BPL授时发播时频控制监测软件设计

王正明，漆溢，车爱霞



BPL授时发播时频控制监测软件设计

王正明，漆溢，车爱霞

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

介绍了为中国科学院国家授时中心（NTSC）的长波发播系统BPL全面升级改造工程而研制的BPL授时发播时频控制监测软件系统。整个软件系统分为两大部分，第一部分包括局域网的时间同步、时间信号比对、数据采集、数据传递等与整个时频系统的硬件控制有关的软件；第二部分包括系统中各种时间比对数据的定时处理与分析、设备超差报警判断、BPL工作钟时间(PU)的监测和频率驾驭信息的产生、各种设备运行情况的曲线显示等软件。经过近一年的试运转和修改，该软件已正常使用，效果良好。

BPL；时间频率；全自动监控；软件

作为中国科学院国家授时中心（NTSC）的长波发播系统BPL全面升级改造工程的一部分，BPL监控室的工作钟系统（除了原子钟以外）面貌焕然一新；NTSC所实施的临潼和蒲城之间的远程时间传递采用了新的微波通信系统，并以GPS共视作为热备份；BPL改造工程要求BPL授时发播系统中的时间频率信号的实时控制和监测实现全自动化运行。改造完成以后BPL工作钟所产生的时间（PU）应按要求溯源到NTSC时频基准实验室所产生的协调世界时（NTSC），通过定时自动监控使（PU）同步准确程度达到|（NTSC）-（PU）|≤50 ns，（PU）的频偏优于5×10-13。整个软件系统要求做到可视化程度高、可靠性强、设备运行出现故障时能自动报警等等。为了满足上述要求，我们设计并完成了整套软件系统的研制。经过半年多的试运行和不断完善，这个软件系统已经能完全满足用户的需求。该软件系统主要包括如下功能：

1）BPL授时系统局域网中所有计算机的时间同步及其监测；

2）控制时间比对系统中多路切换器、时间间隔计数器、相位微调仪的工作；

3）采集和传递数据；

4）时间码的监测；

5）数据处理和分析；

6）时间差数据和标志各种设备性能的曲线显示；

7）各种设备信号的超差报警；

8）向BPL发播台按规定格式发送定时和闰秒信息。

1 硬件系统简介

图1是BPL时频监控中的硬件系统示意图。位于蒲城的BPL监控室内有3个原子钟，其中2个分别作为一主一备的工作钟系统（分别产生（PU1）和（PU2））的频率源，2套独立的时间比对系统（除此之外还有一套旧的比对系统也同时运转）把（PU1）和（PU2）分别作为参考时间尺度，产生它们与各路时间信号的时间差比对结果。位于临潼的NTSC时频基准实验室产生的标准时间（NTSC）与（PU）之间的时间比对，由分别设在临潼和蒲城的微波系统进行双向时间传递，同时又采用GPS共视时间传递（作为热备份）。在BPL发播台也有一套时间信号比对系统，其运转和设备超差报警也由本软件系统完成。

图1 BPL时频监控中的硬件系统示意图

2 软件设计思想

本软件根据BPL升级改造工程提出的要求进行设计，软件分成两大部分。

2.1 与硬件关联的软件

第一部分软件主要涉及与硬件关联的一些软件（如图2所示），这些软件互相独立，根据要求各自在规定时间自动定时运行。它们所涵盖的工作包括：1）用由作者自行研制的时间服务器及相应的软件实现整个BPL时频系统中所有十多台电脑（包括GPS时间传递接收机的工控机）的时间同步，以保证系统中所有软件按统一的标准时间运行，同时还设置了各台计算机时间同步状况的监测；2）对硬件系统中4套时间比对系统，以基本相同的软件控制各比对系统的工作，并产生格式相同的比对数据文件，每个比对系统的运转每15 min进行一次，形成2个版本的数据文件，一个文件记录每15 min的比对数据，另一个文件只记录每小时整点的比对结果；3）自动定时进行系统内电脑间的数据传递，包括BPL时频系统内部电脑间的数据传递和临潼与蒲城之间用微波系统作为通信系统进行的数据文件传递；4）根据数据处理结果产生的（PU）频率驾驭参数控制相位微调器的工作，并从相位微调器上采集其实际工作的频率值；5）根据数据处理结果产生的设备超差报警信息，由语音卡拨打电话，语音通知值班人员；6）使用多个串行口分别接收BPL接收机、数字钟的时码数据，与系统的标准时间作比较，在时码差异大于1s时生成报警文件，对设备产生的时码进行监测；7）按照长波发播预先约定的格式向BPL发播台发出时间差（NTSC）-0及闰秒信息的调制信息（0是BPL天线发播端时间信号的相位时间），并接收回馈信息；8）微波数字通道双向时间传递数据的采集等等。

