CN101231337B - 高精度时间同步装置 - Google Patents
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Abstract
高精度时间同步装置，涉及无线电导航系统中的时间同步装置。它解决了现有时间同步装置中存在的每次同步调整时间长以及不能对时钟信号进行实时监测、实施调整问题。本发明中的工控机通过GPIB总线获得相位比较器输出的相位差信号，工控机还通过RS232串行通信总线分别传递控制信号给同步触发器、原子钟和信号源；工控机还控制本发明的工作状态及其转换，所述工作状态有时间同步状态：相位比较器获得同步触发器和原子钟输出信号的相位差，工控机根据所述相位差调整原子钟输出信号与同步触发器输出信号同步；监控状态：相位比较器获得原子钟和信号源输出信号的相位差，工控机根据所述相位差调整信号源输出信号与原子钟输出信号同步。
Description
高精度时间同步装置
技术领域
[0001] 本发明涉及无线电导航系统中的时间同步装置。
背景技术
[0002] 时间同步装置就是利用时间发布系统向外界发播时间信息，用户终端将接收到的
时间信息与本地信息作比较，测出两者的时间差，并将用户时间与系统时间同步。常用的同
步方式主要短波授时法、长波授时法、卫星授时法、搬钟法以及设置同步监控站。
[0003] 短波授时和长波授时利用在地面发射大功率短波、长波无线电信号传递时间信
息。短波与长波的传播特性决定了短波授时需发射大功率授时信号，因此设备体积庞大，结
构复杂。两者的时间传递范围很有限，现有的技术只能做到1000〜2000公里范围内的授时。
[0004] 美国的GPS卫星系统在距地面20200公里高度布设了 24颗卫星，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55° ，各个轨道平面之间交角60° ，卫星绕地球一周需11小时58分钟，依靠伪码跟踪及载波跟踪实现了高精度定位与授时。目前卫星授时主要依靠GPS，其授时精度大约在10〜20纳秒左右，为了提高授时精度，现在常用卫星共视法进行授时，所谓共视授时就是在两个相距不远的地点利用相同的卫星进行授时，由于两地地面距离较近，这样可以消除卫星向地面传播信号的延迟误差。由于卫星授时可以覆盖全球，且授时精度高，因此实际中应用广泛。搬钟授时法适用于两个被授时地相距不远，能够短时间内将基准原子钟在两地间搬移，因此实际应用中受到了很大的限制。监控站同步法是在发射基站信号覆盖范围内设立监控站，从各个基站的导航电文中提取出信号到达监控站的时延，得出基站与基站之间的同步误差，用数传电台发至各个基站，由基站进行调整。但由于信号由地_地传播，时延的不确定因素多，授时精度相对较低。[0005] 时间同步装置一般包括授时接收机、高精度频率源、同步监控装置、同步调整装置等。传统同步装置采用铷原子钟频率作为频率源，铷原子钟的日频率稳定度约为10—"左右，只能实现短时间同步。而且，每次同步需要长时间调整，约需要一到两个小时左右甚至更长的时间，即只能在装置启动同步后一段时间内与标准时间同步，无法实时观测、调整同步误差量，长时间工作后装置同步精度变差，必须重新同步。重新同步时与同步装置相连接的设备就无法正常工作，装置使用的铷钟频率源频率稳定度不高，同步次数频繁，可操作性差。此类时间同步装置钟差监控常使用示波器测量同步钟差，不能够提供实时的同步精度，且读出的钟差精度不高，经常需要人工干预。
发明内容
[0006] 为了解决现有各种时间同步装置中存在的每次同步调整时间长以及不能对时钟
信号进行实时监测、实施调整问题，本发明提供了一种高精度时间同步装置。
[0007] 高精度时间同步装置由授时时钟源1、同步触发器2、原子钟3、相位比较器4、工控
机5和信号源6组成，其中[0008] 同步触发器2从授时时钟源1接收授时信号并整形后分为两路输出，一路输出给 原子钟3作为同步信号，另一路输出给相位比较器4作为A相输入信号； [0009] 原子钟3根据输入的同步信号同步输出秒脉冲（1PPS)信号和频率参考信号，所述 秒脉冲信号分别输出给相位比较器4作为B相输入信号、输出给信号源6作为时钟基准信 号；所述频率参考信号分别输出给相位比较器4作为工作参考频率信号、输出给信号源6作 为频率基准信号；
