CN101458318B - 一种gps冗余授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型GPS冗余授时方法。该方法是：利用外部接收机恢复出时间基准后，基于该时间基准通过数学仿真和射频仿真，产生模拟的GPS信号，被授时的设备通过接收该信号后获得时间信息。本发明优点是对原有设备无需任何改动，与设备只需连接原有的GPS射频信号接口即可，实现了设备的冗余授时。

Description

一种GPS冗余授时方法

技术领域

本发明涉及一种授时方法，主要是卫星授时技术领域。 

背景技术

目前我国大部分分布式网络系统如CDMA网络、电力系统等都采用GPS授时。通常的做法是采用一个GPS天线，主设备内嵌GPS授时接收机，主设备与GPS授时接收机输出的时间同步。如果GPS系统一旦不可用，主设备无法实现同步，分布式网络面临崩溃的局面。 

除GPS外还有多种无线授时的方法，如我国的北斗双星系统、俄罗斯的GLONASS系统等。在GPS不能使用的情况下，采用其他的时频基准，使分散型网络实现时间同步。可确保在GPS不能使用的情况下，继续保持各网络节点时间同步。为了提高授时的可靠性，需要有冗余的授时方法。然而，现网设备在设计时只留有一个GPS天线入口，此外再无其他外部时间接口。 

GPS授时的基本原理是在GPS定位后，通过定位可获取卫星与GPS接收机之间的距离，在接收机恢复出GPS卫星的1PPS(1 Pulse per second)后，通过扣除卫星信号的传输时延，即可恢复卫星时间。 

由于许多大型通信网络都是基于GPS授时实现整网的时间同步的。单个设备内部有GPS授时接收机，授时接收机接收GPS信号，恢复出GPS卫星信号的时间信息，实现单个设备与GPS卫星系统时间同步。由于每台设备都与GPS时间同步，丛而保证了整个系统的时间同步。 

为了防止出现GPS不可用而造成整个系统瘫痪，需要给设备增加外部时间基准。将设备改造为外部授时可采用这样的方法：采用外部接收机恢复出外部卫星的信号，再通过串口将时间信号输入至设备，达到设备与外部系统时间同步的需要。这种方法虽然简单，但需要设备留有外部时钟接口。对现网设备进行改造将耗资巨大，实施起来相当困难。 

发明内容

本发明解决的主要技术问题是：无需对现网设备进行任何修改即可实现授时，解决了无外部时间接口的设备实现时间同步的问题。 

本方法是：利用外部接收机恢复出时间基准后，基于该时间基准通过数学仿真和射频仿真，产生模拟的GPS信号，该信号通过现网设备的GPS天线入口接入，现网设备内部的GPS授时接收机接收该信号后获得时间信息，该信息与外部时间基准一致。 

GPS射频信号模拟的授时流程如图1所示，外部标准时间形式为1PPS和串口TOD(Time of Day)信息。外部1PPS和和串口TOD(Time of Day)信息输入到GPS射频信号模拟机上，GPS射频信号模拟机连接现网设备的GPS接收机。由于GPS射频信号模拟有一段延时，因此对输入的1PPS需要进行超前校正。 

为了实现GPS信号模拟，需要完成以下流程： 

1、时间信息获取与时钟驯服 

采用外部授时模块即可获得。外部基准时间来源可以是卫星接收机，如GLONASS授时接收机、北斗授时接收机等；也可以是某时频设备提供的基准时间。时间信息通常包括1PPS(1 pulse per second)和时间数据信息，时间数据信息指示该1pps对应的绝对时刻，1PPS和时间数据信息均为1秒更新一次。当外部授时模块为卫星接收机时，其提供的1PPS具有较大的抖动，不利于射频信号发生；利用其提供的1PPS对本地高稳晶振进行频率校准，并确保利用高稳晶振分频产生的1pps与接收机的1PPS之间的时间间隔在允许的范围内。外部接收机产生的1PPS用来对本地频综进行驯服。 

