CN102221816B - 卫星授时一体机及其授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星授时一体机及其授时方法。本发明将用于卫星授时的远端与近端集成为一体、并利用线缆与被授时设备交互差分信号，由于差分信号的可靠传送距离大于单端电气特性信号，因而即便与被授时设备之间的线缆传送距离大于10米，也能够保证时标信号和时间信息的有效传送，同时，本发明还通过对线缆时延的测量、以及依据测量结果对时标信号的时延校准，减少由传送距离的扩展而导致的时标信号误差，因而还能够确保时标信号的准确传送；而且，由于远端与近端集成为一体，因而也不存在远端与近端之间的射频电缆长度超过100米所导致的各类问题。从而，本发明能够同时确保工程安装的便利、以及授时的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及卫星授时技术，特别涉及一种卫星授时一体机、以及一种卫星授时一体机的授时方法。
背景技术
在现代通信、测控系统中需要多个设备之间时间系统之间长期保持相互同步，且同步精度需要达到亚微秒(us)级甚至纳秒(ns)级。目前能够达到亚us级或ns级同步精度的授时方案包括地面有线授时系统和卫星授时两种方式。其中，地面有线授时网络一般为局域授时专网，但受到网络部署区域和网络私有两方面限制无法得到广泛应用；而卫星授时则具有开放性、覆盖广、精度高、成本低等特点因而得到广泛的应用。
图1简易示出了现有的一种分体式卫星授时设备，其至少包括远端的外置GPS天线110、以及近端的GPS星卡120，远端与近端之间通过射频电缆130实现GPS天线110到GPS星卡120的射频信号传送、以及GPS星卡120对天线110的电源馈电。其中，远端的外置GPS天线110至少包括单模的天线馈源111、滤波电路112等，而近端的GPS星卡120则具有单模的定位解算功能，用以从来自GPS天线110的卫星信号中定位解算出时标信号(1PPS)和时间信息(TOD)，并将时标信号和时间信息通过单端电气特性信号140发送至被授时设备，实现对被授时设备的授时。
然而，由于近端的GPS星卡120与被授时设备之间采用单端电气特性信号140、即仅以地为参考的信号，因而为了避免传递的信号受干扰，只能将近端的GPS星卡120与被授时设备之间传送距离限制在10米以内。
此外，由于射频线缆会导致损耗，因而远端与近端之间的射频电缆长度也不能超过100米。从而，在需要同时确保近端的星卡与被授时设备之间传送距离不超过10米、以及远端与近端之间的射频线缆长度不超过100米的情况下，会使得远端和近端的工程安装较为困难；反之，如果在工程安装时不能确保上述的距离限制，则会由于不满足理想工作条件，而使导致分体式卫星授时设备对被授时设备的授时可靠性大大降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种卫星授时一体机、以及一种卫星授时一体机的授时方法，能够扩展卫星授时一体机与被授时设备之间的物理距离。
本发明提供的一种卫星授时一体机，包括：
天线，其接收卫星信号；
滤波电路，其对天线接收到的卫星信号进行滤波的滤波电路；
定位解算电路，其对滤波后的卫星信号进行定位解算、并得到时标信号和时间信息，将得到的时标信号发送至时延补偿电路和微控制器；
还包括：微控制器、测量电路、时延补偿电路、差分通信电路，其中：
测量电路，其通过差分通信电路与被授时设备交互校准序列，并观测发送校准序列的本端时间、以及被授时设备反馈的校准序列的本端接收时间；
时延补偿电路，其根据测量电路收发校准序列的时间、以及被授时设备收发校准序列的时间，对定位解算电路得到的时标信号进行校准，并将校准后的时标信号通过差分通信电路发送至被授时设备；
微控制器，其依据定位解算电路得到的时标信号，将定位解算电路得到的对应时间信息通过差分通信电路发送至被授时设备、并使该时间信息与校准后的对应时标信号同步发送，还通过差分通信电路向被授时设备通告测量电路接收校准序列的时间、并接收被授时设备通告的对端收发校准序列的时间；
差分通信电路，其通过线缆与被授时设备交互差分信号。
微控制器进一步控制差分通信电路的收发状态，使差分通信电路以半双工方式通过线缆与被授时设备交互差分信号。
定位解算电路、测量电路、时延补偿电路、差分通信电路挂接于微控制器总线，且，定位解算电路进一步通过直连信号线分别与微控制器和时延补偿电路相连、并通过直连信号线将时标信号发送至微控制器和时延补偿电路。