[0010] 信号源6根据接收的时钟基准信号和频率基准信号输出时钟信号，还输出秒脉冲 时钟信号给相位比较器4作为A相输入信号；
[0011] 相位比较器4输出A相输入信号和B相输入信号的相位差信号，所述相位差信号 通过GPIB (General Purpose Interface Bus)总线发送给工控机5 ;
[0012] 工控机5通过RS232串行通信总线分别与同步触发器2、原子钟3和信号源6发 送/接受信号；工控机5分别发送控制信号给同步触发器2和信号源6使其输出或停止输 出信号给相位比较器4，并保证在同一时刻只有一路信号输出给相位比较器4作为A相输入 信号；工控机5根据接收到的同步触发器2和原子钟3输出信号的相位差校正原子钟3输 出的秒脉冲信号；工控机5还根据接收到的原子钟3和信号源6输出信号的相位差校正信 号源6输出的时钟信号。
[0013] 本发明的高精度时间同步装置，能够对输出时钟信号进行实时监控、实时调整，并 根据监控结果适时进行时间同步调整，每次同步调整的时间在10分钟以内即可完成。
附图说明
[0014] 图1是本发明的结构示意图，图2是具体实施方式二所述的同步触发器2的结构 示意图。
具体实施方式
[0015] 具体实施方式一 ：本实施方式的高精度时间同步装置由授时时钟源1、同步触发 器2、原子钟3、相位比较器4、工控机5和信号源6组成，其中
[0016] 同步触发器2从授时时钟源1接收授时信号并整形后分为两路输出，一路输出给 原子钟3作为同步信号，另一路输出给相位比较器4作为A相输入信号； [0017] 原子钟3根据输入的同步信号同步输出秒脉冲（1PPS)信号和频率参考信号，所述 秒脉冲信号分别输出给相位比较器4作为B相输入信号、输出给信号源6作为时钟基准信 号；所述频率参考信号分别输出给相位比较器4作为工作参考频率信号、输出给信号源6作 为频率基准信号；
[0018] 信号源6根据接收的时钟基准信号和频率基准信号输出时钟信号，还输出秒脉冲 时钟信号给相位比较器4作为A相输入信号；
[0019] 相位比较器4输出A相输入信号和B相输入信号的相位差信号，所述相位差信号 通过GPIB总线发送给工控机5 ;
[0020] 工控机5通过RS232串行通信总线分别与同步触发器2、原子钟3和信号源6发 送/接受信号；工控机5分别发送控制信号给同步触发器2和信号源6使其输出或停止输 出信号给相位比较器4，并保证在同一时刻只有一路信号输出给相位比较器4作为A相输入信号；工控机5根据接收到的同步触发器2和原子钟3输出信号的相位差校正原子钟3输 出的秒脉冲信号；工控机5还根据接收到的原子钟3和信号源6输出信号的相位差校正信 号源6输出的时钟信号。
[0021] 所述原子钟3选择铯原子钟，本实施方式选用采用0SCILL0QUARTZ公司的5585铯 原子钟，所述铯原子钟的日频率稳定度为10—13，比现有常采用的铷原子钟要提高了两个数 量级，原子钟3根据同步触发器2发送的同步信号进行自动同步，同步精度小于100纳秒。 工控机5根据相位比较器4测得的时间差控制原子钟3进行精同步调整，可调整的分辨力 为1纳秒，整个精度同步调整时间小于10分钟。时间同步装置使用原子钟输出的信号做为 时钟和频率基准，能够为无线电导航提供更精确、更稳定的时钟信号，保障系统定位精度和 稳定性。
[0022] 本实施方式中的授时时钟源1是GPS、北斗或其它外部授时信号源。
[0023] 所述相位比较器4的测量相位误差小于200皮秒。本实施方式中的相位比较器4
选用高速计时/计频器作相位比较器，例如FLIKE公司的PM6681型计数器。使相位比较器
不仅能计时、计频还可以用于测量时间相位差，其速度和分辨率都可和最精确的时间和频
率分析仪相媲美，测量相位误差最高可达到50皮秒，其测量速度与精度能够及时准确地为
