CN101483432A - 用于雷电时差探测站中的高精度gps时钟及其同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟及其同步方法，其用于雷电时差探测站中。用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法是，一方面采用GPS接收机对GPS同步时钟进行校正，使用GPS接收机所输出的秒脉冲信号来校对，另一方面用本地频率源校正GPS接收机的秒脉冲，本地频率源采用高稳定度频率源，校对中，采用GPS接收机与本地高稳定度频率源相互校正的方法和算法；GPS接收机采用受时型GPS接收机。用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟由GPS天线、GPS接收机、恒温晶体振荡器、中央处理单元、计数器、秒脉冲锁存器和外部事件锁存器组成。本发明的优点是，时间精度高。

Description

用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟及其同步方法

技术领域

本发明属于异地时间同步和授时领域，具体地说涉及用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟及其同步方法。GPS的中文意思为全球定位系统。

背景技术

雷电时差定位系统是一整套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统，它主要由四部分组成：即1.雷电探测站；2.中心站；3.用户终端；4.雷电信息网络系统。探测站是雷电时差定位系统的核心部分，它的数量和运行质量决定了一个系统的规模、效率和精度。其主要功能是探测云对地雷电的电磁辐射信号，测定雷电波到达的时间、方位、强度、极性等参数，并将这些数据实时地传送到中心站。雷电探测站分布在各个地区，用以接收空中传播的电磁波信号。当雷电发生时，雷电波以光速向外传播，由于各探测站点与雷击发生点的距离不同，雷电波到达各探测站点的时刻就会有差别。当两个探测站将收到雷电波的时刻送到位置分析仪，我们就可以知道雷电波到达这两站的时间差，这个时间差，乘以光速，即可得出雷击点到此两站的距离差。从几何来讲，雷击点到两探测站点的距离差已知，可以得到一条双曲线，雷击点的位置在该双曲线之上。如果有第三个探测站也收到该雷电波信号，再可以得到一条双曲线。两条双曲线的交点，即可得出雷击点的具体位置。雷电时差定位系统是建立在精密时间同步基础上的，其探测站接收雷电流所产生的辐射电磁波，记录电磁波到达时间等参数，利用分布在不同地点的多个探测站的数据，用时差法计算雷电产生地点。由于电磁波传播速度极快，就要求雷电时差探测站具有高精度的同步时间。

据申请人所知，目前雷电时差探测站均采用GPS时钟。所谓GPS时钟，就是利用GPS接收机所输出的秒脉冲信号来校对本地时钟，本地时钟一般是一个石英晶体振荡器的电子钟。其校对方法是：以秒脉冲上升沿作为每秒零点，以两个上升沿之间的间隔校正(用作)本地时钟的石英晶体振荡器频率。由于每秒校对，其间隔时间短，石英晶体振荡器在这么短的时间里所产生的误差很小，其同步精度完全由GPS接收机的输出秒脉冲决定。GPS接收机输出的秒脉冲有很高的时间精度，其上升沿误差一般在20-1000ns(纳秒)内，影响误差的因素有很多，主要是受气候条件影响。但是，GPS接收机输出的秒脉冲误差成正态分布，且具有随机性。在一般应用场合，这个误差已经很小，但在测量电磁波到达时间的场合，还须将误差控制在更小范围，以提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是，考虑上述现有技术中存在的不足而设计的，提出用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟及其同步方法。具体讲：提供用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟，在雷电时差探测站中使用。同时，提供用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，该方法采用GPS接收机秒脉冲校对本地时间的同时，利用本地频率源的高稳定性，校对GPS接收机的秒脉冲，提供一种同步精度更高的时间。GPS时钟是雷电时差探测站的一个重要部分。

本发明的技术解决方案是：

用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，采用GPS时间同步方法，其特征在于，采用了本地频率源作为本地时钟，运用GPS接收机对本地时钟进行校正，使用GPS接收机所输出的秒脉冲信号来校对本地时钟，另一方面用作为本地时钟的本地频率源校正GPS接收机的秒脉冲，校对中，采用GPS接收机与本地频率源相互校正，并采用计算GPS秒脉冲误差算法，运用公式，

1)y＝ax+b

2) $a=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

3)b＝y-ax

其中， $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ 有关参数的值实时由中央处理单元从锁存器读出，1)式是直线方程，a是斜率，即计算出的本地频率源的频率；b是截距，即计算出的GPS接收机输出的秒脉冲误差；

