CN102938220B - 一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法 - Google Patents
一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种船舶自动识别终端设备可校准自身时钟的方法。其步骤是：时钟校准模块通过GPS模块获取UTC时间，并通过UTC时间计算本地时间的误差，误差累计一段时间后计算本地时钟误差，通过误差计算出三级的时钟调整参数，时钟补偿模块根据三级时钟调整参数对本地时间进行补偿，从而将本地时钟的误差控制在一个较小的范围，达到时钟校准的目的。采用本方法，AIS船舶自动识别终端设备修正本地时钟不准确带来的误差，可以保证在丢失UTC时间基准的情况下，半小时内本地时间和UTC时间同步误差不大于0.1个时隙(2.6ms)，保证其广播消息仍满足AIS时间同步。从而避免了因设备时间与UTC时间不同步，而造成AIS船舶自动识别终端设备发送消息可能影响其它设备消息发送的问题。
Description
技术领域
本发明涉及船舶自动识别终端系统，尤其是涉及一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法。
背景技术
船舶自动识别系统（AIS）通过全球定位系统（GPS）获取当前的位置信息，并将自身的船位，船速，航向等动态信息以及船名，呼号，吃水及危险货物等静态资料通过甚高频（VHF）频道向附近船舶及岸台广播。周围的船舶通过接收广播的船舶信息可以及时掌握附近海域的船舶资料，采取必要的避让行动，提高船舶航行的安全性。
AIS工作基于TDMA（时分多址）技术，AIS系统利用甚高频波段的两个频率进行工作，将一分钟(一帧)划分成2250个时间段(时隙)，这样两个频率上一分钟共有4500个时隙供系统中的各种终端设备交替发射。由于不同的终端在不同条件下每分钟要发射的次数各不相同，如一艘高速艇一分钟要发射30次之多，而一艘停泊的货船三分钟才发射一次，为保证AIS系统正常工作，一个区域内可容纳的AIS终端数量是有限的。由于AIS终端设备按照时隙通信的特点，一个AIS终端是整个AIS系统的一份子，若一艘船只的AIS设备不正常工作，它将会对其他AIS设备的消息发送产生影响，因此精确的时间同步能力是AIS设备正常工作的基础。
UTC时间可直接通过GPS获取，GPS模块在定位期间提供直接的UTC时间作为AIS的主要参考时间，AIS设备通过此时间参考完成静态/动态消息的发送。由于GPS定位易受到天气等环境因素的影响，GPS模块不能在任何时间都提供UTC时间参考。当AIS终端设备无法获取UTC时间参考，AIS终端设备只能参考本地时钟进行消息发射。而终端设备的本地时钟不够精确，各个设备时钟精度存在差异且易受外部环境影响。外部温度的变化等可能导致时钟频率出现变化，进而影响本地时钟的精度。由于设备时钟不精确，设备内的时间将很快偏离真实UTC时间，造成设备时间与UTC时间不同步，此时AIS终端设备发送消息有可能影响其它设备消息发送。
发明内容
本发明的目的是利用GPS获取直接的UTC时间，并校准本地时钟，使得AIS终端设备在无法获取UTC时间的情况下仍能保持时间同步状态，从而保证AIS终端设备在无UTC时间参考的情况下，在相当长的时间内仍按照AIS的时隙标准发送消息，不影响其它船舶的AIS终端的消息发送。
本发明为实现上述目的，特别研发一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，通过本方法可实现在无法获取UTC时间的情况下，船舶自动识别设备在相当长的时间内仍保持时间同步状态。
本发明采取的技术方案是：一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，其特征在于，时钟校准模块通过获取GPS模块时间消息计算本地时钟误差，再根据本地时钟误差计算时钟校准参数，时钟补偿模块通过获得的时钟校准参数调整时钟，其步骤是：
（一）.时钟校准模块等待每次的GPS时间消息的到来，若在规定时间内等到了GPS的时间消息，则根据两次时间消息的间隔对比本地时钟来获取本地时钟的误差；若在规定时间内未等到GPS的时间消息，则认为GPS模块定位丢失，利用曾定位的时间段所累积的误差计算时钟校准值；
（二）.如果每次GPS时间消息到来，则根据GPS所提供的UTC时间和本地时钟提供的时间，计算本地时钟的误差，并将此时钟误差值进行累加；
（三）.当GPS模块需要关闭电源，或者误差累计达到一定的次数，或者GPS模块在规定时间内未提供下一次时间消息，则开始进入时钟校准参数计算阶段；
（四）.当误差累计次数低于阈值时，放弃本次时钟校准操作；若误差累计次数达到阈值，则首先计算低精度的时钟校准参数；计算公式如下：
式中为低精度时钟校准参数，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
（五）.在估计低精度调整后的时钟误差的基础上，计算中精度时钟校准参数；计算公式如下：