导航系统测量相应数据信息。同时，并有GPIB接口与计算机相连接，可达到读数速度8Mb/
So
[0024] 所述同步触发器2主要功能是对外部授时信号脉冲上升沿整形，以产生能够满足 原子钟接口的高速5V，50Q的CM0S信号，由触发器内部时钟基准的脉冲信号触发相应的触 发电路，产生相同频率且具有较好上升沿的两路脉冲信号，所述两路脉冲信号的占空比为 8%〜12%，并且上升沿小于10纳秒。
[0025] 所述原子钟3的频率参考信号输出10MHz的脉冲信号，同时输出给信号源6和相 位比较器4，为所述相位比较器4提供高精度的工作频率参考源，提高其数据测量精度。 [0026] 本实施方式中的相位比较器4与工控机5之间通用GPIB接口总线连接，可以对原 子钟频率、外部时钟源频率、原子钟与外部时钟相位差、信号源与原子钟相位差进行时分切 换监控，实现了实时监控、一机多用的目的。
[0027] 本实施方式的高精度时钟调整装置的工作过程可分为两种工作状态，一种是校准 的时间同步状态，此状态下相位比较器4通过比较同步触发器2和原子钟3的输出信号获 得相位差，并根据所述相位差调整原子钟3的输出信号与同步触发器2输出的信号同步；一 种是监控状态，此状态下相位比较器4比较信号源6和原子钟3的输出信号获得相位差，并 根据所述相位差调整信号源6的输出信号与原子钟3输出的信号同步。两种工作状态的转 换是通过工控机5控制循环转换的。
[0028] 具体实施方式二 ：本实施方式与具体实施方式一所述的高精度时间同步装置的区 别在于，所述同步触发器2由高速数字比较器21、单片机22、CPLD23组成，高速数字比较器 21将授时时钟源1输入的授时信号整形后分成两路相同的信号输出给CPLD23，所述CPLD23 对两路输入信号整形后分别输出给原子钟3和相位比较器4 ;单片机22通过RS232串行通 信总线接收工控机5发出的控制信号，单片机22根据所述控制信号输出信号给CPLD23控 制CPLD23输出或停止输出信号给相位比较器4。
[0029] 本实施方式所述的同步触发器2，将输入的信号整形成上升沿优于10纳秒，同步精度优于2纳秒的脉冲信号，并且所述脉冲信号的占空比为8%〜12%。
[0030] 本实施方式的同步触发器采用了单片机和CPLD的结构。在逻辑控制和智能控制
方面，单片机具有不可替代的优越性，而在高速稳定等方面，CPLD器件拥有明显的优势。由
于CPLD是纯硬件结构，不会存在单片机的因外部干扰而使程序饱和死机等问题，具有极强
的抗干扰能力。所以，在单片机应用设计中使用CPLD，可以将单片机较强的逻辑控制和数据
处理能力与CPLD的高集成度、高可靠性、高速度结合起来。单片机通过RS232与工控机连
接，接收控制命令字，选择不同的信号做外部时钟信号开启触发电路，从而输出同步信号给
原子钟同步及测试。在实际电路中，由触发器的输入到输出经过一定的硬件电路，使输出的
同步信号与输入的时钟基准信号有一定的时间误差，在电路制作时采用相同的电子器件与
制造工艺，保证了不同导航发射系统同步信号具有相同的时间差，即保证整个系统的时间同步。
[0031] CPLD是可由用户进行编程实现所需逻辑功能的可编程逻辑器件，内部硬件的延时 确定性使得输出的两路秒脉冲严格同步，实际测量两路信号的同步精度小于2纳秒。 [0032] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的高精度时间同步装置 的区别在于，它还包括多个授时时钟源l，所述多个授时时钟源1分别输出授时信号给同步 触发器2，所述同步触发器2根据接收到的工控机5发出的选择命令信号选择一路授时时钟 源1发出的信号进行整形、输出；工控机5通过RS232串行通信总线获得同步触发器2所选 择的一路授时时钟源1输出信号的频率，当所述频率是在设定范围之外时，给同步触发器2 发送选择另 一路授时时钟信号的命令。
