CN102323744A - 用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪 - Google Patents

Abstract

用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪。它涉及一种高精度守时技术。它解决了复杂环境下的守时授时的精准度的问题。GPS/GLONASS时间解调电路和北斗时间解调电路输入端接收卫星天线信号，B码时间解调电路输入端为B码输入端，GPS/GLONASS时间解调电路、北斗时间解调电路和B码时间解调电路输出端均连时间测量电路和校时守时电路输入端，校时守时电路第一输出端同连授时电路输入端和时间测量电路第四输入端，校时守时电路第二输出端连时间测量电路第五输入端，GPS/GLONASS时间解调电路、北斗时间解调电路和B码时间解调电路串口端分别连控制电路第一至第三个串口端，晶振模块恒温晶振信号输出端连校时守时电路第四输入端。本发明是适用于复杂环境中的授时仪。

Description

用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪

技术领域

本发明涉及一种高精度守时技术。

背景技术

地面授时仪的最主要功能就是提供准确可靠的标准时间频率信号，但本项目中的设备的工作环境相对很恶劣，并且在系统运行过程中，外部环境条件不断变化。在严酷的环境下保持时钟信号输出连续稳定，在较短的时间进入稳定状态，提供高可靠的时间频率信号，并且达到规定的守时精度要求，非常关键的要求。因此明确了本项目钟的关键技术——复杂环境下的高精度守时技术。

发明内容

本发明为了解决复杂环境下的守时授时的精准度的问题，而提出了一种用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪。

用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪包括主机模块1和晶振模块2；

主机模块1包括GPS/GLONASS时间解调电路11、北斗时间解调电路12、B码时间解调电路13、时间测量电路14、校时守时电路15、授时电路16和控制电路17；

GPS/GLONASS时间解调电路11的输入端接收卫星天线信号，GPS/GLONASS时间解调电路11的输出端同时连接时间测量电路14的第一输入端和校时守时电路15的第一输入端，

北斗时间解调电路12的输入端接收卫星天线信号，北斗时间解调电路12的输出端同时连接时间测量电路14的第二输入端和校时守时电路15的第二输入端，

B码时间解调电路13的输入端为B码输入端，B码时间解调电路13的输出端同时连接时间测量电路14的第三输入端和校时守时电路15的第三输入端，

校时守时电路15的第一输出端同时连接授时电路16的输入端和时间测量电路14的第四输入端，

校时守时电路15的第二输出端连接时间测量电路14的第五输入端，

GPS/GLONASS时间解调电路11的串口端、北斗时间解调电路12的串口端和B码时间解调电路13的串口端分别连接控制电路17的第一至第三个串口端，

晶振模块2的恒温晶振信号输出端连接校时守时电路15的第四输入端。

车载地面授时仪可选择接收GPS(全球定位系统)、GLONASS(全球导航卫星系统)、北斗卫星信号，也可接收外部B码信号，以及外部对时脉冲；具有自主守时功能，完成对时后可不依赖外部时间信号，独立提供满足精度时间信息，提供稳定、可靠、准确的时间信息。可输出B码、对时脉冲信号。

附图说明

图1本发明的结构示意图，图2是主机箱5的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括主机模块1和晶振模块2；

主机模块1包括GPS/GLONASS时间解调电路11、北斗时间解调电路12、B码时间解调电路13、时间测量电路14、校时守时电路15、授时电路16和控制电路17；

GPS/GLONASS时间解调电路11的输入端接收卫星天线信号，GPS/GLONASS时间解调电路11的输出端同时连接时间测量电路14的第一输入端和校时守时电路15的第一输入端，

北斗时间解调电路12的输入端接收卫星天线信号，北斗时间解调电路12的输出端同时连接时间测量电路14的第二输入端和校时守时电路15的第二输入端，

B码时间解调电路13的输入端为B码输入端，B码时间解调电路13的输出端同时连接时间测量电路14的第三输入端和校时守时电路15的第三输入端，

校时守时电路15的第一输出端同时连接授时电路16的输入端和时间测量电路14的第四输入端，

校时守时电路15的第二输出端连接时间测量电路14的第五输入端，

GPS/GLONASS时间解调电路11的串口端、北斗时间解调电路12的串口端和B码时间解调电路13的串口端分别连接控制电路17的第一至第三个串口端，

晶振模块2的恒温晶振信号输出端连接校时守时电路15的第四输入端。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于GPS/GLONASS时间解调电路11和北斗时间解调电路12采用外购成熟产品JNS100板卡实现，有多种组合工作模式。GPS/GLONASS时间解调电路11，用于接收GPS/GLONASS卫星信号，并将其解调出时间信息；北斗时间解调电路12，用于接收北斗卫星信号，并将其解调出时间信息；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

