CN104460313A

CN104460313A - 用于提供高精度大步长时间同步信号的gps授时装置

Info

Publication number: CN104460313A
Application number: CN201410616720.0A
Authority: CN
Inventors: 聂桂根; 赵静; 刘经南; 马伟
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-03-25

Abstract

一种用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置，包括石英晶体振荡器、GPS接收芯片和数字信号处理器；石英晶体振荡器提供10MHz的参考频率，GPS接收芯片提供1Hz的标准时间同步信号；数字信号处理器中，分频器输出1Hz时间同步信号给频率校准电路，在卫星失锁状态将1Hz时间同步信号作为时差校准电路输入，频率校准电路输出10MHz校准频率给倍频器1和2；时差校准电路在卫星失锁状态进行时差校准后，输出1Hz时间同步信号的校准值给倍频器1；倍频器1在卫星失锁状态输出大步长的时间同步信号，倍频器2在在卫星锁定状态输出大步长的时间同步信号。本发明设计合理，结构简单且完全实用，能提高授时的精度。

Description

用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置

技术领域

本发明涉及GPS授时技术，尤其是涉及一种用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置。

背景技术

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称，GPS授时由于具有精度高，稳定性好，覆盖范围广等优点已广泛应用于导航、大地测量、时间同步、电力等领域，其基本原理是利用GPS卫星及地面控制系统所具备的高精度原子钟向用户提供高精度的时信息，能够达到us级时间精度。但一般的GPS接收机仅能提供步长为1Hz的标准时间同步信号，不能满足用户对高精度的大步长(>1Hz)的时间同步信号的需求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提供了一种提高GPS授时精度的装置。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置，包括一个石英晶体振荡器，一个GPS接收芯片，以及一个数字信号处理器；

所述石英晶体振荡器输出10MHz的参考频率到数字信号处理器，

所述GPS接收芯片输出1Hz的标准时间同步信号到数字信号处理器，

所述数字信号处理器包括一个分频器，一个频率校准电路，一个时差校准电路，两个倍频器电路，两个倍频器电路，两个倍频器电路分别记为倍频器1、倍频器2；

所述分频器接收石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率，经过频率分频，输出1Hz时间同步信号给频率校准电路，在卫星失锁状态，将1Hz时间同步信号作为时差校准电路的输入信号；

所述频率校准电路同时接收石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率和GPS接收芯片提供的标准1Hz时间同步信号以及由分频器电路提供的1Hz时间同步信号，经过频率校准，输出石英晶体振荡器的10MHz校准频率f_{x_jz}给倍频器1和2；

所述时差校准电路，在卫星失锁状态，接收分频器电路提供的1Hz时间同步信号，在时差校准后，输出1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz给倍频器1；

所述倍频器1，在卫星锁定状态屏蔽，在卫星失锁状态同时接收频率校准电路提供的石英晶体振荡器的10MHz校准频率f_{x_jx}和时差校准电路提供的1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz，输出大步长的时间同步信号；

所述倍频器2，在卫星失锁状态屏蔽，在卫星锁定状态同时接收频率校准电路提供的石英晶体振荡器的10MHz校准频率f_{x_jz}和GPS接收芯片提供的标准1Hz时间同步信号，输出大步长的时间同步信号。

而且，大步长的时间同步信号为10Hz或100Hz。

而且，时间校准电路根据守时时间同步误差值对本地时间进行校准，得到1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz。

因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2.采用该电路装置能提高GPS授时的精度。

附图说明

图1是本发明实施例中的GPS授时装置的原理框图；

图2是本发明实施例中的数字信号处理器的电路原理图；

图3是本发明实施例中的石英晶体振荡器的频率日波动特性示意图；

图4是本发明实施例中的石英晶体振荡器的频率准确度A，频率老化率D对守时时间同步误差的影响示意图；

图5是本发明实施例中的石英晶体振荡器的频率稳定度f₁(t)对守时时间同步误差的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明技术方案作进一步详细的描述。

参见图1，实施例所提供一种高精度的GPS授时装置，包括一个石英晶体振荡器，一个GPS接收芯片，以及一个数字信号处理器；石英晶体振荡器和GPS接收芯片分别接入数字信号处理器，所述石英晶体振荡器为数字信号处理器提供10MHz的参考频率，所述GPS接收芯片为数字信号处理器提供1Hz的标准时间同步信号。本发明中的数字信号处理器接收石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率，以及GPS接收芯片提供的标准1Hz时间同步信号，输出高精度、大步长的时间同步信号。具体实施时，石英晶体振荡器、GPS接收芯片和数字信号处理器可采用市场上出售的电子器件，例如GPS接收芯片为摩托罗拉M 12T–OEM板，石英晶体振荡器采用型号为EMXO-380-385的芯片，数字信号处理器采用的型号为Xilinx-SpartanIIE的器件。

