CN102436174A - 一种守时设备晶振频率驯服方法及相应装置 - Google Patents

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赵成能
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Abstract

一种守时设备晶振频率驯服方法，所述方法包括，步骤一，获取导航卫星经定位后输出的标准时间脉冲A；步骤二，获取设备晶振分频输出的标准时间脉冲B；步骤三，测量标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟差；步骤四，如果存在时间差，调整所述设备晶振的频率，使所述时钟差在允许范围内。对于采用压控温补晶振或者压控晶振的守时设备，采用本发明可以实时检测修正晶振的频率偏差，消除因为晶振频偏带来的守时误差，避免守时误差的累积。本发明适用于多种卫星导航系统，如：GPS、北斗一代导航卫星、北斗二代导航卫星、GLONASS、GALILEO等卫星导航系统。

Description

一种守时设备晶振频率驯服方法及相应装置
技术领域
本发明涉及一种利用卫星导航定位系统对守时设备晶振频率进行驯服方法及相应装置。
背景技术
守时是一种保持精密时间的能力，现在大多数的守时设备为了得到精确的时间，使用原子钟或者高精度的恒温晶振，提高守时能力，使系统守时准确。但是这种方案的成本太高、尺寸大，不利于产品设计。如果守时设备使用一般的压控温补晶振或者压控晶振，那么晶振频率的准确度和老化率是影响守时性能的关键因素。如果守时设备的晶振频率出现偏差，系统守时不够准确，那么守时设备会出现报时误差。如果晶振频偏一直存在，没有标准时钟源来进行修正，那么时间误差就会累计。如果使用这种有守时误差的守时设备，那么不同的地区报时差异。例如在北京和广州，同一种守时设备如果由于晶振存在不同频率偏差，那么报出的时间就会不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用卫星导航系统对守时设备的晶振频率进行识别修正，低成本方案提高守时设备的守时性能。
本发明是这样实现的：一种守时设备晶振频率驯服方法，所述方法包括，步骤一，获取导航卫星经定位后输出的标准时间脉冲A；步骤二，获取设备晶振分频输出的标准时间脉冲B；步骤三，测量标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟差；步骤四，如果存在时间差，调整所述设备晶振的频率，使所述时钟差在允许范围内。
更进一步，所述步骤三通过比较标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟脉冲边沿，计算所述守时设备的晶振频率偏差。
更进一步，所述标准时间脉冲为1PPS。
更进一步，步骤六，调整所述设备晶振的频率后，跳转到所述步骤二。
更进一步，所述方法根据所述设备晶振的漂移特性定时打开电源进行晶振频率的驯服，当不需要驯服时关闭电源。
本发明还提供一种守时设备晶振频率驯服装置，所述装置包括，标准时间脉冲获取单元A，用于获取导航卫星经定位后获取的标准时间脉冲A；标准时间脉冲接收单元B，获取所述设备晶振分频输出的标准时间脉冲B；时差测量单元，测量所述标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟差；频率控制单元，根据所述时差测量单元的测量结果对所述守时设备的晶振频率进行控制。
更进一步，所述装置还包括，频率误差计算单元，根据所述时差测量单元测量的时钟差，计算所述守时设备的晶振频率误差，所述频率控制单元根据所述计算出的频率误差，对所述守时设备的晶振频率进行控制。
更进一步，所述频率控制单元还包括，D/A模数转换单元(109)及滤波器单元（110）。
本发明还提供一种包括所述驯服装置的守时设备。
更进一步，所述授时设备还包括卫星接收单元。
对于采用压控温补晶振或者压控晶振的守时设备，采用本发明可以实时检测修正晶振的频率偏差，消除因为晶振频偏带来的守时误差，避免守时误差的累积。在一些对守时精度有一定要求但不是太高的守时的领域，守时设备要提供精确的时间，如果使用本发明可以避免采用像原子钟这样的高精度时钟源，降低守时设备的制造成本和设备体积。
