CN101741401B - 一种无线接收设备的授时系统及授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线接收设备的授时系统及授时方法，提高秒脉冲时差的测量精度。其中该系统主要包括：产生秒脉冲的逻辑电路，存储采样数据的存储器，对采样数据进行基带信号处理、得到原始观测量的基带处理模块，根据原始观测量的锁存时刻获得秒脉冲时差的时间解算模块，以及对秒脉冲时差进行滤波后反馈给逻辑电路的延迟锁定环；其中，逻辑电路根据反馈修正后续秒脉冲的产生时刻。本发明综合了所有通道的观测量，相对于单个通道具有更高的精确度，而且不受特定通道信号跟踪性能和质量的影响。在有多个授时信号源的情况下，可以融合各信号源，减小了测量误差，提高了授时精度；也可以进行自主完好性检测，提高授时系统的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线接收设备的授时系统，尤其涉及一种无线接收设备的授时系统及授时方法。
背景技术
高精度时间基准已经成为军/民用通信、武器平台等领域重要的基础保障平台之一，典型应用在诸如在移动通信网、数字同步网、航空航天、导弹航天试验时统系统、常规兵器试验时统系统、分布式多目标联合测控(雷达等)时统系统等应用领域。卫星导航定位系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务，是一种可供海陆空天领域军民用户共享的信息资源，而且卫星授时具有高精度、低成本、覆盖范围广的特点。
GPS卫星导航系统作为美国为军方设计的卫星导航系统，虽然在民用方面已经开拓了巨大的市场，但美国一直没有承诺对民用市场保证使用，这样就存在着在某些特殊情况下GPS不能保证使用的可能，这将会极大危害应用GPS定时接收设备的系统的安全。俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)系统也存在同样的问题。
为满足时间频率同步所要求的精度高、覆盖范围广等要求，目前普遍采用GPS授时。GPS授时产品应用会使我国国防建设面临巨大的潜在安全隐患，急需我国自主知识产权的北斗时频产品来逐步替代GPS产品，以满足我国国防建设的需要。
目前，我国自行研制的卫星导航定位系统--双星导航定位系统(北斗一号)已正常运行，它是我国的第一代卫星导航定位系统，该系统是一个具有全天候、高精度、快速实时特点的区域性导航定位系统，兼有简短数字报文通信和授时功能。如果采用高性能GPS/GLONASS/北斗三系统时间频率同步设备，就可以保证某一个或两个卫星定位系统失效的情况下，可以采用其他可用卫星定位系统提供的定时信息，以维持系统的正常工作，大大增加了系统的安全性。
短波授时台(BPM)每天24小时连续不断地以四种频率(2.5M，5M，10M，15M，同时保证3种频率)交替发播标准时间和标准频率信号，覆盖半径超过3000公里，授时精度为毫秒(千分之一秒)量级；长波授时台(BPL)每天定时发播载频为100KHz的高精度长波时频信号，地波作用距离1000-2000公里，天地波结合，覆盖全国陆地和近海海域，授时精度为微秒(百万分之一秒)量级。
以GLONASS授时原理为例：
GLONASS是由前苏联开始研制现由俄罗斯管理的全球卫星导航系统。系统由24颗卫星组成，分布在轨道高度为19100KM的三个轨道面上，运行周期为11小时15分。
GLONASS授时原理如图1所示：
用户捕获可见范围的GLONASS卫星的信号，采用确定的伪随机测距码，获得起始帧的相关峰值。利用相关峰值产生秒脉冲(Pulses Per Second，1pps)作为关门脉冲，测出用户机的整秒与相关峰的时间间隔ΔL，再减去信号传播时延tR02和用户设备时延tRU，得到钟差(秒脉冲时差，也即卫星时间和接收机时间之差)ε，对时钟进行修正。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：
(1)从用户本地1pps开始到相关峰产生的ΔL测量精度受时钟分辨率的限制而精确度较低；
