CN102590825B - 一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，首先对主备卫星钟信号进行双混频时差测量，并将相位差计数器数值按一定频度保持在存储器中，在时序逻辑控制下分时对存储器中的数据进行频差处理、相差处理和秒脉冲同步处理。在频差处理时间段，完成主备钟信号频率的同步。在相差处理时间段，完成主备钟信号相位的同步。在秒脉冲同步处理时间段，将备钟产生的秒脉冲起始变化沿与主钟的秒脉冲起始变化沿同步。主备钟均产生卫星钟频率信号和秒脉冲信号，在进行主备钟切换时，同时切换卫星钟频率信号和秒脉冲信号的输出。采用本发明方法进行主备工作钟切换时引起的卫星钟主备钟差很小，秒脉冲信号连续，可保证卫星钟主备切换时不影响导航信号连续使用的需求。

Description

一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法

技术领域

本发明涉及一种主备卫星钟的切换方法，可用于星载卫星钟的设计和研制。

背景技术

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。在军事领域，卫星导航系统是实现武器平台精确导航定位和制导武器远程精确打击的关键支撑。世界各主要国家对卫星导航系统的建设和发展极为重视，美国和俄罗斯相继建成全球卫星导航系统GPS和GLONASS，欧盟目前正在进行GALILEO(伽利略)系统建设。我国目前也在积极建设新一代卫星导航定位系统。

卫星钟是卫星导航定位系统的核心，它的功能是为导航系统提供精确稳定的频率源。卫星导航定位的精度在很大程度上依赖卫星钟的性能指标。要满足用户全天候、高精度需求，其中一个重要方面是要求卫星钟能提供连续、精确的、高完善性时钟信号。一颗导航卫星通常两个卫星钟加电，一个是主卫星钟，作为导航系统的频率基准，另一个为备卫星钟。一旦主卫星钟异常或者钟信号质量恶化，需要进行主备钟切换。由于主备卫星钟之间存在频率差和相位差，主备钟切换后将造成卫星的时间发生跳变，该卫星的导航信号不能使用，必须通过运控系统地面观测和观测数据处理以及星地时间同步处理后才能使用，这样会影响用户的使用，降低导航卫星系统的性能。

目前在公开的文献中，卫星主备钟切换方面的文献很少，文献《GalileoPayload 10.23MHz Master Clock Generation with a Clock Monitoring andControl Unit(CMCU)》(作者D.Felbatch，D.Heimbuerger，P.Herre，P.Rastetter，发表于IEEE International Frequency Control Symposium and PDAExihibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum2003：p583～586)给出了一种欧洲伽利略卫星钟的生成方法，包括主备钟切换方式，但文中并没有关于降低钟切换带来钟差的说明，而且公开文献也没有查阅到降低导航卫星中主备钟切换所引起的钟差的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服导航卫星主备卫星钟切换时带来的钟差导致卫星导航信号使用中断的问题，提供了一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法。

本发明的技术解决方案是：一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，步骤如下：

(1)在导航卫星的卫星钟内部设置主备两套时钟发生器，其中第一时钟发生器以第一原子钟为参考，第二时钟发生器以第二原子钟为参考，第一原子钟和第二原子钟的输出信号标称频率相同；

(2)第一时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F10，第二时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F20；直接数字频率合成时，在相位累加器和正弦查表之间增加一级相位校准器；

(3)F10信号与第一原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第一卫星钟的钟频率信号F1，另一路作为第一秒脉冲生成器的参考并通过第一秒脉冲发生器生成第一秒脉冲信号；

(4)F20信号与第二原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第二卫星钟的钟频率信号F2，另一路作为第二秒脉冲生成器的参考并通过第二秒脉冲发生器生成第二秒脉冲信号；

(5)采用同一个晶体振荡器作为本振分别对F1信号和F2信号进行下变频，得到低频信号f1和低频信号f2作为相位计的两个输入，其中一个低频信号的上升沿作为相位计的启动脉冲，另一个低频信号的上升沿作为相位计的停止脉冲；相位计对两个低频信号之间的相差进行计数，计数值按一定采样频度保存到存储器中；

