间可用标志，闰秒修正完成后再给出闰秒标志表示现在的时间有效，此时的时间才是标准的UTC（世界协调时）。单片机仅根据时间可用标志选通GPS秒信号输出到产生模块，产生模块根据可用标志执行同步和B（DC）时间更换操作。
由图2和图3可知，GPS时间异常主要与GPS模块、控制模块、产生器、电源等因素有关，此问题的顶事件是GPS跳秒，根据时统设备的双冗余工作原理，需深入模块内部分析。
2.2 FTA分析模型及底事件分析
由图2和图3可知，GPS跳秒，影响因素包括：GPS模块的定时接收机异常、GPS模块的控制程序异常、多主通讯异常、控制器异常、产生器异常等。建立GPS跳秒问题故障树分析模型，如图4所示。
此问题现象是GPS模块跳秒，且同时在控制器和产生器上出现，按照故障树所罗列的各因素，通过时间统一设备GPS模块上预留的GPS定时接收机测试接口，检测到GPS定时接收机发出的GPS数据比正常情况快了19秒。经分析捕获的数据，GPS收星状态、天线状态、时间可用状态等均正常，但GPS数据在不明条件下发出的时间数据在UTC时和GPS时之间变换，导致GPS定时接收机发出GPS时间时GPS模块解调出的时间快19 s。从而在监控软件和控制模块上监测到GPS时间快19 s。
因此，GPS跳19 s的原因是由GPS定时接收机数据异常导致的。
2.3 GPS跳秒问题机理分析
2.3.1 GPS接收机性能分析
如图3所示，GPS接收模块的核心是GPS接收机，单片机仅用于接收解调GPS的时间信息和时间可用性标志。该GPS接收模块与其它型号的模块相比，灵敏度高达-160dBm、定时精度为30ns、工作温度范围宽、动态性能好，是一款成熟的产品，已被大量应用于各种工程中[3]。选用该型接收机时，厂所进行了长期的测试，未发现时间跳变问题。
2.3.2 UTC闰秒调整原理
19秒的跳变正好与UTC对GPS时间的闰秒修正相符。
GPS接收机接收GPS全球定位系统发布的时间系统信息，该时间系统是一个利用软件对GPS中所有地面钟和卫星钟在内的时钟进行综合处理得到的“纸面钟”，它以国际原子时（TAI）为时间尺度，是一个连续的时间系统。而UTC是与地球自传速率相关的不均匀的时间系统，与人们日常生活息息相关，经一定时间累积造成与原子时的偏差逐渐增大。为了照顾到不同的需求，国际无线电科学协会和国际天文学联合会分别在1960年和1961年提出了一个国际协调方案，当UTC和GPS两种时间系统相差大于0.9秒时，用时刻阶跃1整秒的方式来调整，称为闰秒[4-6]。
从1980年1月6日0时起，已作了19次闰秒调整，且均是正闰秒，即现在的GPS比UTC快19秒。
2.3.3 GPS接收机对闰秒的修正原理
通过实际测试，该接收机从串口报文发出时间信息的步骤如下：
首先，利用至少4颗GPS卫星进入定位模式;
其次，再根据出厂前保存在FLASH中的闰秒已修正值输出粗略补偿的GPS时间和可用标志;
经过一个周期（约12分钟），收齐GPS星历数据后，再根据星历修正完当前UTC和GPS的偏差，最后输出正确可用的UTC时间和闰秒修正标志。
经查，船载时间统一设备采用的接收机是在2012年前出厂的，该批次GPS定时接收机在出厂时内部已经固定了18 s的闰秒修正数。今年又执行了一次闰秒，由于该次闰秒没有被保存在接收机的FLASH中，只能通过解算星历得出[7-9]。因此正常情况下，开机后加上18s的固定修正数，此时接收机输出的UTC时间应比正确时间快1秒，大约12分钟后，再执行一次闰秒修正操作完成UTC的闰秒修正。
3 GPS跳秒问题改进及实验验证
GPS跳秒问题复现后，测试数据如下。
$GPGGA，062852.00，3709.80241，N，07952.34605，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*49
$GPGGA，062853.00，3709.80241，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.2，M，-49.9，M，，*4B
$GPGGA，062838.00，3709.80242，N，07952.34606，E，2，08，1.14，1343.3，M，-49.9，M，，*44
$GPRMC，062839.00，A，3709.80243，N，07952.34607，E，0.008，，171012，，，D*70
从第二行和第三行数据可以看出，问题出现时接收机输出的时间信息快了18秒，此时输出的是开机后粗略补偿的GPS时间。
因此，GPS跳秒问题定位为GPS接收机的闰秒修正软件算法存在缺陷。
针对该问题，在GPS解码程序中增加故障检测机制，检测GPS芯片是否发生跳秒现象。若GPS定时接收机正常工作过程中，解码程序检测到GPS定时接收机跳秒，解码程序发送控制指令给GPS定时接收机，使GPS定时接收机复位，并设置GPS信息不可用，避免产生器误同步。
改进后的GPS模块程序验证平台如图5所示。该验证平台中的GPS模块与图3中的GPS模块主要区别是断开了GPS定时接收机发往单片机的链路[10]。在图5中用计算机A模拟GPS定时接收机发出数据。运行测试验证软件，使计算机A的串口发送GPS定时接收机数据，用CAN总线助手确定GPS模块接收正常后，通过测试验证软件，修改GPS定时接收机的设置以发出时间，用计算机B检测GPS定时接收机状态。
通过上述测试，在GPS时间调整后，GPS模块发出的CAN数据指示GPS时间不可用，GPS检测串口也指示出GPS定时接收机正常复位。上述验证说明改进后的GPS解码程序能够在GPS跳秒后设置GPS信息不可用，避免产生器误同步，同时复位GPS定时接收机，使其再次收星，避免问题现象發生。
另外，為了确保时间正确，可以将时间统一系统的产生器设置为手动同步方式，利用高稳定的铷钟保证输出信号的精度指标，在确定GPS接收正常且超出设置容差时，手动操作产生器，使其与GPS同步，也可防止该问题的发生。
4 结 论
船载时间统一系统的跳秒问题将直接导致用户各设备接收异常的时间，针对该问题，采用FTA分析方法并深入剖析GPS模块的相关工作原理，精准定位了GPS跳19秒问题的原因是GPS接收机的闰秒修正软件算法存在缺陷，致使GPS模块程序接收到错误信息。通过改进GPS解码程序并搭建验证平台进行测试，解决了GPS跳秒问题，提高了船载时间统一系统GPS授时的可靠性。
参考文献
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