附图说明
图1是一种守时设备晶振频率驯服装置的系统图；
图2为本发明的软件处理流程；
图3为一种守时设备的系统图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
被驯时钟频率特性能被准确度/稳定度更高的外部时钟信号校准、补偿、提升的技术或过程，称之为“时钟频率驯服”。图1为一种利用卫星导航定位系统对守时设备的晶振频率驯服的装置的系统图。天线101接收天上的卫星信号，卫星接收机102捕获跟踪卫星并定位后，输出标准的UTC( Universal Coordinated Time，世界协调时)时间以及PPS（Pulses Per Second, 秒脉冲）给嵌入式处理器104，嵌入式处理器对接收机输入的时间以及秒脉冲和VCTCXO（Voltage Control Temperature Compensated Crystal Oscillator，压控温补晶振）或者VCXO（Voltage Control Crystal Oscillator，电压控制晶体振荡器）103输入的时钟信号进行处理。嵌入式处理器104对输出的信号进行处理，主要包括：
分频单元107对VCTCXO/VCXO输入的时钟信号进行分频得到1PPS，然后与卫星接收机单元输出的标准的1PPS信号在时差测量单元106进行比较，根据两者的时差，得出VCTCXO/VCXO实际输出的时钟频率，频率误差计算单元105计算VCTCXO/VCXO的频率偏差，等于、大于或者小于标准频率。频率控制单元108根据计算得出的晶振频率偏差，对VCTCXO/VCXO的输出频率进行控制。D/A模数转换单元109将嵌入式处理器104中频率控制单元108输出的频率控制信号进行数模转换，滤波器单元110对D/A转换输出的电压调节控制信号进行滤波处理，对VCTCXO/VCXO的输出时钟频率进行控制调节。最后将驯服的标准时钟送给守时设备111其他功能单元。
本发明还有实施方案二，图3为利用卫星导航系统驯服晶振频率的一种守时设备的系统图。守时设备304由天线301，卫星接收单元302，嵌入式处理器304，VCTCXO/VCXO等单元组成。天线301接收天上的卫星信号，卫星接收单元302捕获跟踪卫星并定位后，输出标准的UTC时间以及PPS秒脉冲给嵌入式处理器304，嵌入式处理器对接收机输入的时间以及秒脉冲和VCTCXO压控温补晶振或者VCXO压控晶振303输入的时钟信号进行处理。嵌入式处理器304对输出的信号进行处理，主要包括：
分频单元307对VCTCXO/VCXO输入的时钟信号进行分频得到1PPS，然后与卫星接收机单元输出的标准的1PPS信号在时差测量单元306进行比较，根据两者的时差，得出VCTCXO/VCXO实际输出的时钟频率，频率误差计算单元305计算VCTCXO/VCXO的频率偏差，等于、大于或者小于标准频率。频率控制单元308根据计算得出的晶振频率偏差，对VCTCXO/VCXO的输出频率进行控制。D/A模数转换单元309将嵌入式处理器304中频率控制单元308输出的频率控制信号进行数模转换，滤波器单元310对D/A转换输出的电压调节控制信号进行滤波处理，对VCTCXO/VCXO的输出时钟频率进行控制调节。最后将驯服的标准时钟送给守时设备304的Timer功能单元311进行计时。嵌入式处理器根据卫星接收单元302输出的UTC时间对Timer功能单元311进行初始化，Timer功能单元311在守时设备的晶振频率下工作，进行精确报时。根据晶振漂移的特性固定一段时间后打开电源进行晶振频率的驯服，当不需要校准晶振时可以将卫星接收机的电源关闭以节省电源功耗。
卫星导航系统时间是以国际原子时TAI(International Atomic Time)“秒”为基本单位，以整周数和周内秒计数累积计时，不闰秒。利用卫星导航定位接收机定位后输出标准的UTC( Universal Coordinated Time，世界协调时)时间以及PPS（pulses per second, 秒脉冲），秒脉冲PPS的精度可以是几十纳秒级的。对于守时设备的晶振来说，卫星定位导航接收机输出的PPS可以作为标准的参考时钟源，晶振输出的时钟信号与标准的PPS进行比较，检测两者时差。