(2)对于捕获的可见范围的GLONASS卫星的信号需要实时处理，无法先行存储后续再在其他时刻进行处理；
(3)对于时钟误差的测量，需要锁定一个特定的通道，无法综合多个通道进行时钟误差的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于需要提供一种无线接收设备的授时系统及授时方法，以提高秒脉冲时差的测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种无线接收设备的授时系统，包括：
秒脉冲产生逻辑电路，用于根据系统时钟信号和参考时钟信号中的至少其中之一产生秒脉冲；
数据存储器，与所述秒脉冲产生逻辑电路相连，用于存储根据采样时钟进行采样获得采样数据；
基带处理模块，与所述数据存储器相连，用于对所述采样数据进行基带信号处理，得到原始观测量；
时间解算模块，与所述数据存储器及基带处理模块相连，用于根据所述原始观测量的锁存时刻，获得秒脉冲时差；
延迟锁定环，与所述秒脉冲产生逻辑电路及时间解算模块相连，用于对所述秒脉冲时差进行滤波后反馈给所述秒脉冲产生逻辑电路；
其中，所述秒脉冲产生逻辑电路根据所述反馈修正后续秒脉冲的产生时刻。
优选地，所述参考时钟信号用于控制所述秒脉冲产生的间隔；所述系统时钟信号用于调整所述秒脉冲产生的时刻。
优选地，所述系统时钟信号和参考时钟信号为异步时钟信号或者同步时钟信号。
优选地，所述数据存储器主要采用循环缓冲器构成，包含有一个写指针和一个读指针，其中所述写指针记录当前写入数据的位置，所述读指针记录当前读出数据的位置。
优选地，所述数据存储器在所述秒脉冲产生逻辑电路产生的所述秒脉冲到达的时刻，锁存当前的写指针位置。
优选地，所述数据存储器在所述系统时钟信号的频率高于所述采样时钟的频率时，对所述秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值。
优选地，所述延迟锁定环进一步用于控制所述秒脉冲产生逻辑电路生成所述秒脉冲的分频比。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种无线接收设备的授时方法，包括：
根据系统时钟信号和参考时钟信号中的至少其中之一产生秒脉冲；
存储根据采样时钟进行采样获得采样数据；
对所述采样数据进行基带信号处理，得到原始观测量；
根据所述原始观测量的锁存时刻，获得秒脉冲时差；
对所述秒脉冲时差进行滤波，以修正后续秒脉冲的产生时刻。
优选地，所述参考时钟信号用于控制所述秒脉冲产生的间隔；所述系统时钟信号用于调整所述秒脉冲产生的时刻。
优选地，所述系统时钟信号和参考时钟信号为异步时钟信号或者同步时钟信号。
优选地，该方法进一步包括：
所述系统时钟信号的频率高于所述采样时钟的频率时，对记录所述秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值。
优选地，该方法进一步包括：
控制产生所述秒脉冲的分频比。
与现有技术相比，在本发明技术方案是根据时间解算的结果进行秒脉冲时差的计算，综合了所有通道的观测量，相对于单个通道处理结果，具有更高的精确度，而且计算过程不受特定通道信号跟踪性能和质量等的影响。在有多个授时信号源的情况下，可以实现对各个信号源计算出的秒脉冲时差进行融合，减小了测量误差，提高了授时精度，也可以进行自主完好性检测，提高授时系统的安全性和可靠性。本发明技术方案，通过对秒脉冲时差进行滤波以及反馈，平滑了测量误差，减小时差调整的抖动。有多个授时信号源的情况下，在其中一路用于授时的信号(即某一个授时信号源的信号)消失后，还可以平稳切换为应用其他授时信号。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中GLONASS系统授时原理图；
图2是本发明无线接收设备授时系统实施例的组成示意图；
图3是本发明无线接收设备授时方法实施例的流程示意图；
