CN101834684A - 分布式水声定位系统gps时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种分布式水声定位系统GPS时钟同步方法。A.当GPS标准时间与预设的同步时刻相同时，由GPS秒脉冲触发系统同步，即时间同步的建立；B.开始同步后，同步装置根据预设的同步脉冲周期的和脉宽，由普通晶振分频产生时钟信号clk1，再由clk1分频产生相应周期和脉宽的同步脉冲；C.当同步脉冲的数目达到预先设定的个数时，GPS秒脉冲信号触发产生一个强制清零信号，使所有计数器重新计数，以消除普通晶振不精准带来的累积误差。本发明用于分布式水声定位系统中，能够实现各节点之间的高精度同步，功耗小，成本低。

Description

分布式水声定位系统GPS时钟同步方法

技术领域

本发明涉及时间应用技术及水声测量技术，具体涉及水声浮标测量系统中的时间同步方法。

背景技术

时间应用技术包括时间同步的建立与时间同步的保持两方面的内容。时间同步的建立即用户将本地时钟与某一标准时钟对准，时间同步的保持则是依靠精确的频标维持本地时钟，使之与标准时钟的误差越小越好。

GPS是一种基于卫星的全天候被动导航系统，由于其精度高，使用经济简单等特点，已经成为目前应用最为广泛的一种定位和授时系统。

当使用多浮标法对水下目标进行精确测量时，各浮标的测量数据在时间上应保持同步。每个浮标要将数据打包回传给主控计算机进行实时解算，主控计算机在处理这些数据时，需要将每个浮标传上来的数据进行时间对齐，与此同时，对于浮标内的信号处理机来说，每一个采样数据都应有一个绝对记录时刻，信号处理机接收同步脉冲，每次同步脉冲到达，处理机重新启动定时器，对内部时钟重新开始计数，从而保证各个节点之间的严格同步。

在每个浮标内部使用一个高精度的时钟可以达到这个要求，但是高精度时钟功耗较大，不符合浮标低功耗的要求，价格也较为昂贵，成本较高。

GPS的秒脉冲信号是一个标准信号，它的误差大约只有200ns，但是秒脉冲信号的脉宽和周期都是固定的，当测量速度较快或较慢的目标时，1秒的同步周期是不合适的。

本发明相关的公开文献有：

文献1.专利申请号02160275.1GPS定时系统的时钟改进方法和装置及其应用；

文献2.专利申请号200620116716.9一种航标状态的GPS同步采集装置；

文献3.专利申请号200680053606.5用于无线通信台的GPS同步；

文献4.专利申请号200710078817.0用于无线通信系统的基站同步；

文献5.专利申请号200580047621.4基站间同步系统、同步控制装置和基站；

文献6.专利申请号200820124299.1授时装置、基站时钟装置及基站授时系统；

文献7.专利申请号200610066992.3一种基站获得和保持同步的方法；

文献8.Patent No：WO2009135160(A2)GPS-BASED MULTI-MODESYNCHRONIZATION AND CLOCKING OF FEMTO-CELLS，PICO-CELLS AND MACROBASE STATIONS；

文献9.Patent No：CN101483432(A)High precision GPS clock used in lightning timedifference detection station。

文献1发明了一种应用在同步码分多址系统中的GPS定时系统的时钟改进方法及装置。

文献2涉及了一种航标状态的同步控制采集装置，目的是提供一种可靠、有效的航标数据时间同步装置。

文献3发明了一种用于确定、提供并利用全球定位系统(GPS)的不同信号时序和无线通信系统(WCS)之间的精确时基关系，对于所述无线通信系统(WCS)，内部WCS下行链路时基标准不是固有地同步到GPS时序。

文献4发明一种为无线通信系统中多个基站进行时间同步处理的系统和方法。

文献5提供一种能够使多个基站之间实现高精度同步的基站间同步系统、同步控制装置和基站，在多个基站中的原振时钟相互同步，能够抑制各基站之间的相位差，使基站之间实现高精度的同步。

文献6公开了一种授时装置、基站时钟装置及基站授时系统，授时装置携带有向基站时钟装置发送时间同步信号的信号发送接口，基站时钟装置携带有接收授时装置发来的时间同步信号的信号接收接口，信号发送接口和信号接收接口为对应的标准化接口，信号接收接口和信号发送接口之间基于标准信号线连接。