(6)分时进行频差处理、相差处理和秒脉冲起始变化沿同步处理，三种处理循环重复进行，

在频差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-1个钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差，然后对所述N-1个相差值再进行前后两两差分处理，得到N-2个相邻采样周期内钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差变化量，该相位变化量与采样周期相比得到N-2个钟频率信号F1和钟频率信号F2的频率差，N-2个频率差求均值后对并根据该均值对第一时钟发生器或者第二时钟发生器的频率控制字进行调整，使得两个时钟发生器产生的钟信号频率同步；

在相差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-1个钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差，对此N-1个相差数据进行二次曲线拟合，得到与此N-1个相差数据均方误差最小的二次曲线方程并利用该二次曲线方程预测M个采样周期后钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差，相差预测值经系数变换得到时钟发生器中相位校准器所需调整的相位值，并在M个采样周期后对第一时钟发生器或者第二时钟发生器进行相位校准，使得两个时钟发生器产生的钟信号相位同步；

在秒脉冲起始变化沿同步处理时间段，将两个秒脉冲发生器产生的两路秒脉冲信号的起始变化沿同步。

所述步骤(6)中频率控制字的调整量

其中ΔF为N-2个钟频率信号F1和钟频率信号F2的频率差的均值，Δf_min为由数字频率控制字的位数计算得到的频率分辨率，int()表示对()取整数。

所述步骤(6)中相位校准调整量

ΔP为指定校准时刻钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差预测值，t_c为相位校准器的相位分辨率。

所述的钟频率信号及其对应的秒脉冲信号同时输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中在卫星钟内部，用一定的频度采集并存储主备钟相位计的相位计数值，为获取主备钟之间的频率和相位差异，提供了一个真实可靠的原始数据样本集合；

(2)频差处理时，采用存储器中的相位计数值处理结果对备钟频率控制字进行调整，使备钟的信号频率与主钟的信号频率同步；相差处理时，采用存储器中的相位计数值处理结果对备钟时钟发生器进行相位校准，使备钟的信号相位与主钟的信号相位同步；通过主备钟的频率、相位调整，保证主备钟切换后钟频率信号的一致性，从而保证用户导航定位过程中测距值不出现大的误差，避免定位的误差突然变大的情况；

(3)卫星钟内部增加了两个秒脉冲发生器，分别以主备钟发生器的频率信号为参考生成一个秒脉冲，并按一定频度实现备秒脉冲与主秒脉冲的同步。这样保证了主备钟切换后秒脉冲的连续性，从而保证导航信号的可用连续性，解决了导航卫星主备卫星钟切换带来的秒信号突跳从而导致导航卫星可用连续性中断的难题；

(4)本发明方法自主完成主备钟的频率、相位和秒脉冲同步，不需要通过地面接判读和处理，不中断导航卫星的服务和信号质量，不仅降低了卫星地面监测系统和运控系统的工作量和难度，而且卫星服务不发生中断，连续可用。

附图说明

图1本发明方法的原理图；

图2为本发明方法中主备卫星钟差的计数原理图；

图3为本发明f1信号比f2信号频率高的相位计数值变化趋势示意图；

图4为本发明f1信号比f2信号频率高的相位计数值差分处理后的示意图；

图5为本发明f1信号比f2信号频率高的相位计数值差分处理和满程刻度模糊剔除后的示意图；

图6为本发明f1信号比f2信号频率低的相位计数值变化趋势示意图；

图7为本发明f1信号比f2信号频率低的相位计数值差分处理后的示意图；

图8为本发明f1信号比f2信号频率低的相位计数值差分处理和满程刻度模糊剔除后的示意图；

图9为本发明相差处理过程中预测某个时刻的主备相差示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。主要步骤如下：

(1)在导航卫星的卫星钟内部设置两套时钟发生器，其中时钟发生器1和时钟发生器2分别以原子钟1和原子钟2为参考，两个原子钟的输出信号标称频率相同；

(2)时钟发生器1和时钟发生器2均通过直接数字频率合成的方式分别生成信号F10和F20；与传统的直接数字频率合成方式不同之处是在相位累加器和正弦查表之间增加了一级相位校准器，用于备时钟与主时钟的相位同步。相位校准器的输入位数为Lbit，满程刻度为F10或F20的标称周期，设定为T_F，则分辨率为：