式中为中精度时钟校准参数，为低精度时钟校准参数，为中精度提升增益，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
（六）.在估计低精度和中精度调整后的时钟误差的基础上，计算高精度时钟校准参数；计算公式如下：
式中为高精度时钟校准参数，为低精度时钟校准参数，为中精度时钟校准参数，为高精度提升增益，为中精度提升增益，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
（七）.时钟补偿模块判断时钟校准周期到达，若到达低精度时钟校准周期，则将低精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
（八）.若到达中精度时钟校准周期，则将中精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
（九）.若到达高精度时钟校准周期，则将高精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟。
本发明的实现基于AIS船舶自动识别终端设备，该设备在ARM模块的控制下，ARM模块给GPS模块供电并等待GPS定位。获取GPS位置信息后，ARM模块周期地控制射频模块通过VHF天线广播位置消息。控制面板可用于设备开关机和发送告警消息，控制面板通过LED灯指示工作状态。
时钟校准模块通过GPS模块获取UTC时间，并通过UTC时间计算本地时间的误差，误差累计一段时间后计算本地时钟误差。通过误差计算出三级的时钟调整参数，精度从低到高，时钟补偿模块根据三级时钟调整参数对应的时钟精度，以三种不同的频率对本地时钟进行补偿，从而将本地时钟的误差控制在一个较小的范围，达到时钟校准的目的。若时钟校准期间GPS定位中断，本方法仍可根据已有的校准阶段计算时钟校准参数，并以此校准时钟。
本发明所产生的有益效果是：通过采用本方法，AIS船舶自动识别终端设备修正本地时钟不准确带来的误差，可以保证在丢失UTC时间基准的情况下，半小时内本机时间和UTC时间同步误差不大于0.1个时隙(2.6ms)，保证其广播消息仍满足AIS时间同步。从而避免了因设备时间与UTC时间不同步，而造成AIS船舶自动识别终端设备发送消息有可能影响其它设备消息发送的问题。
附图说明
图1为船舶自动识别终端设备构成框图。
图2为船舶自动识别终端设备时钟校准及补偿模块的电路原理图。
图3为船舶自动识别终端设备GPS模块电路原理图。
图4为船舶自动识别终端设备时钟校准流程图。
图5为船舶自动识别终端设备时钟补偿流程图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明做详细描述：参照图1，船舶自动识别终端设备包括由时钟校准及补偿模块、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
本发明各模块的功能如下：
1）射频模块：为通用公知的模块，用于在AIS A/B信道广播静态/动态消息；
2）GPS模块：用于解析GPS位置信息，并提供UTC时间信息；
3）控制面板：用于人机接口，用户通过面板按键操作设备，通过LED灯观察当前工作状态；
4）时钟模块：用于为ARM控制芯片提供主时钟和RTC实时时钟；
5）电源模块：用于为各个模块供电；
6）ARM控制模块：用于控制整个终端设备工作，其中，时钟校准模块用于通过GPS提供的标准时间校准自身时钟；时钟补偿模块用于通过周期地修正本地时间来完成对本地时钟误差的补偿；消息发送模块用于按照AIS协议周期的发送AIS静态、动态消息；GPS控制模块用于控制GPS芯片的开关，以及解析GPS消息等；休眠控制模块用于在设备空闲时，关闭不需要的部分，降低系统功耗。
参照图2，船舶自动识别终端设备的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及采用为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
船舶自动识别终端设备时钟模块由两部分提供，STM32F103CT6为ARM7核的设备控制芯片N5，用于控制整个船舶自动识别终端设备工作。芯片N2为DSA321G_12.0M无源晶振，为控制芯片N5提供主时钟；晶振外部接两个电容C6和电容C7到地，用于微调晶振频率。芯片N4为DST310S-32.768KHz无源晶振，为控制芯片N5提供RTC时钟，晶振外部接两个电容C8和电容C17到地，用于微调晶振频率。当船舶自动识别终端设备进入低功耗休眠模式时，主时钟停止工作，此时设备的时间同步维持由RTC实时时钟维持。当设备从休眠过程中唤醒时，主时钟启动并接替RTC时钟继续维持设备的时间同步状态。
参照图3，GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
