HJ5418-CPCI- GPS铷原子钟
技术说明书
北京泰福特电子科技有限公司
2008年5月
HJ5418 GPS铷原子钟技术说明书
目录
1．概述 (1)
2．技术指标 (2)
3．外观与接口 (4)
4．串口通信协议 (5)
5．安装和使用 (8)
6．一般性故障诊断 (10)
1．概述
HJ5418-CPCI是泰福特电子研制的一款高精度、高可靠性同步时钟产品。该时钟将高稳定性铷振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。
HJ5418-CPCI同步于GPS输出的UTC时间，同时能够克服GPS接收机秒脉冲信号跳变带来的影响，是真正复现的“UTC时间基准”。当GPS失锁或出现异常不可用时，系统能够智能判别，切换到铷钟进行守时，继续提供高可靠性的时间频率信号。
HJ5418-CPCI溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，所以不需送上级计量部门进行周期校准，性能接近铯钟，但却远远低于铯钟的价格，而且不存在铯钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。HJ5418-CPCI非常适合应用于SDH数字同步网的1，2级节点时钟，为国防、电力、电信、广电、时统、计量校准、雷达设备等提供高精度的时间和频率基准。
2．技术指标
输入信息
触发输入：SMA，1路，正脉冲触发，触发后通过RS-232输出触发时刻准确时间，时间准确度小于100ns，TTL标准
GPS_ANT：SMA，1路，抗雷电，用于连接GPS天线。
输出信息
10MHz 正弦波
接口
SMA接口，3路（正面板1路，背面板2路），50Ω
输出幅度
≥7dBm
准确度
≤1×10-12（24小时平均准确度）
开机48小时以后，GPS锁定状态
≤5×10-12 （断开GPS且温度变化小于5℃，24小时内平均准确度）开机特性（GPS锁定状态）
加电5分钟：≤5E-10
加电4小时：≤1E-11
加电12小时后：≤5E-12
稳定度
＜6×10-10/1ms
＜1×10-10/10ms
＜6×10-11/100ms
＜1×10-11/1s
＜5×10-12/10s
＜3×10-12/100s
＜1×10-12/日（GPS锁定）
相位噪声
≤-90dBc/Hz @10Hz
≤-130dBc/Hz @100Hz
≤-140dBc/Hz @1kHz
≤-160dBc/Hz ≥10kHz
失真
谐波：≤-50dBc
非谐波：≤-100dBc
●TOD信号：
DB-9接口，RS232电平，1路，115200-8-N-1
读取当前GPS状态、铷钟状态、时间及位置信息、设定触发输出时刻、读取触发输入时刻（详见通信协议）
指示灯显示
电源、状态（GPS、铷锁、保持）
工作模式
GPS驯服、保持；2种工作方式自动切换
GPS接收机
接收频率：L1波段，C/A码，12通道
定位精度：优于15m（1σ）
定时精度：优于20ns（1σ）
捕获时间：<2分钟
物理及环境参数
●尺寸：标准6U插板结构，3个插槽的位置（6cm）
●重量：<5g
●电源：5V DC
●工作温度：-10℃～+50℃
●存贮温度：-25℃～+85℃
●湿度：95％无冷凝
●功耗：<70W
标准配置
●HJ5418-CPCI 主板1块
●6U CPCI 背板1块
●30米高灵敏度授时天线1个
●安装支架1套
●中文说明书1本
3．外观与接口
3.1 前面板示意图
HJ5418-CPCI GPS铷原子钟前面板示意图
指示灯信息：
电源指示灯：设备加电后，该灯点亮。
状态指示灯：
初始化加电时该灯熄灭，
1s闪动1次：设备连接好天线约3分钟，GPS锁定4颗卫星时
1s闪动2次：GPS锁定后约10分钟，铷钟被锁定时
1s闪动3次：当GPS失锁，设备处于保持状态时
接口信息：
触发输入：SMA接口，1路，正脉冲触发，触发后通过RS-232输出触发时刻准确时间，时间准确度小于100ns，TTL标准
触发输出：SMA接口，1路，设定触发输出状态，格式：@@HaYYYYMMDDHHMMSS 如@@Ha20080512080009表示需要在2008年5月12日8时0分9秒输出一个触发脉冲10MHz：SMA接口，1路，正弦波信号
RS232：DB-9 Female，1路，可查询式读取当前GPS状态、铷钟状态、时间及位置信息、设定触发输出时刻、读取触发输入时刻（详见通信协议）
3.2 后面板示意图
HJ5418-CPCI GPS铷原子钟后面板示意图
a)GPS_ANT：1路，SMA，用于连接GPS天线。
b)10MHz SIN：2路，SMA，10MHz正弦波接口
c)V+ V-：电源，+5V
4．串口通信协议
采用标准RS-232串行通信方式
速率115200-8-N-1
所有命令输入完毕后应加换行回车
1.@@ti协议
查询当前时间命令
输入：@@ti换行回车
输出：@@tiYYMMDDHHMMSS换行回车
输出格式：ASCII码
YY：年两位00-99
MM：月两位00-12
DD：日两位00-31
HH：时两位00-59
MM：分两位00-59
SS：秒两位00-59
举例：@@ti080407010203 表示当前时间是2008年4月7日1点2分3秒
2.@@po协议
查询GPS位置信息命令
输入：@@po换行回车
返回@@po E106.5664464 N35.6512528 H+741.41