测量电路包括：
校准序列产生器，其产生校准序列、并通过差分通信电路发送至被授时设备；
发送时间观测器，其观测校准序列产生器所产生的校准序列的本端发送时间、并通过微控制器总线发送至时延补偿电路；
接收时间观测器，其通过差分通信电路接收被授时设备反馈的校准序列、并观测该校准序列的本端接收时间，然后通过微控制器总线发送至时延补偿电路。
校准序列产生器与发送时间观测器通过直连信号线相连、接收时间观测器与差分通信电路通过直连信号线相连。
差分通信电路包括：
发送选择器，其选择校准序列产生器产生的校准序列、以及时延补偿电路校准后的时标信号中的一路发送至第一半双工差分收发器；
第一半双工差分收发器，其通过线缆将发送选择器所选择的一路以差分信号的方式发送至被授时设备，还将通过线缆接收到的被授时设备反馈的校准序列发送至接收时间观测器；
第一收发控制器，其挂接于微控制器总线、以受控于微控制器，并在需要测量电缆时延时控制发送选择器选择校准序列产生器产生的校准序列、在需要校准时控制发送选择器选择时延补偿电路校准后的时标信号，以及，控制第一半双工差分收发器的收发状态；
第二半双工差分收发器，其将通过线缆接收到的被授时设备的前述通告发送至微控制器，还将来自微控制器的前述通告以差分信号的方式发送至被授时设备；
第二收发控制器，其挂接于微控制器总线、以受控于微控制器，并控制第二半双工差分收发器的收发状态。
所述线缆包括：
第一半双工差分收发器的1根电源线、1根接地线、以及2根差分信号线；
第二半双工差分收发器的1根电源线、1根接地线、以及2根差分信号线。
第一收发控制器进一步在需要测量电缆时延时触发校准序列产生器、或触发发送时间观测器。
天线为多模天线、定位解算电路为多模定位解算电路。
时间信息在校准后的对应时标信号发送之后的一秒内发送，以保证该时间信息与校准后的对应时标信号同步发送。
本发明提供的一种卫星授时一体机的授时方法，该授时方法包括用于测量线缆时延的如下步骤：
通过线缆以差分信号的方式与被授时设备交互校准序列，并观测发送校准序列的本端时间、以及被授时设备反馈的校准序列的本端接收时间；
通过线缆以差分信号的方式向被授时设备通告本端接收校准序列的时间、并接收被授时设备通告的对端收发校准序列的时间；
该授时方法在测量线缆延时完成后，还包括用于授时操作的如下步骤：
接收卫星信号；
对接收到的卫星信号进行滤波；
对滤波后的卫星信号进行定位解算、并得到时标信号和时间信息；
根据本端收发校准序列的时间、以及被授时设备通告的对端收发校准序列的时间，对定位解算得到的时标信号进行校准，并通过线缆将校准后的时标信号以差分信号的方式发送至被授时设备；
还通过线缆将校准后的该时标信号所对应的时间信息以差分信号的方式同步发送至被授时设备。
该授时方法以半双工方式复用线缆。
线缆包括两路；
该授时方法通过其中一路线缆以差分信号的方式与被授时设备交互校准序列、以及向被授时设备发送校准后的时标信号，并通过半双工方式复用该路线缆；
该授时方法通过另一路线缆向被授时设备同步发送校准后的时标信号所对应的时间信息、以及与被授时设备交互前述通告，并通过半双工方式复用该路线缆。
时间信息在校准后的对应时标信号发送之后的一秒内发送，以保证该时间信息与校准后的对应时标信号同步发送。。
由上述技术方案可见，本发明将用于卫星授时的远端与近端集成为一体、并利用线缆与被授时设备交互差分信号，由于差分信号的可靠传送距离大于单端电气特性信号，因而即便与被授时设备之间的线缆传送距离大于10米，也能够保证时标信号和时间信息的有效传送，同时，本发明还通过对线缆时延的测量、以及依据测量结果对时标信号的时延校准，减少由传送距离的扩展而导致的时标信号误差，因而还能够确保时标信号的准确传送；而且，由于远端与近端集成为一体，因而也不存在远端与近端之间的射频电缆长度超过100米所导致的各类问题。从而，本发明能够同时确保工程安装的便利、以及授时的可靠性。进一步地，本发明可以采用半双工方式复用线缆。
附图说明
图1为现有技术中的一种分体式卫星授时设备的简易结构示意图；
图2为本发明实施例中卫星授时一体机的示例性结构示意图；
图3为本发明实施例中卫星授时一体机的一种具体结构示意图；
图4为本发明实施例中卫星授时一体机的另一种具体结构示意图；
图5为本发明实施例中卫星授时一体机测量过程的示例性流程图；
图6为本发明实施例中卫星授时一体机与被授时设备在测量过程中的交互时序图；