图4是本发明授时信号产生时序示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明技术方案的核心思想是，将秒脉冲(1pps)产生逻辑发出的脉冲与输入后存储在FIFO中的采样数据进行同步，锁存在1pps脉冲产生时刻tW对应的采样点存储位置pW，其中的采样数据根据采样时钟进行采样而获得。采样数据在经过基带处理以后，同时也记录观测量的锁存时刻tR对应采样点在采样数据FIFO中的位置pR。在时间解算过程中对观测量进行计算，可以得到观测量锁存时刻tR的精确值。由于中频数据进入FIFO的速率就是采样率，所以根据pW和pR的差值，就可以计算出两个锁存时刻的时间差tW-tR＝(pW-pR)×fs，其中fs为采样率。由于tR可以由时间解算过程获得，所以就可以精确地计算出1pps脉冲产生时刻tW。秒脉冲时差为ε＝tE-(tW+tRU)，其中tE为期望秒脉冲时刻，tRU是设备延时，都是已知量，据此可以获得秒脉冲的时差ε。将时差ε进行滤波，输入到1pps产生逻辑，就可以修正秒脉冲产生的时间使其与期望时刻tE一致。
在本发明技术方案中，由于秒脉冲时差的计算是根据时间解算的结果得到，在计算过程中综合了所有通道的观测量，所以计算结果相对于单个通道的结果有更高的精确度，而且计算不受特定通道信号跟踪性能和质量的影响。
图2是本发明无线接收设备授时系统实施例的组成示意图。如图2所示，该系统实施例主要包括秒脉冲产生逻辑电路210、数据存储器220、基带处理模块230、时间解算模块240以及延迟锁定环250，其中：
秒脉冲产生逻辑电路210，用于根据系统时钟信号f0，或参考时钟信号fr，或系统时钟信号f0及参考时钟信号fr这二者的组合(也即根据系统时钟信号f0及参考时钟信号fr中的至少其一)产生秒脉冲(1pps)；
其中，该系统时钟信号f0和参考时钟信号fr在本实施例中是异步时钟信号，在其它实施例中也可以是同步时钟信号；参考时钟可以和系统时钟是异步时钟，也可以是同步时钟信号，比如直接用参考时钟或参考时钟的若干倍频来产生系统时钟信号，此时二者是同步的；或者参考时钟采用采样时钟，而系统时钟有其他的独立来源，此时二者就是异步的；
参考时钟信号fr或系统时钟信号f0，经过某一预设的分频比进行分频，可以用于控制秒脉冲产生的间隔；系统时钟信号f0通常有比较高的频率，可以进一步用于对秒脉冲产生的时刻进行高分辨率的调整；
数据存储器220，与该秒脉冲产生逻辑电路210相连，用于存储原始输入的采样数据其中的采样数据根据采样时钟进行采样而获得，其中该原始输入的采样数据本实施例中是来自导航卫星；在其它实施例中也可以是来自其他的设备，比如长波授时地面设备等，本发明对该原始输入的采样数据的来源并不做具体限制；
本实施例中数据存储器220主要采用循环缓冲器(buffer)构成，包含有一个写指针和一个读指针，其中写指针记录当前写入数据(即当前写入的采样数据)的位置，读指针记录当前读出数据(即当前读出的采样数据)的位置；
在秒脉冲产生逻辑电路210产生的秒脉冲到达的时刻，数据存储器220锁存当前的写指针位置；
在引入比采样时钟更高频率(写指针变化的频率就是采样时钟的频率)的系统时钟信号的情况下，数据存储器220对秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值，得到更精确的写指针小数值；
基带处理模块230，与该数据存储器220相连，用于对该数据存储器220中存储的采样数据进行基带信号处理，即捕获和跟踪，得到原始观测量，比如：伪距、载波相位、多谱勒等，发送给时间解算模块240；
在数据存储器220没有溢出的情况下，数据一直存储在数据存储器220中，所以可以对数据存储器220中的数据多次读取进行后处理，提高基带处理模块的复用率，实现多通道处理；
基带处理模块230在处理到数据存储器220中某个特定位置的数据时，将处理结果输出，这个特定位置对应的是观测量锁存时刻的读指针位置；
时间解算模块240，与该数据存储器220及基带处理模块230相连，用于接收时间解算模块240获得的处理结果即原始观测量，根据该原始观测量锁存时刻的精确时间，获得秒脉冲时差ε；