表示当前GPS天线位置坐标为东经106.5664464度北纬35.6512528 高度为+741.41米
3.@@gp协议
查询gps接收机当前状态
输入：@@gp换行回车
输出：@@gpss换行回车
Bit 15-13: 111 = 3D Fix
110 = 2D Fix
101 = Propagate Mode
100 = Position Hold
011 = Acquiring Satellites
010 = Bad Geometry
001 = Reserved
000 = Reserved
Bit 12-11 Reserved
Bit 9 Fast Acquisition Position
Bit 8 Filter Reset To Raw GPS Solution
Bit 7 Cold Start (no almanac out of date or
have almanac nut time or position unknown)
Bit 6 Differential Fix
Bit 5 Position Lock
Bit 4 Autosurvey Mode
Bit 3: Insufficient Visible Satellites
Bit 2-1 Antenna Sense 00 = OK
01 = OC
10 = UC
11 = NV
Bit 0 Code Location 0 = EXTERNAL
1 = INTERNAL
rr Reserved
Oscillator and Clock Parameters
cc clock bias -32768…32767 ns
oooo oscillator offset 0…250000 Hz
TT temperature -110…250 half degrees C
(-55.0…+125.0°C)
4.@@rb协议
查询铷钟当前状态
输入：@@rb换行回车
输出：@@st1,st2,st3,st4,st5,st6换行回车
ST1 : Power supplies and Discharge Lamp
Bit0 +24 for electronic < +22 Vdc Increase supply voltage Bit 1 +24 for electronics > +30 Vdc Decrease supply voltage Bit 2 +24 for heaters <+22 Vdc Increase supply voltage
Bit 3 +24 for heaters > +30 Vdc Decrease supply voltage Bit 4 Lamp light level too low Wait: check SD2 setting
Bit 5 Lamp light level too high Check SD2 setting
Bit 6 Gate voltage too low Wait: check SD2 setting
Bit 7 Gate voltage too high Check SD2 setting
ST2: RF Synthesizer
Bit 0 RF synthesizer PLL unlocked Query SP? verify values Bit 1 RF crystal varactor too low Query SP? verify values Bit 2 RF crystal varactor too high Query SP? verify values Bit 3 RF VCO control too low Query SP? verify values
Bit 4 RF VCO control too high Query SP? verify values
Bit 5 RF AGC control too low Check SD0? values
Bit 6 RF AGC control too high Check SD0? values
Bit 7 Bad PLL parameter Query SP? verify values
ST3: Temperature Controllers
Bit 0 Lamp temp below set point Wait for warm-up
Bit 1 Lamp temp above set point Check SD3, ambient
Bit 2 Crystal temp below set point Wait for warm-up
Bit 3 Crystal temp above set point Check SD4, ambient
Bit 4 Cell temp below set point Wait for warm-up
Bit 5 Cell temp above set point Check SD5, ambient
Bit 6 Case temperature too low Wait for warm-up
Bit 7 Case temperature too high Reduce ambient
ST4: Frequency Lock-Loop Control
Bit 0 Frequency lock control is off Wait for warm-up