图7为本发明实施例中卫星授时一体机授时过程的示例性流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本实施例将用于卫星授时的远端与近端集成为一体，并利用线缆与被授时设备交互差分信号，由于差分信号的可靠传送距离大于单端电气特性信号，因而即便与被授时设备之间的线缆传送距离大于10米，也能够保证时标信号和时间信息(本文所述的时间信息中，除了时间信息本身之外，还可以进一步包含例如导航定位信息、控制信息等等其他为本领域技术人员所知晓的信息)的有效传送，同时，本实施例还通过对线缆时延的测量、以及依据测量结果对时标信号的时延校准，减少由传送距离的扩展而导致的时标信号误差，因而还能够确保时标信号的准确传送；而且，由于远端与近端集成为一体，因而也不存在远端与近端之间的射频电缆长度超过100米所导致的各类问题。从而，能够同时确保工程安装的便利、以及授时的可靠性。
图2为本发明实施例中卫星授时一体机的示例性结构示意图。如图2所示，本实施例中的卫星授时一体机包括：天线202、滤波电路203、定位解算电路204、微控制器205、测量电路206、时延补偿电路207、差分通信电路208，其中，定位解算电路204、测量电路206、时延补偿电路207、差分通信电路208挂接在微控制器205总线上，并与微控制器205相耦合。
天线202，其可以是如现有分体式卫星授时设备所采用的单模天线馈源、也可以是任一种多模天线，用于接收卫星信号；
滤波电路203，其可以是现有任一种具有滤波功能的电路，用于对天线202接收到的卫星信号进行滤波的逻辑或物理电路；
定位解算电路204，其可以是任一种针对单模天线馈源的具有单模定位结算功能的逻辑或物理电路、也可以是任一种针对多模天线的具有多模定位结算功能的逻辑或物理电路，用于对滤波电路203滤波后的卫星信号进行定位解算、并得到时标信号和时间信息，将得到的时标信号发送至时延补偿电路207和微控制器205；
测量电路206，其可以是按照任一种方式校准序列、并具有时间记录功能的逻辑电路，用于通过差分通信电路208与被授时设备交互校准序列，并观测发送校准序列的本端时间、以及被授时设备反馈的校准序列的本端接收时间；
时延补偿电路207，其可以为可按照现有双向时延补偿原理实现延时补偿运算的逻辑电路，用于根据测量电路206收发校准序列的本端时间、以及被授时设备通告的对端收发校准序列的时间，对定位解算电路204得到的时标信号进行校准(具体的校准过程所依据的双向时延补偿原理属于现有技术、在此不再予以赘述)，并将校准后的时标信号通过差分通信电路208发送至被授时设备；
微控制器205，其可以是任一种具有控制功能的逻辑电路，用于依据定位解算电路204得到的时标信号，将定位解算电路204得到的对应时间信息通过差分通信电路208发送至被授时设备、并使该时间信息与时延补偿电路207校准后的对应时标信号同步发送，还通过差分通信电路208向被授时设备通告测量电路206接收校准序列的时间、并接收被授时设备通告的对端收发校准序列的时间；其中，本文所述的时间信息与校准后的对应时标信号的同步发送，主要是指时间信息在校准后的对应时标信号发送之后的1秒内发送；
差分通信电路208，其通过线缆与被授时设备交互差分信号。
此外，在如图1所示的卫星授时一体机中，为了避免时延补偿电路207和微控制器205从定位解算电路204得到的时标信号，由于通过微控制器205总线传输而产生的误差，定位解算电路204可以进一步通过直连信号线分别与微控制器205和时延补偿电路207相连、并通过直连信号线将时标信号发送至微控制器205和时延补偿电路207。
较佳地，在如图1所示的卫星授时一体机中，微控制器205可以进一步控制差分通信电路208的收发状态，使差分通信电路208以半双工方式通过线缆与被授时设备交互差分信号，从而实现对线缆的复用。
实际应用中，如图1所示的卫星授时一体机中，除了天线202之外的其他部分均可以承载于同一个可编程逻辑芯片、或两个左右的可编程逻辑芯片中，当然，也可以每部分分别由一个可编程逻辑芯片、或相应的物理电路来实现。除了多种可选的物理实体实现方式，具体的逻辑电路结构或物理电路结构也是存在多种可选方式。
以下，就针对测量电路和差分通信电路具体的结构予以详细说明。
图3为本发明实施例中卫星授时一体机的一种具体结构示意图。在图3中，测量电路306包括：校准序列产生器、发送时间观测器、接收时间观测器。