文献7发明了一种基站获得和保持同步的方法及装置，同步时钟单元输出同步信号，应用在同步码分多址系统中可以更准确地检测同步信号。

文献8公开了一种为移动站提供时钟同步和GPS定位方法，GPS时钟模块与外部参考时钟或频率至少需要一个接口。

文献9发明了一种高精度GPS时钟装置，用于检测打雷和闪电的时间差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步精度高，同步脉冲周期和脉宽可调的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法。

本发明的目的是这样实现的：

A.当GPS标准时间(8)与预设的同步时刻(7)相同时，由GPS秒脉冲(9)触发系统同步，即时间同步的建立；

B.开始同步后，GPS时间同步装置据预设的同步脉冲周期的和脉宽(7)，由普通晶振分频产生时钟信号clk1(11)，再由clk1分频产生相应周期和脉宽的同步脉冲(5)；

C.当同步脉冲的数目达到预先设定的个数(12)时，GPS秒脉冲(9)信号触发产生一个强制清零信号，使所有计数器重新计数(10)，以消除普通晶振不精准带来的累积误差。

本发明还可以包括：

1.步骤B中所述同步脉冲的周期和脉宽由程序控制。

2.步骤C中所述系统重新计数的周期的大小必须是同步脉冲的周期和GPS秒脉冲周期的最小公倍数的整数倍。

本发明提供了一种实现分布式各节点之间严格同步的方法，利用秒脉冲和一个普通的晶振来实现系统的高精度同步，同步脉冲周期和脉宽可调。

附图说明

图1为GPS时间同步装置在水声定位系统中应用示意图

图2为GPS时间同步装置原理框图

图3为GPS时间同步装置工作流程图

图4为GPS时间同步装置仿真时序图

图5的表1为整数秒和GPS输出双精度浮点数秒

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1时GPS时间同步装置在水声定位系统中应用示意图。

分布式水声定位定位系统有若干节点，每个节点测量的数据在时间上应保持同步，因此每个节点都需加装GPS时间同步装置。主控计算机(1)将同步开始时刻和同步脉冲周期、脉宽的预设值(7)通过无线电通信链(3)发送给各个节点。每个节点接收到主控计算机(1)发送的预设值之后，将预设值与GPS标准时间(8)进行实时对比。

图2为GPS时间同步装置原理框图。

节点接收到主控计算机(1)发送的同步开始时刻和同步脉冲周期、脉宽预设值(7)之后，时间同步建立逻辑(4)将预设值与GPS标准时间(8)进行实时比较，当二者相等时，由GPS秒脉冲(9)触发同步时能信号，时间同步建立；开始同步后，时间同步同步建立逻辑(4)根据预设的同步脉冲周期的和脉宽(7)，由普通晶振分频产生时钟信号clk1(11)，再由clk1分频产生相应周期和脉宽的同步脉冲(5)；当同步脉冲的数目达到预先设定的个数时(12)，时间同步保持逻辑(6)根据GPS秒脉冲信号(9)触发产生一个强制清零信号(10)，使所有计数器重新计数，以消除普通晶振不精准带来的累积误差，时间同步得到保持。

图3为GPS时间同步装置工作流程图。

GPS时间同步装置工作流程图分为两个部分：时间同步建立逻辑和时间同步保持逻辑。时间同步建立逻辑将接收到的同步开始时刻和同步脉冲周期、脉宽预设值(7)与GPS标准时间信息(8)进行实时比较，若二者相等，则由GPS秒脉冲(9)触发同步使能信号。普通晶振分频产生周期为T的时钟信号clk1(11)，若同步脉冲周期预设值为m，脉宽为t，则时间同步建立逻辑(4)产生周期为m*T，脉宽为t的同步脉冲。

图4为GPS时间同步装置仿真时序图。

时序图信号说明：clk为普通晶振，频率为10MHz；count1为对普通晶振分频产生时钟信号clk1的计数器，clk1频率为100KHz；count2为对clk1分频产生同步脉冲的计数器，count2值由预设的同步脉冲周期值决定；count3为同步脉冲个数计数器；clk_clr为清零信号；one_pps为GPS秒脉冲信号；sye_en为同步使能信号，高电平有效；syn_led_out为同步脉冲指示信号，输出接到发光二极管；syn_pulse为同步脉冲；syn_pulse_win为时间窗信号。