Bit 1 Frequency lock is disabled Enable w/LO1 command Bit 2 10 MHz EFC is too high SD4,SP,10MHz cal,T amb
Bit 3 10 MHz EFC is too low SP, 10 MHz cal
Bit 4 Analog cal voltage > 4.9 V Int cal. pot, ext cal. volt Bit 5 Analog cal voltage < 0.1 Int cal. pot, ext cal. volt
Bit 6
Bit 7
ST5: Frequency Lock to External 1pps
Bit 0 PLL disabled Send PL 1 to enable
Bit 1 < 256 good 1pps inputs Provide stable 1pps inputs
Bit 2 PLL active
Bit 3 > 256 bad 1pps inputs Provide stable 1pps inputs
Bit 4 Excessive time interval Provide accurate 1pps
Bit 5 PLL restarted Provide stable 1pps inputs
Bit 6 f control saturated Wait, check 1pps inputs
Bit 7 No 1pps input Provide 1pps input
ST6: System Level Events
Bit 0 Lamp restart
Bit 1 Watchdog time-out and reset
Bit 2 Bad interrupt vector
Bit 3 EEPROM write failure
Bit 4 EEPROM data corruption
Bit 5 Bad command syntax
Bit 6 Bad command parameter
Bit 7 Unit has been reset
5. 设定触发输出状态
@@HaYYYYMMDDHHMMSS
例子@@Ha20080512080009表示需要在2008年5月12日8时0分9秒输出一个触发脉冲
6. 同步输出脉冲输入的时刻：
年月日时分秒. 毫秒微妙纳秒（小数点后8位，精确到10ns）
如：20080516.00801502
5．安装和使用
5.1环境工作条件及安装要求
5.1.1 GPS天馈线安装
GPS天线的架设必须充分考虑当地的自然环境和电磁环境，架设场地的选择尤为重要。GPS天线应尽可能架设在当地开阔空旷地最高处，避开树林、楼层、铁塔等建筑物对天线的遮挡，尽力保证天线实现全视界观测GPS卫星。GPS天线周围还应远离高压输电线及强电场、磁场等干扰源。
1）GPS天线应平行于水平面，固定安装在基座上。
2）馈线电缆铺设时应远离高压线，电源线，电话线等。
3）电缆线长度多出时应拉直或小心盘起，不应用蛮力硬性盘折馈线电缆，以免导致增大对信号的衰减。
4）电缆线铺设时不应受力压迫。
5）天线的接头不要带电插拔，以免电路受损。
正确的GPS天线安装位置错误的天线安装位置在雷雨多发地区，建议在馈线电缆进入室内时连接避雷器，以防止对设备造成损坏。
GPS天线安装示意图
5.1.2 工作环境要求
频标工作环境温度：0~40oC。环境温度变化<5o C /每小时。
电源供电应符合通信机房规范要求。
5.1.3 设备安装
HJ5418-CPCI为标准CPCI 工控板结构，可以通过面板把手将其固定CPCI机柜上，放置地点最好有良好的通风散热措施。放置完毕后，将HJ5418-CPCI后面的GPS天线接口与已经安装好的GPS天线接头牢固的连接在一起（天线安装请参阅5.1天馈线安装一节），然后根据需要将所需使用的输出信号与相应的电缆连接好即可。
5.2 加电开机
1．设备加电后，电源指示灯点亮。
2．经过2-3分钟之后，状态指示灯开始闪烁，1秒钟闪动1次，表明GPS已工作正常。
3．约10分钟后状态指示灯开始1秒钟闪动两次，表明铷频标已锁定，频率准确度进入±5E-10，系统处于正常状态，设备即进入频率测量驯服工作模式，输出频率及
时间精度随工作时间增加而逐渐提高。
4．48小时后，输出频率准确度和时间同步精度可以达到指标给定的精度范围。
注：开机预热时间越长，频标准确度越趋于稳定。
5．当设备在工作工程中无法正确接收GPS信号，状态指示灯开始1秒钟闪动3次，此
避雷器
时设备将进入保持工作模式。当设备再次确认可以正确收到GPS信号后，状态指示
灯又开始1秒钟闪动两次，此时设备将再次进入同步跟踪状态。
5.3 工作模式
5.3.1 GPS驯服模式
当系统检测到GPS接收正常后，将进行约20分钟（1000秒）的预热，然后系统开始对铷频标的输出信号准确度进行监测，3小时后开始进行频率驯服，此后当铷频标的频率偏差超过设定门限后，系统将自动对其进行修正。HJ5418-CPCI将自动根据对内部铷振荡器的准确度测试结果对其频率误差进行修正，使其输出信号的准确度保持在GPS系统上，因此能够大大提高输出信号的长期稳定性能，同时又不影响铷振荡器本身优良的中、短期稳定性。在开机经过一段时间（约12小时）的驯服后，铷原子频标的准确度将优于5E-12，经过1天的驯服后达到优于1E-12的频率输出精度。
5.3.2 保持模式
当GPS天线断开或GPS接收异常时，系统进入保持状态，不再调整铷振荡器的输出频率，依靠铷振荡器守时。当GPS恢复正常后，系统继续进行驯服操作。
6．一般性故障诊断