校准序列产生器，其产生校准序列、并通过差分通信电路308发送至被授时设备；
发送时间观测器，其与校准序列产生器通过直连信号线相连，用于观测校准序列产生器所产生的校准序列的本地发送时间、并将本地发送时间通过微控制器305总线发送至时延补偿电路307；
接收时间观测器，其与差分通信电路通过直连信号线相连，用于观测差分通信电路308接收被授时设备反馈的校准序列的本地接收时间、并将本地接收时间通过微控制器305总线发送至时延补偿电路307。
差分通信电路308包括：发送选择器、半双工差分收发器1、收发控制器1、半双工差分收发器2、收发控制器2。
发送选择器，其选择校准序列产生器产生的校准序列、以及时延补偿电路307校准后的时标信号中的一路发送至半双工差分收发器1；
半双工差分收发器1，其与校准序列产生器、接收时间观测器、收发控制器1通过直连信号线相连，用于通过线缆将发送选择器所选择的一路以差分信号的方式发送至被授时设备，还将通过线缆接收到的被授时设备反馈的校准序列发送至接收时间观测器；
收发控制器1，其挂接于微控制器305总线、以受控于微控制器305，并依据微控制器305的指令，在需要测量电缆时延时通过CNT3控制发送选择器选择校准序列产生器产生的校准序列、并通过CNT3触发发送时间观测器，在需要校准时通过CNT3控制发送选择器选择时延补偿电路校准后的时标信号；以及，依据微控制器305的指令，通过CNT1控制半双工差分收发器1的收发状态；
半双工差分收发器2，其与微控制器305、收发控制器1通过直连信号线相连，用于将通过线缆接收到的被授时设备的通告(即被授时设备通告的对端收发校准序列的时间)发送至微控制器305，还将来自微控制器305的通告(即向被授时设备通告的本端接收校准序列的时间)以差分信号的方式发送至被授时设备；
收发控制器2，其挂接于微控制器305总线、以受控于微控制器305，并依据微控制器305的指令，通过CNT2控制半双工差分收发器2的收发状态。
此外，对于采用8芯线缆的情况下，半双工差分收发器1的1根电源线、1根接地线、以及2根差分信号线；半双工差分收发器2的1根电源线、1根接地线、以及2根差分信号线。
图4为本发明实施例中卫星授时一体机的另一种具体结构示意图。图4中所示的具体结构相比于图3，仅仅在于半双工差分收发器1的控制方式，即在图4中，收发控制器1，依据微控制器305的指令，在需要测量电缆时延时通过CNT3控制发送选择器选择校准序列产生器产生的校准序列、并通过CNT3触发校准序列产生器。
基于上述如图1所示结构的原理性描述，以及上述如图3和图4所示的具体结构，本领域技术人员能够推导出卫星授时一体机的其他结构、以及被授时设备所需的改进，本文就不再一一予以赘述。
而且，对于任何的具体电路结构，本实施例中的卫星授时一体机的工作原理均相同。下面，对卫星授时一体机的基本工作原理进行详细说明。
卫星授时一体机在整机上电启动后，首先需要进行整机初始化。具体的初始化过程包括：
设置定位解算电路的工作模式，例如，设置为多模的联合导航模式、或单模的GPS单北斗工作模式；
设置差分通信电路的工作模式，例如，针对如图3和如图4所示的具体电路结构，可设置半双工差分收发器1所对应的线路1、以及半双工差分收发器2所对应的线路2均为“半双工”工作模式，或者将二者之一设置为“半双工”工作模式、另一个设置为“仅发送”模式。
在初始化结束后，卫星授时一体机即可开始正常工作，具体包括用于时延校准的测量、以及基于时延校准的正常授时操作。
图5为本发明实施例中卫星授时一体机测量过程的示例性流程图。如图5所示，用于时延校准的测量包括如下步骤：
步骤501，卫星授时一体机通过线缆以差分信号的方式与被授时设备交互校准序列，并观测发送校准序列的本端时间、以及被授时设备反馈的校准序列的本端接收时间。
步骤502，卫星授时一体机通过线缆以差分信号的方式向被授时设备通告本端接收校准序列的时间、并接收被授时设备通告的对端收发校准序列的时间。
至此，用于时延校准的测量的过程结束。
上述用于时延校准的测量过程还可以看作是卫星授时一体机与被授时设备之间时延校准的协商过程。
图6为本发明实施例中卫星授时一体机与被授时设备在测量过程中的交互时序图。如图6所示，以如图3和图4所示的具体电路结构为例，假设半双工差分收发器1、以及半双工差分收发器2的工作模式均为“半双工”，用于时延校准的测量包括如下交互过程：
步骤601，卫星授时一体机设置半双工差分收发器1所对应的线路1、以及半双工差分收发器2所对应的线路2的收发状态均为发送状态。