其特征在于，本地频率源选用高稳定度频率源，以达到更高级别的同步时间精度。

其特征在于，本地频率源选用高稳定度频率源，用高稳定度频率源作为计数器的频率源，在本地时钟选用高稳定度频率源的情况下，可以保持相对更长时间的准确度，在采用公式计算斜率和截距时，稳定度越高，可用点数就越多，误差也就更小。

其特征在于，高稳定度频率源采用恒温晶体振荡器。

用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟的作用是测量雷电电磁波的到达时间。当测量信号以脉冲形式输入，GPS时钟测量输入脉冲信号的上升沿，以数字量的形式给出测量结果，即高精度的时间量，此时间参数被雷电时差探测站主控部分采用。

用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟，采用了GPS天线，GPS接收机，计数器和外部事件锁存器，其特征在于，还需加入恒温晶体振荡器、中央处理单元和秒脉冲锁存器；GPS天线与GPS接收机相连，GPS接收机分别配接秒脉冲锁存器、中央处理单元，秒脉冲锁存器与中央处理单元连接，计数器分别与秒脉冲锁存器和外部事件锁存器连接，外部事件锁存器与中央处理单元连接，外部事件锁存器配有输入测量信号的端口，恒温晶体振荡器与计数器配接。

其特征在于，GPS接收机采用受时型GPS接收机。

本发明的工作原理是，采用本地频率源对GPS接收机秒脉冲间隔进行计数，第一个秒脉冲对应的计数值为N₁，第二个秒脉冲对应的计数值为N₂，依次类推，第m个秒脉冲的计数值为Nm，根据获得的计数值，取其中m个数据制作抑合直线。如果用秒脉冲个数作横坐标，对应的计数值作纵坐标，就可以在平面直角坐标系上画出m个分立的点，并且这些点呈直线分布。根据数学公式，用最小二乘法抑合一条直线，使直线与分立点之间的误差最小。下面是计算公式：

1)y＝ax+b

2) $a=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

3)b＝y-ax

其中， $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ (1)式是直线方程，a是斜率，即计算出的本地频率源的频率，b是截距，即计算出的GPS接收机输出的秒脉冲误差。

本发明的关键点在于，时间同步精度的改善取决于本地频率源的稳定性。稳定性越高，抑合计算的点位就可取得越多，相应的时间同步精度也越高。

本发明的优点是，采用受时型GPS接收机，高稳定度频率源，利用GPS受时的高长期稳定性和高稳定频率源的高短期稳定性，取长补短，实现一种与格林尼治时间同步的高精度时间。用高稳定度频率源作为计数器频率源，用GPS接收机输出的秒脉冲锁存计数器所对应数值。用锁存器值作纵坐标，秒脉冲个数作横坐标，在平面直角坐标系上可用一系列的点表示秒脉冲，用最小二乘法可拟合一条直线，求出该直线的斜率和截距，其所对应的就是频率源的频率和秒脉冲的误差。将误差控制在更小范围，能提高时间精度，经实验结果得知，如果恒温晶体振荡器采用1×10^-9/天的器件，时间精度可提高一个数量级。

附图说明

图1、直线抑合示意图

图2、本发明的电路方框图

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体的实施例作进一步详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的装置——用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟，采用了GPS天线1，GPS接收机2，计数器4和外部事件锁存器6，再加入恒温晶体振荡器3、中央处理单元7和秒脉冲锁存器5；用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟由GPS天线1，GPS接收机2，恒温晶体振荡器3，计数器4，秒脉冲锁存器5，外部事件锁存器6，中央处理单元7几部分组成。其中，GPS天线1与GPS接收机2相连；GPS接收机2的秒脉冲输出连接秒脉冲锁存器5，GPS接收机2的串口连接中央处理单元7；恒温晶体振荡器3与计数器4连接；计数器4分别与秒脉冲锁存器5、外部事件锁存器6配接；秒脉冲锁存器5、外部事件锁存器6分别与中央处理单元7配接。外部事件锁存器6配有输入测量信号的端口。作为测量信号的外部脉冲信号经端口与外部事件锁存器6连接。GPS接收机2采用授时型GPS接收机。通常，GPS接收机2可以选用摩托罗拉M12T，中央处理单元7可以采用Intel8051，恒温晶体振荡器3必须采用稳定度高于5×10^-9/天，频率大于10Mhz的产品。

本发明的方法——用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，采用了GPS时间同步方法，运用GPS接收机2对GPS同步时钟进行校正，GPS同步时钟采用本地时钟，采用本地频率源作为本地时钟。使用GPS接收机2所输出的秒脉冲信号来校对作为本地时钟的本地频率源，一方面采用GPS接收机2的秒脉冲校对本地频率源，另一方面用本地频率源校正GPS接收机2的秒脉冲，本地频率源采用高稳定度频率源。校对中，采用GPS接收机2与本地高稳定度频率源相互校正的方式进行，并采用计算GPS秒脉冲误差算法，运用公式计算并确定频率源的频率和秒脉冲的误差。

