1. 引言
       在民用飛機飛行試驗中，為了保證圖像測試數據的準確可靠，機上圖像測試系統中不同測試設備時間需要嚴格的統一。原子鐘是一種非常穩定的時鐘源，可以提供精確的時間信息用于時間同步。但是在機載環境下，安裝空間狹小，安裝位置受限，無法使用原子鐘作為時鐘源。
       使用導航衛星對機載高速攝像機進行時間同步，可以滿足圖像測試系統對時間同步的精度要求。隨著我國北斗二代衛星導航系統一期組網完成和接口控制文件的公布，北斗衛星導航系統開始向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務，本文研究了使用北斗衛星導航系統對機載高速攝像機進行時間同步的技術，設計了基于北斗衛星系統的機載高速攝像機時間同步器。

2. 時間同步技術方案
       目前絕大多數機載高速攝像機外部同步時間輸入都支持IRIG-B碼，時間同步器接收北斗衛星時間信息，將衛星發送的UTC時間編碼轉換為IRIG-B時間碼需要的格式，并產生IRIG-B時間碼的波形輸出，IRIG-B時間碼的起始位置必須和整秒的起始位置嚴格對齊。同步器內部邏輯框圖如下圖：

圖1 時間同步器方案框圖

        UM220-T接收北斗二代衛星時間信息，將時間信息以NMEA-0183語句輸出至STM32，STM32將解碼UTC時間，將其編碼為IRIG-B需要的時間信息，通過串行總線送入FPGA中，同時STM32通過SPI接口控制OLED顯示屏，實時顯示當前定位狀態和時間信息。FPGA將接收的時間信息編碼為IRIG-B(DC)碼和IRIG-B(AC)碼輸出，由于FPGA輸出的IRIG-B(AC)碼實際上為IRIG-B(AC)碼的數字信號，需要通過高速DA轉換以及運放信號調理來實現將數字IRIG-B(AC)碼轉換成模擬信號用于機載高速攝像機時間同步。
 

2.1 UM220-T北斗衛星接收模塊
       UM220-T 模塊是針對授時應用領域推出的北斗/GPS雙系統精密授時產品,支持靜態授時，單星授時，集成度高、功耗低，適合北斗授時領域的應用。采用先進的多路徑抑制技術，以及優化的授時算法，提供精確的1PPS 輸出。創新的多系統融合開放式架構，保證不同系統的可用衛星均可參與聯合定位、授時，提高可靠性，保障長時間連續可靠的授時輸出。支持單星授時功能，在僅有一顆可見衛星時，仍能保持精確、穩定的 1PPS 輸出。

2.2 STM32微控制器
       STM32系列32位微控制器使用來ARM公司設計的Cortex-M3內核，該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用的嵌入式領域的要求。Cortex-M3相比以往的微控制器在系統結構上進行了增強，使用的Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能;緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速。
時間同步器設計方案中使用STM32完成接收UM220-T發送的時間信息，從中解碼出當前UTC時間，將其轉換為標準的IRIG-B時間后通過自定義串行輸出口輸出至FPGA，同時STM32還負責驅動OLED顯示屏，實時的顯示當前的定位狀態和時間信息，方案設計中還增加了實時時鐘芯片(RTC)，以便于在收星條件不好時，為測試系統提供一個參考時間。
       設計中使用的STM32F103RB具有擴展工業級的工作溫度范圍，可達72MHz的主頻，可以實現在將UTC時間編碼為IRIG-B時間的同時完成驅動OLED顯示屏的功能。

2.3 FPGA芯片實現IRIG-B編碼
        當前絕大多數機載高速攝像機都支持使用IRIG-B進行時間同步，IRIG是美國靶場儀器組的簡稱。IRIG時間標準有兩大類：一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進制，因此遠不如串行格式廣泛;另一類是串行時間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼。B型碼的時幀速率為1幀/S。
北斗時間同步器設計中使用FPGA直接數字頻率合成技術實現時間信息的IRIG-B碼型產生。直接數字頻率合成(DDS)是一種全數字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉換器和低通濾波器構成，它具有頻率分辨率高、頻率切換快、頻率切換時相位連續等優點。