步骤602，被授时设备设置线路1、线路2的收发状态均为接收状态。
步骤603，卫星授时一体机从线路1发送校准序列到被授时设备，并观测本端发送校准序列的时间。
步骤604，卫星授时一体机发送校准序列完成后，设置线路1和线路2的收发状态为接收状态。
步骤605，被授时设备检测来自对端的校准序列，并观测被授时设备接收校准序列的本端时间。
步骤606，被授时设备检测到校准序列后，将线路1和线路2的收发状态设置为发送状态。
步骤607，被授时设备从线路1发送校准序列到卫星授时一体机。
步骤608，被授时设备发送完成后设置线路1的收发状态为接收状态。
步骤609，卫星授时一体机检测来自对端的校准序列。
步骤610，卫星授时一体机检测到来自对端的校准序列后，将线路1的收发状态设置为发送状态。
步骤611，被授时设备从线路2向卫星授时一体机通告自身观测到的校准序列的本地接收时间。
步骤612，被授时设备从线路2通告本端向卫星授时一体机发送校准序列的本端发送时间。
步骤613，被授时设备发送完成后设置线路2的收发状态为接收状态。
步骤614，卫星授时一体机将线路2的收发状态设置为发送状态。
步骤615，卫星授时一体机将本端接收被授时设备反馈的校准序列的本端收时间，通过线路2通告给被授时设备。
步骤616，卫星授时一体机根据本端收发校准序列的时间、以及被授时设备通告的对端收发校准序列的时间进行校准补偿，被授时设备根据本端收发校准序列的时间进行校准补偿。
此后可选地，卫星授时一体机还可向被授时设备发送测试结束消息。
至此，本流程结束。
在上述流程之后，卫星授时一体机即可正常授时模式，并以补偿后的时标信号对被授时设备进行授时，使输出的时标信号到达被授时设备输入口的时标与卫星时间源对齐，实现高精度授时。
图7为本发明实施例中卫星授时一体机授时过程的示例性流程图。如图5所示，基于时延校准的正常授时操作包括循环执行的如下步骤：
步骤701，接收卫星信号；
步骤702，对接收到的卫星信号进行滤波；
步骤703，对滤波后的卫星信号进行定位解算、并得到时标信号和时间信息；
步骤704，根据本端收发校准序列的时间、以及被授时设备通告的对端收发校准序列的时间，对定位解算得到的时标信号进行校准，并通过线缆将校准后的时标信号以差分信号的方式发送至被授时设备；
步骤705，还通过线缆将校准后的该时标信号所对应的时间信息，以差分信号的方式同步发送至被授时设备。
本步骤中的同步，即是指时间信息在校准后的对应时标信号发送之后的一秒内发送。
至此，本流程结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种卫星授时一体机的授时方法，其特征在于，该授时方法包括用于测量线缆时延的如下步骤：
通过线缆以差分信号的方式与被授时设备交互校准序列，并观测发送校准序列的本端时间、以及被授时设备反馈的校准序列的本端接收时间；
通过线缆以差分信号的方式向被授时设备通告本端接收校准序列的时间、并接收被授时设备通告的对端收发校准序列的时间；
该授时方法在测量线缆延时完成后，还包括用于授时操作的如下步骤：
接收卫星信号；
对接收到的卫星信号进行滤波；
对滤波后的卫星信号进行定位解算、并得到时标信号和时间信息；
根据本端收发校准序列的时间、以及被授时设备通告的对端收发校准序列的时间，对定位解算得到的时标信号进行校准，并通过线缆将校准后的时标信号以差分信号的方式发送至被授时设备；
还通过线缆将校准后的该时标信号所对应的时间信息以差分信号的方式同步发送至被授时设备。
2.如权利要求1所述的授时方法，其特征在于，该授时方法以半双工方式复用线缆。
3.如权利要求2所述的授时方法，其特征在于，线缆包括两路；
该授时方法通过其中一路线缆以差分信号的方式与被授时设备交互校准序列、以及向被授时设备发送校准后的时标信号，并通过半双工方式复用该路线缆；
该授时方法通过另一路线缆向被授时设备同步发送校准后的时标信号所对应的时间信息、以及与被授时设备交互前述通告，并通过半双工方式复用该路线缆。
4.如权利要求1至3中任一项所述的授时方法，其特征在于，时间信息在校准后的对应时标信号发送之后的一秒内发送，以保证该时间信息与校准后的对应时标信号同步发送。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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