$t_c=\frac{T_F}{2^L}$

数字频率控制字的位数为Kbit，时钟发生器中的数字直接频率合成本振频率为原子钟，标称频率为f_a，因此数字直接频率合成对应的频率分辨率Δf_min为：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\min }=\frac{f_a}{2^K}$

(3)F10信号与原子钟1产生的参考信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出分成两路，一路为卫星钟1的钟频率信号F1，另一路为秒脉冲生成器1的参考，通过秒脉冲发生器1生成秒脉冲信号1；

(4)F20信号与原子钟2产生的参考信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出分成两路，一路为卫星钟2的钟频率信号F2，另一路为秒脉冲生成器2的参考，通过秒脉冲发生器2生成秒脉冲信号2；

(5)卫星时钟信号F1通过下变频1后输出低频信号f1，卫星时钟信号F2通过下变频2后输出低频信号f2，下变频器1和下变频器2采用同一个晶体振荡器作为本振。低频信号f1和低频信号f2，这两个低频信号作为相位计的两个输入，其中一个低频信号的上升沿作为相位计的启动脉冲，另一个低频信号上升沿作为相位计的停止脉冲；相位计对f1和f2之间的相差计数，如图2所示，计数脉冲信号为Fc，由晶体振荡器经过倍频得到。计数值按一定采样频度保存到存储器中，假设采样频度为1/T，即每T秒保存一个相位计数值；

(6)分时进行频差处理、相差处理和秒脉冲起始变化沿同步，三种处理循环重复进行；

(7)在频差处理时间段，读取存储器中的相位计计数值，假定读取连续N个相位计计数值，首先进行前后两两进行差分处理及计数器满程模糊处理，得到连续N-1个时刻主备钟的相差量，然后再进行前后两两进行差分处理，得到N-2个采样时刻的前后一个采样周期内主备钟相差变化量；

存储器地址编号

1

2

3

……

N-2

N-1

N

存储器中保存的相位计的数值

d1

d2

d3

……

dN-2

dN-1

dN

差分处理

D1

D2

D3

……

DN-2

DN-1

/

剔除刻度满程刻度

P1

P2

P3

……

PN-2

PN-1

/

第二次差分处理

ΔP1

ΔP2

ΔP3

……

ΔPN2

/

/

表中：D_i＝d_i+1-d_i(i＝1，2，3，…，N-1)，P_i为D_i进行满程刻度模糊剔除后的值，表示i时刻主备钟的相差。

在相位计数过程中，如果计数满程了，则自动对满程取模后的数值进行计数，差分处理时，在满程时刻将出现一个大的跳跃，需要根据差分后相位变化趋势和满程刻度进行满程刻度模糊剔除。假定f1信号比f2信号频率高，则相位计数值呈递加趋势，如图3所示，差分处理后的示意如图4所示，出现一个大的负值，如果该负值加上满程刻度，就得到实际的相位差，实际的各时刻相差如图5所示。假定f1信号比f2信号频率低，则相位计数值呈递减趋势，如图6所示，差分处理后的示意如图7所示，出现一个大的正值，如果该正值减去满程刻度，就得到实际的相位差，实际的各时刻相位变化如图8所示。

ΔP_i＝D_i+1-D_i(i＝1，2，3，…，N-2)，表示i时刻前后一个采样周期内主备钟相差变化量；一个采样时刻的前后一个采样周期内主备钟相差变化量与采样周期T的比值得到该时刻主备钟的频率差：

$\mathrm{\Δ}{F}_i=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_i}{T}$

N-2个采样时刻的主备钟的频率差求均值，作为主备钟频差：

$\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{N-2}\underset{i=1}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{F}_i$

根据该均值ΔF调整备钟的频率控制字大小，调整量假定备钟原来的频率控制字为DF，则将备钟的频率控制字更新为DF+Δdf，从而使得主备钟的时钟发生器产生的钟信号频率同步，误差在Δf_min以内。