参见图2，本发明中数字信号处理器包括一个分频器，一个频率校准电路，一个时差校准电路，两个倍频器电路，两个倍频器电路分别记为倍频器1、倍频器2；所述分频器接收石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率，经过频率分频，输出1Hz时间同步信号给频率校准电路，在卫星失锁状态，将1Hz时间同步信号作为时差校准电路的输入信号；所述频率校准电路同时接收石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率和GPS接收芯片提供的标准1Hz时间同步信号以及由分频器电路提供的1Hz时间同步信号，经过频率校准，输出石英晶体振荡器的10MHz校准频率(f_{x_jz})给倍频器1和2；所述时差校准电路，在卫星失锁状态，接收分频器电路提供的1Hz时间同步信号，在时差校准后，输出1Hz时间同步信号的校准值(1Hz_jz)给倍频器1；所述倍频器1，在卫星锁定状态屏蔽，在卫星失锁状态，同时接收频率校准电路提供的石英晶体振荡器的10MHz校准频率(f_{x_jz})和时差校准电路提供的1Hz时间同步信号的校准值(1Hz_jz)，输出大步长的时间同步信号(10Hz,100Hz…)；所述倍频器2，在卫星失锁状态屏蔽，在卫星锁定状态，同时接收频率校准电路提供的石英晶体振荡器的10MHz校准频率(f_{x_jz})和GPS接收芯片提供的标准1Hz时间同步信号，输出大步长的时间同步信号(10Hz,100Hz…)。具体实施时，本领域技术人员可自行预设所需输出。具体实施时，数字信号处理器可以采用编程器件，分频器、频率校准电路、时差校准电路、倍频器电路可采用软件编程方式在数字信号处理器中实现；或者，各部分分别采用相应芯片实现，根据本发明提供的信号连接关系，构成数字信号处理单元。本领域中，卫星锁定状态一般指接收到的卫星数≥4颗；卫星失锁状态一般指接收到的卫星数<4颗。

为本领域技术人员理解本发明效果起见，下面举例说明本发明提出的高精度的GPS授时装置的精密授时和守时原理。

举例说明本发明提出的石英晶体振荡器的频率校准原理：为了保证授时系统输出高精度、大步长的时间同步信号，需要对石英晶体振荡器的频率进行测量、校准。其中石英晶体振荡器的工作参数为：频率标称值f₀＝10MHz，标称频率准确度A₀＝5×10^-10,1s时域稳定度10^-10，-30℃～70℃的温度稳定性2×10^-8，预热时间10min。采用GPS接收芯片输出的标准1Hz时间同步信号提供门控时间，长度为T，将标准1Hz时间同步信号作为计数的开门信号，将石英晶体振荡器经过分频生成的1Hz时间同步信号作为计数的关门信号，在t₁，t₂两个时刻对开关门信号之间的时间差进行测量，分别得到时间差Δt₁和Δt₂，由于石英晶体振荡器的频率准确度由此可以得到石英晶体振荡器的频率的实测值f_x。在频率测量的过程中，需要确保计数引入的测量量化误差比被测频率标准的准确度高一个数量级由于石英晶体振荡器的频率准确度的数量级为10^-10，因此由计数引入的测量量化误差的数量级为10^-11，其中量化误差测频过程中，计数的时钟周期因此，Δt₁-Δt₂引起的量化误差为±200ns，由此可以得到测频所需的门控时间为T＝10⁴s，测频结束后，利用频率校准电路进行频率的校准，输出石英晶体振荡器的10MHz校准频率(f_{x_jz})。现有频率校准技术中，频率校准电路一般提供有数字时钟管理模块，可以准确地进行频率的校准。

举例说明本发明提出的高精度的GPS授时装置的精密授时方法：当GPS授时装置工作在卫星锁定模式，以石英晶体振荡器的10MHz校准频率(f_{x_jz})作为参考频率，利用倍频器2对GPS接收芯片提供的1Hz标准时间同步信号进行倍频处理，输出大步长的高稳定度时间同步信号。

举例说明本发明提出的GPS授时装置的精密守时原理：由于石英晶体振荡器本身以及外部环境的影响，石英晶体振荡器经过分频生成的1Hz时间同步信号不准确，不稳定，导致守时状态(卫星失锁模式)下的本地时间同GPS标准时间之间产生了时间同步误差。其中石英晶体振荡器的守时时间同步误差其中，t表示时刻，A表示石英晶体振荡器的频率准确度(A＝A₀+Dt，A₀表示t＝0时刻石英晶体振荡器的频率准确度，即标称频率准确度)，D表示石英晶体振荡器的频率老化率，f₁(t)表示石英晶体振荡器的频率稳定度，D和f₁(t)根据相关国际标准可计算得到。由此可见影响石英晶体振荡器的守时时间同步误差δt的主要因素为石英晶体振荡器的频率老化率D，频率稳定度f₁(t)。