延迟锁定环250，与该秒脉冲产生逻辑电路210及时间解算模块240相连，用于对时间解算模块240获得的秒脉冲时差ε进行滤波，以对该秒脉冲产生逻辑电路210产生后续的秒脉冲信号进行产生时刻的修正。
秒脉冲产生逻辑电路210还可以根据需要，调整秒脉冲产生的脉冲宽度。
由于石英晶体振荡器随着时间和老化将产生漂移，可以采取频率测量和校正措施，消除频标漂移对授时精度的影响和对发射频率精度的控制。因此，时间解算模块240获得的秒脉冲时差ε，可以通过滤波处理之后反馈给秒脉冲产生逻辑电路210，一方面对测量误差进行平滑，减小时差调整的抖动，同时也可以通过平滑调整输出秒脉冲的频率，实现不同时间系统间的平稳切换。在具有多个时间系统接收功能的接收机中，如观测量锁存时刻tR、期望秒脉冲时刻tE等时标可以以任意选定的某一个时间系统为基准，通过不同系统间进行切换，可以分别获得所有时间系统的秒脉冲时差ε。也可以对滤波器系数进行灵活地配置，比如对滤波器带宽和阶数进行配置，可以控制环路噪声和反应速度。
在有多个授时信号源(比如多个卫星采样数据，或者是来自其他授时设备的信号)的情况下，可以实现对各个信号源计算出的秒脉冲时差ε进行融合，减小测量误差，提高授时精度(按统计理论，理论上讲，多系统融合的误差，将小于单个系统的误差)。也可以进行自主完好性检测，提高授时系统的安全性和可靠性(比如当一个系统出现故障时，可以切换到另一个系统；还可以用本地原子钟守时和授时)。
如图2所示，该系统实施例包括有延迟锁定环250，该延迟锁定环250与该秒脉冲产生逻辑电路210及时间解算模块240相连，用于对时间解算模块240获得的秒脉冲时差ε进行滤波处理，并将滤波处理结果反馈给该秒脉冲产生逻辑电路210；滤波结果还包含产生控制秒脉冲产生逻辑电路210中用参考时钟信号fr生成秒脉冲信号的分频比。这个分频比反映的是参考时钟信号fr的实际频率。因此，通过调节参考时钟信号fr的频率(比如该参考时钟信号fr是由压控振荡器产生)，就可以根据实际频率和标称频率的差值调整参考时钟信号fr，使实际频率接近标称频率的值。该参考时钟信号fr可以作为一个稳定的时钟源输出。在没有外部信号的时候，依靠相对稳定的参考时钟信号fr，仍然可以提供稳定的秒脉冲时钟，实现授时的功能。
图3是本发明无线接收设备授时方法实施例的流程示意图，图4是本发明授时信号产生时序示意图。结合图2所示本发明系统实施例和图4所示本发明授时信号产生时序，图3所示方法实施例主要包括如下步骤：
步骤S310，根据系统时钟信号f0，或者参考时钟信号fr，或者系统时钟信号f0及参考时钟信号fr的结合(也即根据系统时钟信号f0及参考时钟信号fr中的至少其一)产生秒脉冲；其中，该系统时钟信号f0和参考时钟信号fr在本实施例中是异步时钟信号，在其它实施例中也可以是同步时钟信号；其中的参考时钟信号fr有相对稳定的频率，用于控制秒脉冲产生的间隔；系统时钟信号f0有比较高的频率，用于对秒脉冲产生的时间进行高分辨率的调整；
步骤S320，存储原始输入的采样数据，在秒脉冲到达的时刻锁存当前的写指针位置；在引入比采样时钟更高频率的系统时钟信号的其它实施例中，可以对记录秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值，得到更精确的写指针小数值；
步骤S330，对存储的该采样数据进行基带信号处理，得到原始观测量；在存储的采样数据没有溢出的情况下，可以对所存储的采样数据进行多次读取并进行后处理，可以提高基带处理模块的复用率，实现多通道处理；
在处理到数据存储器220中某个特定位置的数据时，输出处理结果，这个特定位置对应的是观测量锁存时刻的读指针位置；
步骤S340，根据该原始观测量的锁存时刻的精确时间，获得秒脉冲时差ε；
步骤S350，对该秒脉冲时差ε进行滤波处理，然后用滤波处理的结果修正后续秒脉冲的产生时刻。