(8)相差处理时间段，读取存储器中的相位计计数值，假定读取连续N个相位计计数值，首先进行前后两两进行差分处理及计数器满程模糊处理，得到连续N-1个时刻主备钟的相差量，对这N-1个数据进行最小二乘法的二次曲线拟合，得到与这N-1个数据均方误差最小的二次曲线方程，用该方程计算第M个时刻的值，M＞N，即预测t₀时刻后经M个采样周期后的主备钟之间相位差值。如图9所示。

计算得到的预测值P_M，进行系数变换，变换为相位备时钟发生器中相位校准器需要新增的偏移相位值

假定备钟的相位校准器已经有校准DP，则将相位校准器的相位校准量更新为DP+dP。

在t₀+M时刻，启动备时钟发生器的相位校准器，根据预测的校准值进行相位校准，使得两个时钟发生器产生的信号相位同步，误差为相位校准器的分辨率。

(9)在秒脉冲起始变化沿同步处理中，将备钟的秒脉冲的起始变化沿与主钟的秒脉冲的起始变化沿同步。

(10)需要切换主备钟时，同时切换卫星钟频率信号输出和卫星钟秒信号输出。

通过以上过程，保证卫星钟主备的钟差、相差在一个很小范围，主备钟的秒脉冲同步，进行卫星钟主备钟切换前后，不影响导航卫星系统时间的连续性、测距信号的连续性，从而不影响用户的使用连续性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于步骤如下：

(1)在导航卫星的卫星钟内部设置主备两套时钟发生器，其中第一时钟发生器以第一原子钟为参考，第二时钟发生器以第二原子钟为参考，第一原子钟和第二原子钟的输出信号标称频率相同；

(2)第一时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F10，第二时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F20；直接数字频率合成时，在相位累加器和正弦查表之间增加一级相位校准器；

(3)F10信号与第一原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第一卫星钟的钟频率信号F1，另一路作为第一秒脉冲发生器的参考并通过第一秒脉冲发生器生成第一秒脉冲信号；

(4)F20信号与第二原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第二卫星钟的钟频率信号F2，另一路作为第二秒脉冲发生器的参考并通过第二秒脉冲发生器生成第二秒脉冲信号；

(5)采用同一个晶体振荡器作为本振分别对F1信号和F2信号进行下变频，得到低频信号f1和低频信号f2作为相位计的两个输入，其中一个低频信号的上升沿作为相位计的启动脉冲，另一个低频信号的上升沿作为相位计的停止脉冲；相位计对两个低频信号之间的相差进行计数，计数值按一定采样频度保存到存储器中；

(6)分时进行频差处理、相差处理和秒脉冲起始变化沿同步处理，三种处理循环重复进行，

在频差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-1个钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差值，然后对所述N-1个相差值再进行前后两两差分处理，得到N-2个相邻采样周期内钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差变化量，该相位变化量与采样周期相比得到N-2个钟频率信号F1和钟频率信号F2的频率差，N-2个频率差求均值后根据该均值对第一时钟发生器或者第二时钟发生器的频率控制字进行调整，使得两个时钟发生器产生的钟信号频率同步；所述的计数满程模糊处理是指，针对差分处理时在满程时刻出现的大跳跃，根据差分后相位变化趋势和满程刻度进行满程刻度模糊剔除；

在相差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-1个钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差数据，对此N-1个相差数据进行二次曲线拟合，得到与此N-1个相差数据均方误差最小的二次曲线方程并利用该二次曲线方程预测M个采样周期后钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差，相差预测值经系数变换得到时钟发生器中相位校准器所需调整的相位值，并在M个采样周期后对第一时钟发生器或者第二时钟发生器进行相位校准，使得两个时钟发生器产生的钟信号相位同步；

在秒脉冲起始变化沿同步处理时间段，将两个秒脉冲发生器产生的两路秒脉冲信号的起始变化沿同步；需要切换主备钟时，同时切换卫星钟频率信号输出及其对应的秒脉冲信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于：所述步骤(6)中频率控制字的调整量

其中ΔF为N-2个钟频率信号F1和钟频率信号F2的频率差的均值，Δf_min为由数字频率控制字的位数计算得到的频率分辨率，int()表示对()取整数。

3.根据权利要求1所述的一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于：所述步骤(6)中相位校准调整量

ΔP为指定校准时刻钟频率信号F1和钟频率信号F2的相差预测值，t_c为相位校准器的相位分辨率。

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