2、GPS电文和观测数据仿真 

信号模拟的目的是使GPS接收机产生与外部时刻一致的时间信息，首先信号模拟要让GPS接收机产生本地的定位，而真实模拟GPS卫星信号是比较困难的，需要建立GPS卫星轨道模型，进行大量的实时数据计算，难以实现。因此采用伪造GPS电文和观测数据的方法。首先根据设备实际位置产生一组GPS电文和观测数据，根据该数据产生的射频信号能让GPS接收机实现预置定位。 

然而，光实现定位还无法达到授时的目的，必须要让GPS接收机恢复出外部世界的真实时间。因此必须对伪造的电文中与时间有关的参数进行实时调整。导航电文中与时间有关的参数主要是整周数和周内秒计数，分别位于第一子桢的31～52BIT和61～70BIT。在获取外部真实时间后，实时调整电文中的参数，考虑到信号产生的延时，需要进行超前处理。采用超前1S的方法，在外部真实时间的基础上增加1S，调整电文中的参数，从而实现接收机恢复的时间与外部同步。 

3、射频信号模拟 

真实的GPS卫星射频信号产生流程如下：伪码发生器产生1.023MHz的C/A伪随机码，GPS的导航电文速率为50bps，导航电文首先与该C/A码叠加，这样产生了基带信号；在GPS卫星上，基带信号被调制到L1载频，然后通过天线释放。接收机接收到的射频信号与卫星发送的射频信号对比，其接收到的信号是经过传输延迟的信号；此外由于卫星的运动，卫星与接收机之间具有相对运动，由于多普勒效应，接收机接收到的射频信号频率产生了变化。 

射频信号模拟过程中关键的环节就是模拟信号的传输延迟和多普勒效应。其传输延迟用伪距来表示，考虑到伪距的连续性，观测数据中包含伪距的速度、加速度，利用差补的方法可获得高精度的连续的伪距变化。获得采用延迟滤波器的方法实现基带信号的延迟，采用多阶数字滤波器的方法，利用高性能数字信号处理芯片实现，可获得精度为ns级的延迟精度；同样采用数字信号处理的方法对基带信号实现多普勒处理，可获得1HZ的频率分辨率。 

真实的多颗GPS卫星信号在空间合成，而模拟的GPS卫星信号在数字域实现叠加合成。采用地址发生器产生12颗卫星的特征码，分别与对应的导航电文进行叠加，合成的基带信号通过正交射频调制，调制为L1频点1.575GHZ的射频信号。 

本发明优点是对原有设备无需任何改动，与设备只需连接原有的GPS射频信号接口即可，实现了设备的冗余授时。采用基于数据文件读取的GPS信号模拟技术，为模拟器节省了大量的资源，有利于降低成本和体积。GPS信号模拟源的设计采用高速基带数字合成技术和正交中频、射频调制技术。多颗卫星信号以数字形式在高性能软件无线电处理平台上计算并合成，有效提高系统通道间的一致性，消除了卫星通道间的误差，也消除了内部时间误差，确保了高精度。该方案简化了射频设计，避免了由射频群时延不一致产生的通道间误差和卫星间的钟差，且数值计算、钟差可控，有效保证了系统的设计指标。 

附图说明

图1为时间传递流程图。 

图2为GPS卫星信号模拟源系统方案图。 

图3为GPS信号仿真模块电路原理框图。 

图4为GPS信号仿真模块软件流程图。 

具体实施方式 

GPS信号模拟的目的是使GPS接收机通过接收模拟的信号正常工作，实现定位解算。而GPS信号是由多颗不断运行的GPS卫星实时发射产生的。为了实现GPS信号模拟，首先需要设定用户轨迹、建立GPS卫星轨道模型和信号传输模型，运算量较大。采用离线运算的方法，先在高性能计算机上进行仿真计算，再将计算得到文件存储在SD卡上。GPS模拟器通过读取该文件，实现GPS信号的仿真。 