图2 与硬件关联的软件部分框图

新的微波传输系统有模拟通道和数字通道2种时间传递通道，模拟通道的信号送到图1中临潼和蒲城实验室内部的时间比对系统中参加每15 min一次的比对，数字通道的信号每秒钟进行一次（NTSC）和（PU）的时间比对，因此需用专门的软件另行采集两地的调制解调器所产生的数据，形成数据文件。

2.2 与数据处理相关的软件

第二部分软件主要包括数据的定时自动处理和设备运行情况监测。数据处理比较复杂，从下面几个角度考虑软件设计方案：1）数据处理所要完成的任务；2）各个软件之间的关联和定时顺序安排；3）设备监测的可视化程度高；4）操作简便。根据这些考虑，数据处理分成7个不同的软件，如图3所示。图3中双线方框为软件，虚线方框为数据文件。

本软件的数据处理主要完成2个任务，一是根据历史和当前数据确定（PU）的频率驾驭参数；二是BPL时频设备运转情况监测。

图3 BPL发播工作钟自动监控数据处理软件流程示意图

2.2.1(PU)的频率驾驭参数的产生

（PU）的频率驾驭参数由原始数据经过如下处理过程后产生：1）对位于临潼的NTSC时频基准实验室原子钟组的数据作加权平均计算得到（NTSC）-（NTSC）[1]，（NTSC）是一个实时自由原子时尺度，经对（NTSC）作频率调整后，得到（NTSC）-（NTSC），（NTSC）是经过频偏调整后的原子时尺度，可用作为（PU）相位和频率调整的参考；2）计算由微波双向时间传递和GPS共视时间传递而得到的临潼与蒲城两地间的时间比对结果（NTSC）-（PU）；3）对BPL发播工作钟系统比对数据进行处理，并结合1）、2）的结果得到（NTSC）-（PU，），（PU，）表示蒲城BPL监控室中的第台钟；4）由“BPL发播工作钟监控软件”计算和预报（PU）的主钟频率源相对于（NTSC）的频率变化，结合实时（NTSC）-（PU），综合计算（PU）的频率驾驭参数（PU）offset。关于（PU）的频率驾驭参数的计算方法，作者曾作仔细研究，并进行了仿真计算，在本软件中根据实际需要采用了一种实用方法[2]。

由于在实际工作中原始数据可能出现各种各样的问题，而计算又要求不同数据列的数据点在时刻上一一对应，同一数据列出现系统跳变时必须加以修正，因此在作上述数据处理前必须对原始数据进行系统调整、补缺、修补坏点等等一系列复杂处理。

2.2.2 BPL时频设备运转情况监测

图1所示的BPL监控室和发播台都有各种时间频率设备，作者对各个比对系统采集的历史数据文件做了详细的分析，得出这些设备在正常运行情况下的相位变化范围。对于原子钟或其他相对于（NTSC）具有一定频偏的设备，“（NTSC）-信号源”相位时间差的变化与其速率及速率的变化相关，因此在软件中需要计算并预报每一个信号的当前速率，在其相位变化中加以扣除后，再判断其剩余的相位变化是否超过预先确定的正常变化范围。对于其他基本上没有常数频偏，但有相位波动（或噪声）的设备，则判断瞬时相位变化是否超过预先确定的正常变化范围。因此这部分计算用到了上一小节中涉及的4个软件的计算结果和各个设备相位变化正常范围的常数文件。

关于BPL监控室内的原子钟和（PU1）、（PU2）的运行情况，由“BPL发播工作钟系统比对数据实时处理软件”给出钟的速率变化曲线和（PU1）-（PU2）曲线；对临潼和蒲城之间时间比对设备（微波和GPS共视）工作情况，通过“临潼主钟和BPL发播工作钟远程时间传递数据处理软件”给出各条比对链路的时间比对结果曲线来加以监测；由一个专门的软件“BPL发播工作钟系统设备超差报警软件”来完成BPL时频设备的超差报警，在文件中记录报警信息；在软件窗体上用红绿灯显示当前信号正常与否。