因此基于以上原理，图2为本发明的软件处理流程。步骤201表示卫星导航装置捕获并跟踪卫星。步骤202表示导航定位系统定位后输出标准的1PPS，高精度的卫星定位导航接收机的授时精度可以达到±20ns。步骤203表示对守时设备的晶振输出的时钟信号进行分频产生1PPS，例如10MHz的晶振的时钟信号                                                
Figure 198005DEST_PATH_IMAGE001
分频产生1Hz的PPS。步骤204表示测量比较利用卫星定位输出的1PPS与授时设备晶振分频产生的1PPS，比较两者的时钟脉冲边沿，计算出守时设备的晶振频率偏差。步骤205表示根据步骤204比较得到的时钟差判断是否需要调整晶振频率的控制电压。步骤206表示经过判断根据计算得到的晶振频率偏差进行电压调节控制修正。步骤207表示经过多次频率控制修正后，晶振的频率已经调整到标准频率，直接输出标准的10MHz频率。整个程序对晶振的频率驯服形成一个闭环控制环路，一直在检测守时设备的晶振的频率是否有偏差，如果有偏差就及时修正。
本发明适用于多种卫星导航系统，如：GPS、北斗一代导航卫星、北斗二代导航卫星、GLONASS、GALILEO等卫星导航系统。此外，本发明还适合双模/多模卫星导航系统以及双模/多模混合卫星导航系统。如果已有的卫星导航系统的卫星数量比较少，利用单个卫星导航系统无法定位的情况下，双模或者多模混合卫星导航系统便能得到标准的参考PPS信号，来检测守时设备的晶振频率。本发明还适用于在接收机定位后，单星授时，输出标准的参考PPS信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种守时设备晶振频率驯服方法，其特征在于，所述方法包括，
步骤一，获取导航卫星经定位后输出的标准时间脉冲A；
步骤二，获取设备晶振分频输出的标准时间脉冲B；
步骤三，测量标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟差；
步骤四，如果存在时间差，调整所述设备晶振的频率，使所述时钟差在允许范围内。
2.如权利要求1所述的驯服方法，其特征在于，所述步骤三通过比较标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟脉冲边沿，计算所述守时设备的晶振频率偏差。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的驯服方法，其特征在于，所述标准时间脉冲为1PPS。
4.如权利要求3所述的驯服方法，其特征在于，所述方法还包括，步骤六，调整所述设备晶振的频率后，跳转到所述步骤二。
5.如权利要求4所述的驯服方法，其特征在于，所述方法根据所述设备晶振的漂移特性定时打开电源进行晶振频率的驯服，当不需要驯服时关闭电源。
6.一种守时设备晶振频率驯服装置，其特征在于，所述装置包括，
标准时间脉冲获取单元A，用于获取导航卫星经定位后获取的标准时间脉冲A；
标准时间脉冲接收单元B，获取所述设备晶振分频输出的标准时间脉冲B；
时差测量单元，测量所述标准时间脉冲A和标准时间脉冲B的时钟差；
频率控制单元，根据所述时差测量单元的测量结果对所述守时设备的晶振频率进行控制。
7.如权利要求6所述的驯服装置，其特征在于，所述装置还包括，频率误差计算单元，根据所述时差测量单元测量的时钟差，计算所述守时设备的晶振频率误差，所述频率控制单元根据所述计算出的频率误差，对所述守时设备的晶振频率进行控制。
8.如权利要求6至7中任意一项所述的驯服装置，其特征在于，所述频率控制单元还包括，D/A模数转换单元(109)及滤波器单元（110）。
9.一种包括如权利要求6所述驯服装置的守时设备。
10.如权利要求9所述的守时设备，其特征在于，所述授时设备还包括卫星接收单元。
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