接收机为实现定位，要提供4颗以上的GPS卫星信号；仿真12颗GPS卫星的数据，仿真数据主要包括导航电文和观测数据。导航电文格式为300BIT，占40个字节，剩余20BIT空。观测数据根据设定的位置和卫星星历产生，模拟固定位置接收机产生的伪距变换，20ms更新一次。为了实现伪距的连续变化，观测数据中还包含伪距速度和加速度，便于信号产生过程中的插值。采用12小时导航电文。利用实时修改导航电文中时间参数的方法使接收设备能获得当前时间。采用修改导航电文参数的方法使数据文件能被循环使用，从而能实现不间断运行。 

GPS卫星信号模拟源系统方案如图2所示。采用SD卡存储导航电文和观测数据文件。在系统工作时，FPGA读取SD卡的数据。多颗星的基带信号经数字合成后，送至DA变为模拟信号，再进行正交射频调制获得L1频点的射频信号。当系统需要更新数仿文件时，则通过TCP/IP接口对SD卡进行读写操作，实现SD卡中的文件更新。 

GPS信号模拟算法对数据处理率有较高的要求，通过分析延时算法，这样庞大的计算量实际上只是简单的乘累加(MAC)的流水操作，其算法结构中并无复杂的数学运算(如正余弦、指数、对数等)，其运算结构是相对比较简单的，采用FPGA芯片完成基带信号处理。 

GPS信号仿真模块电路原理框图如图3所示。外部授时接收机、本地频综、SD卡都连接到FPGA芯片上，通过FPGA芯片完成基带信号处理，FPGA芯片连接射频单元，将基带信号输入到射频单元，由射频单元输出射频信号。仿真基于固定点产生的GPS导航电文和观测数据文件都存储在SD卡上，采用数据文件读取的方法产生GPS信号。 

GPS导航电文速率为50bps，300bit为一子帧，一子帧为6秒。一帧包含5子帧，共1500bit，历时30秒。一超帧则包含25帧，37.5k，历时12.5分钟。GPS电文每两小时更新一次，2小时需存储的导航电文约为375k；12颗星的导航电文为4.5M。 

观测数据则为20ms更新一次，单颗星的观测数据为40个字节，一个观测数据包有12颗星，共4288bit；2小时的数据量为4288*50*7200＝1543680000bit，约1.5G，采用2G的SD卡可完成上述数据容量的要求。 

系统上电后首先读取所有12通道的电文数据，GPS电文为2小时更新一次。一个超帧25帧，每帧300bit，合计7500bit。12颗星的导航电文总数据量为90K。系统读取电文数据后，放入电文数组，写入缓冲；读取两帧观测数据，写入缓冲；观测数据更新频率为20ms一次，每20ms读1帧观测数据，输出信号。信号处理流程如图4所示。 

Claims (6)

1.一种GPS冗余授时方法，其特征在于该方法是：利用外部接收机恢复出时间基准后，基于该时间基准通过数学仿真和射频仿真，产生模拟的GPS信号，被授时的设备通过接收该信号后获得时间信息。

2.根据权利要求1所述的一种GPS冗余授时方法，其特征在于为了实现GPS信号模拟，需要完成以下流程：

(1)、时间信息获取与时钟驯服；

(2)GPS电文和观测数据仿真；

(3)射频信号模拟。

3.根据权利要求1所述的一种GPS冗余授时方法，其特征在于仿真基于固定点产生的GPS导航电文和观测数据文件都存储在SD卡上，采用数据文件读取的方法产生GPS信号。

4.根据权利要求1所述的一种GPS冗余授时方法，其特征在于利用实时修改导航电文中时间参数的方法使接收设备能获得当前时间。

5.根据权利要求1所述的一种GPS冗余授时方法，其特征在于采用修改导航电文参数的方法使数据文件能被循环使用，从而能实现不间断运行。

6.根据权利要求1所述的一种GPS冗余授时方法，其特征在于外部接收机产生的1PPS用来对本地频综进行驯服。

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