GPS接收机2与本地高稳定度频率源相互校正，用高稳定度频率源作为计数器4的频率源，用GPS接收机2输出的秒脉冲锁存计数器4所对应数值。用锁存器值作纵坐标，秒脉冲个数坐横坐标，在平面直角坐标系上可用一系列的点表示秒脉冲，用最小二乘法可拟合一条直线，求出该直线的斜率和截距，其所对应的就是频率源的频率和秒脉冲的误差。

外部脉冲(测量信号)连接外部事件锁存器6，外部脉冲(测量信号)是雷电电磁波经过处理后所产生的信号，由雷电电磁波经过处理后所产生的信号从外部事件锁存器6相连的端口输入，由外部事件锁存器6的值，再利用前面所计算的结果，就可测量出雷电电磁波到达的准确时间。

具体实施中，授时型GPS接收机在接收到四颗卫星信号后，就输出秒脉冲信号(1PPS)，并伴随有串口信号，告知中央处理单元7本秒脉冲的详细信息及其他一些定位和导航数据。恒温晶体振荡器3作为本地高稳定度频率源，其稳定度和频率直接影响本装置的同步精度和分辨率，计数器4对恒温晶体振荡器3进行计数，输出为N，1PPS信号驱动秒脉冲锁存器5锁存计数器4的值，输出为N_m(m是1PPS个数)，中央处理单元7通过数据线读取N_m。

在得到每秒锁存器值N_m之后，中央处理单元7根据本地振荡器的稳定性，可取最近m个数据抑合直线。振荡器稳定性越高，m值可取得越大，其精度也越高，如果恒温晶体振荡器3采用1×10^-9/天的器件，时间精度可提高一个数量级。计算方法如：

1)y＝ax+b

2) $a=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

3)b＝y-ax

其中， $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ (1)式是直线方程，a是斜率，即计算出的本地频率源的频率，b是截距，即计算出的GPS接收机2输出的秒脉冲误差。

值得注意的是：以上计算是实时进行的，每秒计算一次，保证计算结果及时有效。得到计算出的频率和秒脉冲误差之后，其时钟同步精度就得到了相应的提高。

Claims (6)

1、用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，采用GPS时间同步方法，其特征在于，采用了本地频率源作为本地时钟，运用GPS接收机(2)对本地时钟进行校正，使用GPS接收机(2)所输出的秒脉冲信号来校对本地时钟，另一方面用作为本地时钟的本地频率源校正GPS接收机(2)的秒脉冲，校对中，采用GPS接收机(2)与本地频率源相互校正，并采用计算GPS秒脉冲误差算法，运用公式，

1)y＝ax+b

2) $a=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

3)b＝y-ax

其中， $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ 有关参数的值实时由中央处理单元(7)从锁存器读出，1)式是直线方程，a是斜率，即计算出的本地频率源的频率；b是截距，即计算出的GPS接收机输出的秒脉冲误差；

2、根据权利要求1所述的用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，其特征在于，本地频率源选用高稳定度频率源，以达到更高级别的同步时间精度。

3、根据权利要求1所述的用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，其特征在于，本地频率源选用高稳定度频率源，用高稳定度频率源作为计数器的频率源，在本地时钟选用高稳定度频率源的情况下，可以保持相对更长时间的准确度，在采用公式计算斜率和截距时，稳定度越高，可用点数就越多，误差也就更小。

4、根据权利要求2或3所述的用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟同步方法，其特征在于，高稳定度频率源采用恒温晶体振荡器(3)。

5、用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟，采用了GPS天线，GPS接收机，计数器和外部事件锁存器，其特征在于，还需加入恒温晶体振荡器(3)、中央处理单元(7)和秒脉冲锁存器(5)；GPS天线(1)与GPS接收机(2)相连，GPS接收机(2)分别配接秒脉冲锁存器(5)、中央处理单元(7)，秒脉冲锁存器(5)与中央处理单元(7)连接，计数器(4)分别与秒脉冲锁存器(5)和外部事件锁存器(6)连接，外部事件锁存器(6)与中央处理单元(7)连接，外部事件锁存器(6)配有输入测量信号的端口，恒温晶体振荡器(3)与计数器(4)配接。

6、根据权利要求5所述的用于雷电时差探测站中的高精度GPS时钟，其特征在于，GPS接收机(2)采用受时型GPS接收机。

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