BPL发播台时频设备的监测则由“BPL发播台信号超差报警软件”来实现，在文件中记录报警信息；在软件窗体上用红绿灯显示当前信号正常与否；值班人员还可选击按钮查看每一个信号最近15 d的运行情况。

2.2.3 总控软件

2.2.1节中介绍的数据处理过程有4个步骤，在整套软件设计时，每一个步骤用一个独立的软件来完成。但是从BPL授时发播时频控制和监测整体来考虑，这些步骤应安排一定的顺序，因为后面的计算要用到前面的计算结果。因此在整个软件系统中采取了灵活的办法，用一个总控软件来按顺序定时启动这些软件先后运行，每小时运行一次，同时这些软件又可以由值班人员手工随时启动，查看设备工作情况。总控软件又每隔15 min自动启动一次“BPL发播工作钟系统设备超差报警软件”，读取并处理每15 min比对系统得到的比对数据，在专门的文件中记录报警信息。软件设计为总控软件设计了一个主界面，每15 min更新一次界面上显示的（NTSC）-（PU）和（NTSC）-0的数据和曲线，便于值班人员了解情况。

2.2.4 与各种原始数据相关信息的修改问题

上述7个软件中有5个软件涉及原始数据文件。与这些原始数据文件相配套，编制了一系列文本文件，记录信号的各种信息。内容包括原始数据文件的格式、原子钟类型、信号编排顺序、设备的系统常数、信号的类型、信号的正常变化范围等等。由于各种原因，原始数据文件会发生变化，需要修改含有这些信息的文本文件。为避免用户误操作而破坏这些文本文件，软件研制者在这5个软件中分别编制了窗体和语句来修改相关的文本文件。5个软件各自的情况不同，修改文本文件的程序段也完全不同。

3 结语

整套软件以最初确定的基本要求进行研制。在软件研制过程中，软件开发者做了大量的数据分析和研究工作，以适合BPL授时发播时频控制和监测的要求。在试运转过程中，根据用户的需求和实际运行方便又做了大量修改，完全满足了用户的需求。

整套软件以Windows XP为操作平台，在Visual Basic 6.0 语言环境下编制的。本套软件可通过窗体上设置的表格和图形框查看各种数据和曲线，可在专门的窗体上修改含有各种参数的文本文件，灵活性强，可视性强、操作方便、运行可靠。

BPL 工作钟产生的时间尺度（PU）经本软件的监控，达到了预期设计指标。图4给出了2009年7月18日～10月16日（54 030～55 120共90 d）中BPL工作钟产生的时间尺度的控制情况。两套工作钟的时间与（NTSC）的时间差在10 ns以内，远远优于BPL系统改造前的100 ns的控制情况（（PU1）在55 074处出现超过10 ns的情况是相位微调器失灵造成的，设备维修后就控制回来了）。

图4 T（PU）的控制情况（2009年7月18日～10月16日）

[1] 王正明. NTSC时频基准实验室守时系统自动监测软件[J]. 时间频率学报, 2009, 32(1): 29-35.

[2] 王正明. BPL主钟信号T(PU)监控方法研究[J]. 时间频率学报, 2008, 31(1): 1-9.

Software Development for the BPL T & F Controlling and Monitoring

WANG Zheng-ming, QI Yi, CHE Ai-xia

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

As a part of the renovation project of the Long Wave Time and Frequency Broadcasting System (BPL) at the National Time Service Center (NTSC), the software for controlling and monitoring the BPL Time and Frequency system has been developed and described here. The whole software system consists of two parts. One part contains the software which deals with hardware controlling such as time synchronization of each computer to the standard time of the BPL T & F system, time comparison, data gathering, data transfer, micro-phase stepper controlling and telephone alarming. The other part involves all kinds of data processing and analysis. With the results of data processing, the software system can monitor(PU) and generate the frequency offset for steering(PU), display curves for devices running status, judge whether the T & F devices working properly and produce the messages of device abnormality, et al. The whole software System has been in test running for nearly one year. After being further modified, the software proves running effectively and properly.

BPL; time and frequency; automatic controlling; software

2009-11-10

中国科学院重大科学装置维修改造项目

王正明，女，研究员，主要从事时间频率方面的研究。

P127.1

A

1674-0637(2010)01-0005-06