在图4所示的授时信号产生时序图中，tE表示期望秒脉冲时刻，tR表示观测量的锁存时刻；pR表示观测量的锁存时刻tR对应的采样点在数据存储器中的位置；tW表示秒脉冲产生时刻，pW表示与秒脉冲产生时刻tW对应的采样点存储位置；其中tR和tW分别用虚线和实线进行了表示，其中的虚线分别表示pR和pW位置的信号达到天线的时刻，实线分别表示对pR和pW位置的信号进行采样的时刻。pR位置的信号达到天线与进行采样的时间差，以及pW位置的信号达到天线与进行采样的时间差，均为设备延时tRU。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种无线接收设备的授时系统，其特征在于，包括：
秒脉冲产生逻辑电路，用于根据系统时钟信号和参考时钟信号中的至少其中之一产生秒脉冲；
数据存储器，与所述秒脉冲产生逻辑电路相连，用于存储根据采样时钟进行采样获得的采样数据；
基带处理模块，与所述数据存储器相连，用于对所述采样数据进行基带信号处理，得到原始观测量；
时间解算模块，与所述数据存储器及基带处理模块相连，用于根据所述原始观测量的锁存时刻，获得秒脉冲时差；
延迟锁定环，与所述秒脉冲产生逻辑电路及时间解算模块相连，用于对所述秒脉冲时差进行滤波后反馈给所述秒脉冲产生逻辑电路；
所述数据存储器主要采用循环缓冲器构成，包含有一个写指针和一个读指针，其中所述写指针记录当前写入数据的位置，所述读指针记录当前读出数据的位置；
所述数据存储器在所述秒脉冲产生逻辑电路产生的所述秒脉冲到达的时刻，锁存当前的写指针位置；
其中，所述秒脉冲产生逻辑电路根据所述反馈修正后续秒脉冲的产生时刻。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述参考时钟信号用于控制所述秒脉冲产生的间隔；
所述系统时钟信号用于调整所述秒脉冲产生的时刻。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述系统时钟信号和参考时钟信号为异步时钟信号或者同步时钟信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述数据存储器在所述系统时钟信号的频率高于所述采样时钟的频率时，对所述秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述延迟锁定环进一步用于对时间解算模块获得的秒脉冲时差ε进行滤波处理，并将滤波处理结果反馈给该秒脉冲产生逻辑电路；滤波处理结果还包含控制秒脉冲产生逻辑电路中用参考时钟信号fr生成秒脉冲信号的分频比。
6.一种无线接收设备的授时方法，其特征在于，包括：
根据系统时钟信号和参考时钟信号中的至少其中之一产生秒脉冲；
根据采样时钟进行采样获得采样数据；
存储原始输入的采样数据，在秒脉冲到达的时刻锁存当前的写指针位置；
对所述采样数据进行基带信号处理，得到原始观测量；
在处理到数据存储器中某个特定位置的数据时，输出处理结果，这个特定位置对应的是原始观测量锁存时刻的读指针位置；
根据所述原始观测量的锁存时刻，获得秒脉冲时差；
对所述秒脉冲时差进行滤波，以修正后续秒脉冲的产生时刻。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述参考时钟信号用于控制所述秒脉冲产生的间隔；
所述系统时钟信号用于调整所述秒脉冲产生的时刻。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述系统时钟信号和参考时钟信号为异步时钟信号或者同步时钟信号。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
所述系统时钟信号的频率高于所述采样时钟的频率时，对记录所述秒脉冲到达时刻的写指针位置进行插值。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
对时间解算模块获得的秒脉冲时差ε进行滤波处理，并将滤波处理结果反馈给秒脉冲产生逻辑电路；滤波处理结果还包含控制秒脉冲产生逻辑电路中用参考时钟信号fr生成秒脉冲信号的分频比。
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