船舶自动识别终端设备的GPS模块采用NEO-5M芯片N13，ARM控制模块通过串口和GPS模块进行通信。其中NEO-5M芯片N13为GPS模块负责通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的20和21管脚为GPS模块的串口，分别与STM32F103CT6控制芯片N5的16和17管脚连接，用于通过串口周期的向STM32F103CT6控制芯片N5发送GPS位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的22管脚为GPS模块的备用电源，23管脚为GPS模块的主电源。主电源通过2SB1132三极管VT11和DTC114EE三极管N14与STM32F103CT6控制芯片N5管脚11连接。当STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11为高电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极导通，进而控制2SB1132三极管VT11的集电极和发射极导通，从而给NEO-5M芯片N13的主电源供电。同理，当控制芯片N5控制管脚11为低电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极截止，进而控制2SB1132的集电极和发射极截止，从而控制NEO-5M芯片N13的主电源断电。因NEO-5M芯片N13只要备用电源供电，在主电源断电的情况下，仍可保存相关定位消息，所以STM32F103CT6控制芯片N5通过控制管脚11低电平关闭NEO-5M芯片N13，降低功耗。在需要GPS模块定位时，通过STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11高电平打开NEO-5M芯片N13，GPS模块热启动，快速完成定位。器件ANT-GPS为有源GPS天线，NEO-5M芯片N13通过管脚9和11与有源GPS天线连接，并以此完成定位。NEO-5M芯片N13的管脚3在GPS模块定位后输出秒脉冲，用于提供精确的UTC时间，此管脚和ARM的15管脚连接，ARM端通过此秒脉冲完成本地时钟同步等操作。
本设备的时间校准功能通过GPS提供的UTC时间消息，校准本设备的主时钟和RTC时钟，计算其误差并对其进行补偿。该功能保证了船舶自动识别终端设备无论在通过主时钟正常工作状态还是在依靠RTC时钟低功耗休眠状态，都可保证本机时间与UTC时间的一致性，为AIS消息发送提供了准确的时间基准。
以下参照图4详细描述本设备时钟校准方法的实现过程：
步骤100～102：初始化过程；
步骤100：时钟校准模块初始化各个参数；
步骤101：GPS模块上电，GPS模块定位开始，若定位成功则GPS模块会输出时间消息；
步骤102：等待GPS的第一次时间消息输出，保存第一次时间信息，确定GPS定位成功，则准备开始时钟校准方法；
当判断GPS模块已经定位后，本方法开始根据GPS提供的时间信息对比本地时钟的误差，方法执行步骤103～104：
步骤103：本方法等待每次的GPS时间消息的到来，若在规定时间内等到了GPS的时间消息，则根据两次时间消息的间隔对比本地时钟来获取本地时钟的误差；若规定时间内未等到GPS的时间消息，则认为GPS模块定位丢失，本方法利用曾定位的时间段所累积的误差计算时钟校准值；
步骤104：每次GPS时间消息到来，根据GPS所提供的UTC时间和本地时钟提供的时间，计算本地时钟的误差，将此误差值进行累加。
根据GPS提供的时间消息累积一段时间的时钟误差后，本方法进入时钟校准参数计算阶段，执行步骤105～108：
步骤105：当GPS模块需要关闭电源，或者误差累计达到一定的次数，或者GPS模块在规定时间内未提供下次时间消息，则开始进入计算时钟校准参数计算阶段；
步骤106：当误差累计次数太少时，由于较少的采样点带来较大的计算误差，本方法在采样点数低于某阈值时放弃本次时钟校准操作；若误差累计次数达到阈值，则首先计算低精度的时钟校准参数，对本地时钟粗调；计算公式如下：
式中为低精度时钟校准参数，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
步骤107：时钟粗调可在较大频率范围校准本地时钟，但精度较低，所以在考虑低精度时钟校准参数调整的基础上，计算中精度时钟校准参数；计算公式如下：
式中为中精度时钟校准参数，为低精度时钟校准参数，为中精度提升增益，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
步骤108：在低精度和中精度时钟校准参数的基础上，计算高精度时钟校准参数，计算公式如下：
式中为高精度时钟校准参数，为低精度时钟校准参数，为中精度时钟校准参数，为高精度提升增益，为中精度提升增益，为误差累计次数，为第次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，为理想的时间间隔，为本地时钟间隔；
利用三级精度的时钟校准参数，可精确校准本地时钟使之和UTC时间同步，达到时钟校准目的。
以下参照图5详细描述本设备时钟补偿方法的实现过程：
步骤201：时钟补偿模块初始化各个参数（什么参数）；