与其它产品相比的主要特点是可以在该模块可以在完全没有GPS卫星的情况下实现高精度定时功能。GPS/GLONASS卫星时间解调模块主要技术指标如表1。

表1GPS/GLONASS时间解调电路11技术指标

接收频率	1575.42±.023MHz(GPS/GLONASS)
		接收机灵敏度	-135dBW(GPS/GLONASS)
冷启动时间	＜60s
		通道数	19
1PPS精度	100ns(1σ)
		输出接口	RS232串口，默认波特率9600
工作温度	-40℃～+60℃
		存储温度	-45℃～+85℃

采用北斗无源授时方案，自动跟踪选择信号好的北斗卫星信号波束，实现单向定时。在达到要求授时精度的同时，解决有源定位授时中用户位置容易暴露和用户数量容易饱和的问题，而且可以使初始同步时间大大降低。通过接收卫星时间接收板通信接口输出的有关数据，对其工作状态进行监视，同时进行指令和参数设置。北斗接收板参数见表1。

表1北斗时间解调电路12技术指标

接收频率	2491.75±4.08MHz
		接收机灵敏度	-150dBW
冷启动时间	＜10s
		通道数	3星六波束
1PPS精度	100ns(1σ)
		输出接口	RS232串口，默认波特率9600
工作温度	-40℃～+85℃

北斗时间解调电路12工作时需要输入天线的高度值，可以通过手动输入，内部可自动将GPS接收到的高度信息送给北斗时间解调电路12。

为了方便升级进行了如下设计：a)采用独立北斗时间解调电路12(北斗1代)，当升级为北斗2接收模块时，直接从电路上替换掉北斗1代的北斗时间解调电路12；b)间解调电路12采用独立的天线接口，方便升级选型；c)线的供电由主机供电，与接收板无关；d)了NMEA0183数据格式接收数据，该格式为导航定位定时模块的通用数据协议；控制电路15的接收控制软件无需变化。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于B码时间解调电路13包括处理码型选择器131和B码解码器模块132；

处理码型选择器131的输入端为B码时间解调电路13的B码输入端，处理码型选择器131的输出端连接B码解码器模块132的输入端，B码解码器模块132的输出端为B码时间解调电路13的输出端，

B码时间解调电路13根据IRIG-B(AC)码信号或IRIG-B(DC)码信号恢复出1PPS，并提取出相应的时、分、秒等时间信息；

通过处理码型选择器131的开关选择处理的码型是B(AC)码信号还是B(DC)码信号；

若是B(AC)码信号，则其输入信号范围较大在80mv～4V左右，利用ADC进行模数转换，对B(AC)码信号幅度的自适应处理。利用FPGA控制ADC进行连续的转换，在内部完成去调制，形成B(DC)码信号格式发送给B码解码器模块132；

B(DC)码信号将差分的422电平的B(DC)码信号转换为FPGA输入口兼容的电平发送给B码解码器模块132；

采用FPGA作为B码解码器模块132的设计平台，简化硬件设计，使设计出的产品体积小，功耗低，抗干扰性能也大大增强，接收B码信号的FPGA模块与单片机之间通过并口进行通讯，完成一帧的解码后，通过硬件中断向单片机通报。

其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于校时守时电路15包括相位微调电路151、实时时钟152和温补晶振153，

相位微调电路151的三个输入端为校时守时电路15的第一至第三输入端，相位微调电路151的输出端连接实时时钟152的第一输入端，

实时时钟152的第二输入端为校时守时电路15的第四输入端，

实时时钟152的第一输出端为校时守时电路15的第一输出端，

温补晶振153的输出端为校时守时电路15的第二输出端，同时还连接实时时钟152的第二输出端；

其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

实时时钟152，用于进行累计走时。可长时间的独立走时，提供日期和时间信息。实时时钟152日期和时间等可通过接口进行初始化，定期或随时向外提供时间数据。具有同步功能，可以根据指令将实时时钟内部时间与一个参考时间准确同步，具有闰年、闰秒功能。高精度的实时时钟152通过FPGA实现。单片机内部还有低精度的RTC电路，可以实现冗余。