[0033] 本实施方式的高精度时间同步装置中包括多个授时时钟源l，所述多个授时时钟 源l可以是同一种时钟源，也可以是多种时钟源，例如GPS、北斗或其它外部授时信号源等， 在使用的时候，可以以其中一个授时时钟源为主，其它授时时钟源为辅，在工作的时候，通 过工控机5控制同步触发器2选择一路授时信号进行工作，同时通过RS232通信总线获得 所述被选择的授时时钟源的授时信号的频率，当所述频率超过设定的范围的时候，工控机5 控制同步触发器2更换授时信号，实现多路授时信号的选择、切换，提高了装置的工作可靠 性。
[0034] 本实施方式中所述的授时信号的频率在设定范围是指预先设定的授时时钟的精 度。
Claims (8)
- 高精度时间同步装置，它包括授时时钟源(1)、同步触发器(2)、原子钟(3)、相位比较器(4)、工控机(5)和信号源(6)，其特征在于??同步触发器(2)从授时时钟源(1)接收授时信号并整形后分为两路输出，一路输出给原子钟(3)作为同步信号，另一路输出给相位比较器(4)作为A相输入信号； 原子钟(3)根据输入的同步信号同步输出秒脉冲信号和频率参考信号，所述秒脉冲信号分别输出给相位比较器(4)作为B相输入信号、输出给信号源(6)作为时钟基准信号；所述频率参考信号分别输出给相位比较器(4)作为工作参考频率信号、输出给信号源(6)作为频率基准信号； 信号源(6)根据接收的时钟基准信号和频率基准信号输出时钟信号，还输出秒脉冲时钟信号给相位比较器(4)作为A相输入信号； 相位比较器(4)输出A相输入信号和B相输入信号的相位差信号，所述相位差信号通过GPIB总线发送给工控机(5)； 工控机(5)通过RS232串行通信总线分别与同步触发器(2)、原子钟(3)和信号源(6)发送/接受信号；工控机(5)分别发送控制信号给同步触发器(2)和信号源(6)使其输出或停止输出信号给相位比较器(4)，并保证在同一时刻只有一路信号输出给相位比较器(4)作为A相输入信号；工控机(5)根据接收到的同步触发器(2)和原子钟(3)输出信号的相位差校正原子钟(3)输出的秒脉冲信号；工控机(5)还根据接收到的原子钟(3)和信号源(6)输出信号的相位差校正信号源(6)输出的时钟信号。
- 2. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述原子钟（3)是铯原子钟。
- 3. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述授时时钟源（1)是GPS或北斗。
- 4. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述相位比较器（4)的测量相位误差小于200皮秒。
- 5. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述同步触发器（2)将输入的授时信号整形成高速5V，50Q的CM0S信号，所述信号的占空比为8X〜12%，上升沿小于10纳秒。
- 6. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述原子钟（3)输出的频率参考信号的频率是lOMHz。
- 7. 根据权利要求l所述的高精度时间同步装置，其特征在于所述同步触发器（2)由高速数字比较器（21)、单片机(22)、 CPLD(23)组成，高速数字比较器(21)将授时时钟源(1)输入的授时信号整形后分成两路相同的信号输出给CPLD(23)，所述CPLD(23)对两路输入信号整形后分别输出给原子钟（3)和相位比较器（4);单片机（22)通过RS232串行通信总线接收工控机（5)发出的控制信号，单片机（22)根据所述控制信号输出信号给CPLD(23)控制CPLD(23)输出或停止输出信号给相位比较器（4)。
- 8. 根据权利要求1所述的高精度时间同步装置，其特征在于它还包括多个授时时钟源(l)，所述多个授时时钟源（1)分别输出授时信号给同步触发器（2)，所述同步触发器（2)根据接收到的工控机（5)发出的选择命令信号选择一路授时时钟源（1)发出的信号进行整形、输出。
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