图中假定普通晶振频率为10MHz，同步建立后，使能信号变为高电平有效，计数器count1分频产生一个10KHz的时钟clk1，同时计数器count2对clk1进行计数，产生预设周期的同步脉冲。GPS同步脉冲可以直接对计数器count1清零，但由于同步脉冲不一定是整数秒，GPS秒脉冲无法直接对计数器count2进行清零。这里采用计数器count3对同步脉冲进行计数，若同步脉冲周期为1.3秒，十个同步脉冲就是13秒，在13秒时，GPS秒脉冲可以对计数器count2清零，从而消除了累积误差。图中秒脉冲的周期为1s，同步脉冲的周期也为1s，每十个同步脉冲长度进行一次清零。由于十个同步脉冲周期较长，为了防止在此期间对计数器的意外清零，在前一个周期第十个同步脉冲开始后的80us和下个周期的第一个同步脉冲开始后的80us开一个宽度为1ms使能窗syn_pulse_win，只有在使能窗为高电平的情况下，对GPS秒脉冲的检测才视为有效，并且在此窗内由GPS秒脉冲触发产生宽度可调的强制清零信号clk_clr，使count1、count2、count3这三个计数器全部清零，进入下一个计数周期，其时序仿真图如图4所示，这样就消除了普通晶振不精准带来的累计误差，实现了浮标各节点时间信息的高度精准，达到了同步保持的效果。

表1是GPS输出双精度浮点数秒和整数秒。

GPS时钟同步装置需要将主控计算机(1)下传的同步开始时刻值与GPS标准时间对齐，当写入的开始同步时刻与GPS标准时间相等时，系统开始同步。由于GPS接收机输出的秒时间信息采用的是IEEE754双精度浮点数的格式，在接收到足够多的卫星信息(至少四颗星)的情况下，GPS接收机进入导航模式，此时GPS接收机输出的秒时间信息精确到小数点后的20位，从GPS接收机中读出来的通常并不是整数秒，而主控计算机下传的是整数秒，直接用整数秒和GPS接收机输出的双精度浮点数秒作比较二者是不可能相等的，因此需要对GPS标准时间秒信息其进行修正，将其修正为整数。GPS接收机输出的时间信息包括小时、分钟和秒。小时和分钟的信息完全提取，而将GPS接收机输出的64位双精度浮点数，只取其中的高24位，其余位按零处理。表1列出了整数秒和GPS接收机输出秒的IEEE754双精度浮点数的十六进制和十进制形式，由于篇幅有限，只列出了从51到60的十个数。从表中可以很明显的看出，只要将GPS接收机输出的双精度浮点数加上10000000000H，即可形成整数秒。将修正后的GPS时间信息与预设的同步时刻进行实时对比，当两者完全相同时，则由GPS秒脉冲触发系统的同步。

Claims (8)

1.分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：

A.当GPS标准时间(8)与预设的同步时刻(7)相同时，由GPS秒脉冲(9)触发系统同步，即时间同步的建立；

B.开始同步后，根据预设的同步脉冲周期的和脉宽(7)，由普通晶振分频产生时钟信号clk1(11)，再由clk1分频产生相应周期和脉宽的同步脉冲(5)；

C.当同步脉冲的数目达到预先设定的个数时，GPS秒脉冲信号触发产生一个强制清零信号(10)，使所有计数器重新计数，以消除普通晶振不精准带来的累积误差。

2.根据权利要求1所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤A中所述时间同步的建立的方法为：GPS标准时间信息(8)与预设的同步时刻(7)实时对比，两者完全相同时，由GPS秒脉冲(9)触发同步使能信号，系统开始同步(12)。

3.根据权利要求2所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤A中所述的预设的同步时刻由主控计算机(1)通过无线电通信链(3)下传给各节点同步装置(2)。

4.根据权利要求1、2或3所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤B中所述的预设的同步脉冲周期和脉宽由主控计算机(1)通过无线电通信链(3)下传给各节点同步装置(2)。

5.根据权利要求4所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤B中所述同步脉冲的周期和宽度大小由主控计算机(1)控制。

6.根据权利要求1、2或3所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤C中所述系统重新计数的周期的大小必须是同步脉冲的周期和GPS秒脉冲周期的最小公倍数的整数倍。

7.根据权利要求4所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤C中所述系统重新计数的周期的大小必须是同步脉冲的周期和GPS秒脉冲周期的最小公倍数的整数倍。

8.根据权利要求5所述的分布式水声定位系统GPS时钟同步方法，其特征是：步骤C中所述系统重新计数的周期的大小必须是同步脉冲的周期和GPS秒脉冲周期的最小公倍数的整数倍。

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