通过相位微调电路，守时时钟内部的标准时间频率信号可实现一定范围的调整，使得当时钟信号相对于同步信号的误差过大时能够被方便的调节回来。

相位微调电路151采用数字调节，校时守时电路15中的标准信号经过一个数字延迟电路，可以根据需要增加或减少信号的延迟量，从而实现相位的调节。数字延迟调节可实现相位大范围内的准确调节。相位微调电路151的相位微调通过FPGA实现数字延迟调节，最小调节量为100ns。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或四不同点在于授时电路16包括B码编码器161和电平转换模块162；B码编码器161的输入端为授时电路16的输入端，B码编码器161的输出端连接电平转换模块162的输入端，其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于控制电路17采用工业级的AVR单片机ATMEG1280-16AU。控制电路17，用于时间信号测量计算数据，时间接收板的接收单元状态与控制信息，显示屏的数字显示、输入指令处理，内部数据处理以及和上位机的信息交换控制。考虑到地面授时仪系统的复杂性、扩展性、低功耗，主要特点是有4个串口，可方便实现与GPS/GLONASS时间解调电路11、北斗时间解调电路12、B码时间解调电路13和显示器。工业级的AVR单片机ATMEG1280-16AU型号微处理器主要特点是：

哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；

接口作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA(单一输出)，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；

片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；

片上资源丰富：RTC，UART，ISP，AD，比较器、看门狗定时器等有用的功能。

控制电路17的软件主要在ICCAVR下开发相关的程序，完成数据处理、分析，实现人机操作界面等。

其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、四或六不同点在于还包括电源模块3，电源模块3包括电源模块主要包含DC/DC模块、充电器和锂电池组；用于给主机模块1和晶振模块2不间断供电；其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于还包括面板显示模块6，面板显示模块6的串口端连接控制电路17的第四串口端。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、四、六或八不同点在于还包括机箱5，集成为模块的主机模块1、晶振模块2和电源模块3依次排列在机箱5内，机箱5采用铝合金框架，采用直角导轨上柜，同时采用防磨措施。机箱5由主箱体、前门组件、后面板组成，前门为压缩式门锁固定，主箱体由壳体、面板框、横梁、插件导轨、铰链、把手和盖板组成，前门组件由门板和压缩式门锁组成。主要尺寸为：箱体高度：箱体深度L：480mm(前面板内侧至后面板外侧)；定位套：安装在后面板，中心距

定位套中心距面板底边

面板上安装不脱落螺钉。以模块集成的形式嵌放在机箱5内达到防碰撞的目的。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四、六或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同点在于晶振模块2中的三个恒温晶振放置在双层恒温槽中，双层恒温槽的内层恒温槽的温度是晶振的频率拐点+80℃～+90℃，外层恒温槽的温度低于内层恒温槽的温度，内层恒温槽和外层恒温槽都高于环境的最高温度，并且减小加热腔体积、加强热绝缘效果、提高加热效率和采用高精度恒温控制电路。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

首先，减小加热腔体积。减小加热腔体积一方面热容量减小，加热到规定温度所需功耗小；另外一方面，减小了热量散失的面积，散失的热量就要减少，也能节省恒温功耗。

其次，加强热绝缘效果。恒温槽温度达到稳定，实际上是发热与散热的动态平衡。散热越小，保持恒温所需发热功耗越小。因此加强热绝缘效果，能够有效的降低恒温功耗。主要采用泡沫塑料、玻璃纤维和真空措施进行热绝缘。其中真空措施进行热绝缘的效果远远好于其它两种材料。通过真空措施进行保温，实现很小的功耗。

之后，提高加热效率。传统的恒温晶振普遍采用直流放大式加热电路，通过功率三极管控制加热电阻丝，加热电流为直流。在温度稳定时，相当大一部分热功耗消耗在功率三极管上，而不是加热电阻丝。在内加热晶振中，功率三极管在恒温槽外，管功耗实际上对恒温没有贡献。采用先进的管功耗直接加热方式。大大提高加热效率，达到减小恒温功耗的目的。

最终，采用高精度恒温控制电路。传统的控温电路达到热平衡的收敛速度太慢，限制了控温精度；对传统的控温电路进行改进设计，利用PID控制技术进行高精度控温，由于是二阶闭环所以相对与传统的单阶，可以大大提高收敛速度的同时，还可以有效抑制控温电流的摆动，使控温精度提高到1％以内；采用两极同特性的运放进行互相补偿，使得两个同特性的运放漂移相抵消。

恒温晶振基于石英晶体压电效应工作，虽然谐振器的振动频率与外部振动的频率相差较大，但也会有一定的影响。在振动试验中，频率的影响量级在小于10^-9量级。为了改善振动的影响，在晶振安装的结构上加以抗振保护措施。