步骤202：若时钟校准模块完成了时钟校准参数的计算，则进入时钟补偿阶段，等待低、中、高三个精度的时钟校准周期的到来；
步骤203：若到达低精度时钟校准周期，则将低精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
步骤204：若到达中精度时钟校准周期，则将中精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
步骤205：若到达高精度时钟校准周期，则将高精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟。
本发明实现了一种可校准自身时钟的船舶自动识别终端设备，设备通过GPS时间消息对本地时钟的校准，可保证在AIS设备丢失UTC时钟基准的情况下，相当长的时间内仍保证时间同步，使设备有充足的时间完成GPS的重新定位，并保证在不定位期间的广播消息发送间隔仍满足AIS时间同步。本发明有利于AIS系统的安全管理，是一种非常有效地降低AIS时隙冲突的设备，适用范围广，具有推广价值。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
Claims (4)
1.一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，其特征在于，时钟校准模块通过获取GPS模块时间消息计算本地时钟误差，再根据本地时钟误差计算时钟校准参数，时钟补偿模块通过获得的时钟校准参数调整时钟，其步骤是：
（一）.时钟校准模块等待每次的GPS时间消息的到来，若在规定时间内等到了GPS的时间消息，则根据两次时间消息的间隔对比本地时钟来获取本地时钟的误差；若在规定时间内未等到GPS的时间消息，则认为GPS模块定位丢失，利用曾定位的时间段所累积的误差计算时钟校准值；
（二）.如果每次GPS时间消息到来，则根据GPS所提供的UTC时间和本地时钟提供的时间，计算本地时钟的误差，并将此时钟误差值进行累加；
（三）.当GPS模块需要关闭电源，或者误差累计达到一定的次数，或者GPS模块在规定时间内未提供下一次时间消息，则开始进入时钟校准参数计算阶段；
（四）.当误差累计次数低于阈值时，放弃本次时钟校准操作；若误差累计次数达到阈值，则首先计算低精度的时钟校准参数；计算公式如下：
式中NA1为低精度时钟校准参数，M为误差累计次数，为第n次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，TP为理想的时间间隔，TC为本地时钟间隔；
（五）.在估计低精度调整后的时钟误差的基础上，计算中精度时钟校准参数；计算公式如下：
式中NA2为中精度时钟校准参数，NA1为低精度时钟校准参数，G2为中精度提升增益，M为误差累计次数，为第n次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，TP为理想的时间间隔，TC为本地时钟间隔；
（六）.在估计低精度和中精度调整后的时钟误差的基础上，计算高精度时钟校准参数；计算公式如下：
式中NA3为高精度时钟校准参数，NA1为低精度时钟校准参数，NA2为中精度时钟校准参数，G3为高精度提升增益，G2为中精度提升增益，M为误差累计次数，为第n次GPS秒脉冲到来时的本地时间间隔，TP为理想的时间间隔，TC为本地时钟间隔；
（七）.时钟补偿模块判断时钟校准周期到达，若到达低精度时钟校准周期，则将低精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
（八）.若到达中精度时钟校准周期，则将中精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟；
（九）.若到达高精度时钟校准周期，则将高精度校准参数补偿至本地定时器计数值，以此校准时钟。
2.根据权利要求1所述的一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，其特征在于，所述的船舶自动识别终端设备包括由时钟校准及补偿模块、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM控制模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，所述的ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
3.根据权利要求2所述的一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，其特征在于，所述的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
4.根据权利要求3所述的一种船舶自动识别终端设备校准自身时钟的方法，其特征在于，所述的GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
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