举例说明石英晶体振荡器的频率准确度D对守时时间同步误差δt的影响：为了求取频率老化率D，可以对石英晶体振荡器守时状态(卫星失锁模式)下的频率进行测量：以铯原子钟作为比对测量基准信号，测频前，对石英晶体振荡器进行提前预热，卫星高度角设定为10°，最低卫星数为5颗，以人工方式使得GPS授时装置处于卫星失锁模式，并以此时刻作为测频的时间起点。测频参数：取样时序t_i＝[1:30]，取样时间间隔0.5d，测频所需的门控时间T＝10000s。图3描述了频率的日波动特性，f_i表示t_i取样时刻的实测频率，Δf＝|f_i-f₀|，根据图3的实测结果，可以得到石英晶体振荡器的频率的日老化率D＝-4.45×10-¹²。图4描述了石英晶体振荡器的频率准确度A，频率老化率D对守时时间同步误差Δt的影响，其中data1表示频率老化率D对守时时间同步误差的影响，data2表示频率准确度A及频率老化率D对守时时间同步误差的影响，data3表示data2数据的二次多项式拟和结果，即为频率标准对守时影响的日守时时差曲线。

举例说明石英晶体振荡器的频率稳定度f₁(t)对守时时间同步误差Δt的影响：测频时间T＝10000s，取样时间间隔0.5h，测频过程中，相邻两次的为一组，组内无间隔，整个测频过程的取样组数N＝12，图5描述了石英晶体振荡器的频率稳定度f₁(t)对守时时间同步误差的影响，其中测频时间T＝10000s，取样时间间隔0.5h，测频过程中，相邻两次的为一组，组内无间隔，整个测频过程的取样组数N＝12。

举例说明本发明提出的石英晶体振荡器对守时影响的日守时时间同步误差曲线方程：将图4、图5进行比对分析，分析结果说明石英晶体振荡器的频率准确度A和频率老化率D是影响守时时间同步误差的主要因素，在实际情况下，可以不考虑石英晶体振荡器的频率稳定度f₁(t)对守时时间同步误差的影响，对图4中的data2采用二次多项式进行拟合，可以得到石英晶体振荡器度守时影响的日守时时间同步误差方程：δt＝-2.120×10^-7t²-3.031×10^-6t-8.277×10^-6，在系统的守时过程中，利用此方程求得的守时时间同步误差对本地时间进行修正，完成本地时间同GPS系统时间之间的时间同步。

举例说明本发明提出的高精度的GPS授时装置的精密守时方法：当GPS授时装置工作在卫星失锁模式，将石英晶体振荡器提供的10MHz参考频率经分频器进行分频生成的1Hz时间同步信号作为授时装置守时状态下的时间同步信号。在守时状态下，将石英晶体振荡器同铯原子钟进行比对，计算守时时间同步误差，在时间校准电路将得到的守时时间同步误差值对本地时间进行校准，使其同步于GPS系统时间，得到1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz。具体实施时，可将预先得到的日守时时间同步误差方程存进时间校准电路，时间校准电路可实时计算守时时间同步误差。实验过程中测得的石英晶体振荡器的守时时间同步误差的最大值为δt_max≈11μs，守时状态下，卫星失锁时间设定为15d，在实际的工作过程中，GPS授时装置一般不会出现这么长的失锁时间，因此，石英晶体振荡器的守时时间同步误差值＜＜δt_max，从而保证了在守时状态下GPS授时装置输出的的大步长时间同步信号的μs级精度。

本文中所述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置，其特征在于：包括一个石英晶体振荡器，一个GPS接收芯片，以及一个数字信号处理器；

所述倍频器1，在卫星锁定状态屏蔽，在卫星失锁状态同时接收频率校准电路提供的石英晶体振荡器的10MHz校准频率f_{x_jz}和时差校准电路提供的1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz，输出大步长的时间同步信号；

2.根据权利要求1所述用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置，其特征在于：大步长的时间同步信号为10Hz或100Hz。

3.根据权利要求1或2所述用于提供高精度大步长时间同步信号的GPS授时装置，其特征在于：时间校准电路根据守时时间同步误差值对本地时间进行校准，得到1Hz时间同步信号的校准值1Hz_jz。