晶振模块2中的三个恒温晶振放置在几何中心处，并将振动敏感性差的部件对其外部环境进行屏蔽，在三个恒温晶振的安装时加上一些减震橡胶材料。

本发明具有的优点为：

1、自带电池，外部电源掉电的情况下能够不间断自供电8h(保证守时精度)，内外供电能不间断切换；

2、能自动/手动选择对时信号来源，并能对多种信号进行比对，确认有效性和正确性；

3、能够接收GPS、GLONASS、北斗卫星1代的信号，预留北斗2代接口，具备升级为北斗2代的能力；

4、能够接收外部B码对时信号；

5、一次成功对时后，能通过晶振长期自主守时，守时精度不大于5ms/7天；

6、能够同时输出两路以上B(DC)码信号；

7、输出对时秒脉冲：TTL电平，脉宽1ms，上升沿对时，上升时间小于10ns；

8、通过RS-422导步串口接收上位机控制命令，实现工作参数(信号优先级、校时间隔等)的设置以及工作状态(收星数量、星况等)的回送。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (10)

1.用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于它包括主机模块(1)和晶振模块(2)；主机模块(1)包括GPS/GLONASS时间解调电路(11)、北斗时间解调电路(12)、B码时间解调电路(13)、时间测量电路(14)、校时守时电路(15)、授时电路(16)和控制电路(17)；GPS/GLONASS时间解调电路(11)的输入端接收卫星天线信号，GPS/GLONASS时间解调电路(11)的输出端同时连接时间测量电路(14)的第一输入端和校时守时电路(15)的第一输入端，北斗时间解调电路(12)的输入端接收卫星天线信号，北斗时间解调电路(12)的输出端同时连接时间测量电路(14)的第二输入端和校时守时电路(15)的第二输入端，B码时间解调电路(13)的输入端为B码输入端，B码时间解调电路(13)的输出端同时连接时间测量电路(14)的第三输入端和校时守时电路(15)的第三输入端，校时守时电路(15)的第一输出端同时连接授时电路(16)的输入端和时间测量电路(14)的第四输入端，校时守时电路(15)的第二输出端连接时间测量电路(14)的第五输入端，GPS/GLONASS时间解调电路(11)的串口端、北斗时间解调电路(12)的串口端和B码时间解调电路(13)的串口端分别连接控制电路(17)的第一至第三个串口端，晶振模块(2)的恒温晶振信号输出端连接校时守时电路(15)的第四输入端。

2.根据权利要求1所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于GPS/GLONASS时间解调电路(11)和北斗时间解调电路(12)采用JNS100板卡，GPS/GLONASS时间解调电路(11)，用于接收GPS/GLONASS卫星信号，并将其解调获得时间信息；北斗时间解调电路(12)，用于接收北斗卫星信号，并将其解调获得时间信息。

3.根据权利要求1或2所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于B码时间解调电路(13)包括处理码型选择器(131)和B码解码器模块(132)；处理码型选择器(131)的输入端为B码时间解调电路(13)的B码输入端，处理码型选择器(131)的输出端连接B码解码器模块(132)的输入端，B码解码器模块(132)的输出端为B码时间解调电路(13)的输出端。

4.根据权利要求3所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于校时守时电路(15)包括相位微调电路(151)、实时时钟(152)和温补晶振(153)，相位微调电路(151)的三个输入端为校时守时电路(15)的第一至第三输入端，相位微调电路(151)的输出端连接实时时钟(152)的第一输入端，实时时钟(152)的第二输入端为校时守时电路(15)的第四输入端，实时时钟(152)的第一输出端为校时守时电路(15)的第一输出端，温补晶振(153)的输出端为校时守时电路(15)的第二输出端，同时还连接实时时钟(152)的第二输出端。

5.根据权利要求1、2或4所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于授时电路(16)包括B码编码器(161)和电平转换模块(162)；B码编码器(161)的输入端为授时电路(16)的输入端，B码编码器(161)的输出端连接电平转换模块(162)的输入端。

6.根据权利要求5所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于控制电路(17)采用工业级的AVR单片机ATMEG1280-16AU。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于它还包括电源模块(3)，电源模块(3)包括DC/DC模块、充电器和锂电池组；电源模块(3)，用于给主机模块(1)和晶振模块(2)不间断供电。

8.根据权利要求7所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于它还包括面板显示模块(6)，面板显示模块(6)的串口端连接控制电路(17)的第四串口端。

9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于还包括机箱(5)，集成为模块的主机模块(1)、晶振模块(2)和电源模块(3)依次排列在机箱(5)内。

10.根据权利要求9所述的用于复杂环境下的地面高精度自主守时地面授时仪，其特征在于晶振模块(2)中的三个恒温晶振放置在双层恒温槽中，双层恒温槽的内层恒温槽的温度是晶振的频率拐点+80℃～+90℃，外层恒温槽的温度低于内层恒温槽的温度，内层恒温槽和外层恒温槽都高于环境的最高温度。

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