CN102946289B - 卫星数字电视授时用户接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的卫星数字电视授时用户接收系统及方法，其通过接收卫星数字电视信号并从卫星数字电视信号中提取授时标志节目时钟参考和从授时电文中解调出卫星预报星历模型参数值、预报卫星转发器出口的时间参数值、协调世界时参数值等，再利用卫星预报星历模型参数值结合本地测量点的坐标位置，准确算出卫星信号的下行时延值，根据授时电文中的各种参数值、卫星下行和接收设备时延值，计算出标准时码以及需要精确修正的时延值，经时延修正后输出本地秒，达到与国家授时中心协调世界时的精确同步，本发明的方法能够自动完成高精度定时，准确接收卫星电视授时信号，而且接收稳定性好，利用该方法接收系统结构简单，稳定性好，能够自动完成高精度定时。

Description

卫星数字电视授时用户接收系统及方法

技术领域

本发明涉及一种卫星数字电视授时技术以及高精度时间应用领域，具体涉及到一种能准确接收卫星数字电视授时信号的用户接收系统及方法。

背景技术

自八十年代起，我国的科技工作者就开始了利用卫星模拟电视信号进行传递标准时间频率的技术与方法研究。在中央电视台一套、二套节目发播期间，将电视信号逆程的第16行内以行同步前沿为基准，插入包括标准频率、秒脉冲、标准时码等信息。插入时频信息的电视信号经调制、上变频、功放后，由大口径定向天线向卫星发送，完成卫星模拟电视授时信号的发播。各地卫星下行接收站通过卫星电视信号用户接收机对CCTV含时间码信息的电视信号进行解调得出时间码和标准秒，作为各电视台播出系统的时间基准。上述的利用电视信号进行授时的方法和系统是建立在模拟电视系统基础上的。

随着卫星数字电视的快速发展，国家也制定了相应的标准：GB/T17700-1999《卫星数字电视广播信道编码和调制标准》，规定中国的卫星数字电视系统采用DVB-S标准。

目前，利用卫星模拟电视信号传递标准时间频率的授时系统已停止使用。为了获取高精度的卫星数字电视授时信号，亟需发明一种能接收卫星数字电视授时信号，并能自动完成高精度定时的用户接收系统及方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够自动完成高精度定时且能够实现与基准协调世界时时间精确同步的卫星数字电视授时用户接收系统。

本发明的另一个目的在于提供一种定时精度高、误差小，稳定性好的卫星数字电视授时用户接收方法。

解决上述技术问题的技术方案是：

卫星数字电视授时用户接收系统，包括卫星地面接收天线单元、卫星数字电视接收机、串行数字接收器、现场可编程逻辑阵列、秒驱动输出、第一程序存储器、高稳晶振、ARM7微处理器、液晶屏、数据存储器以及第二程序存储器；

卫星地面接收天线单元：接收卫星的下行射频信号，并对下行射频信号进行低噪声放大和一次变频，形成一次变频信号；

卫星数字电视接收机：通过电缆与卫星地面接收天线单元相连，接收一次变频信号，经解调后输出异步串行接口信号；

串行数字接收器：通过异步串行接口与卫星数字电视接收机连接，异步串行接口信号经串行数字接收器后产生出串行数据流和时钟信号；

现场可编程逻辑阵列：一个输入端通过数据线与串行数据接收器相连，接收串行数字接收器输出的串行数据流和时钟信号，提取节目时钟参考值和协调世界时值以及解调授时电文，并能够产生纳秒级的秒脉冲信号经秒驱动输出；

第一程序存储器：通过导线与现场可编程逻辑阵列相连，存储现场可编程逻辑阵列的运行程序；

ARM7微处理器：通过总线与现场可编程逻辑阵列相连，读取现场可编程逻辑阵列恢复出的传输数据流，从传输数据流中解出授时电文中的节目时钟参考值、协调世界时值、星历预测模型参数值以及卫星转发器出口准确时间参数值，计算得出卫星下行时延值，控制现场可编程逻辑阵列中的时间保持模块进行时延修正后，产生出秒脉冲信号并经驱动后输出，ARM7微处理器通过时码输出串行接口输出时码信号；

液晶屏：通过导线与ARM7微处理器的一输出端口相连，显示标准时间；

数据存储器：通过数据线与ARM7微处理器的另一输出口相连，用于存储ARM7微处理器计算过程的中间值以及最终结果；

第二程序存储器：通过导线与ARM7微处理器相连，保存ARM7微处理器的全部控制程序。

上述一次变频信号的频率为950～2150MHz。

上述异步串行接口信号经串行数字接收器后产生出串行数据流和时钟信号，输出速率为270Mb/s。

一种利用上述的卫星数字电视授时用户接收系统的接收方法，该方法由以下步骤实现：

1）ARM7微处理器读取现场可编程逻辑阵列恢复出的传输数据流，从传输数据流中解出授时电文，并将授时电文中获取的协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列的本地时间保持模块中，完成时间粗同步；

2）完成时间粗同步后，ARM7微处理器再读取现场可编程逻辑阵列输出的含有授时电文，从授时电文中提取星历预测模型参数值、节目时钟参考值、协调世界时值以及卫星转发器出口准确时间参数值；

3）利用用户在坐标系中的位置以及星历预测模型参数值，计算出卫星信号下行传播时延值，计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{(\mathrm{SPX}-\mathrm{ux})}^2+{(\mathrm{SPY}-\mathrm{uy})}^2+{(\mathrm{SPZ}-\mathrm{uz})}^2}/c$

式中：τ代表卫星转发器到用户接收机的下行时延；

SPX、SPY、SPZ值是卫星的坐标位置；

c为光速；

ux,uy，uz是用户接收机在坐标系中的位置；

4）现场可编程逻辑阵列接收到卫星信号下行传播时延值，从本地时钟中扣除卫星信号下行传播时延值和接收设备的固定时延值，完成用户本地钟与国家授时中心的协调世界时实现精确同步。

上述步骤1）的具体实现方法是：

1.1）异步串行接口输出以270Mb/s的速率传输异步串行接口信号，通过串行数字接收器产生出串行数据流和时钟信号；

1.2）从串行数据流信息中寻找k28.5控制同步字来实现码字对齐，将10bit的数据依次放入一个50位的移位寄存器中，检测50位数据中，判断是否连续两个字节为K28.5；若否，则返回步骤1.1；若是，则控制同步字K28.5以后每隔10bit形成一个码字，完成字节同步；

1.3）完成字节同步后，对已经排序的串行数据进行10b/8b数据转换，恢复成原传输数据流；

1.4）一个传输数据包为188个字节的固定长度，包头的同步字节是0x47，判断连续2个传输数据包后，出现在包头的同步字节值是否都是0x47，若是，则完成传输数据包同步，进行步骤1.5）；否则返回步骤1.2）；

1.5）传输数据包同步后，通过判断传输数据包中预先设定的包标识符值，确定节目时钟参考标志位，现场可编程逻辑阵列产生中断信号送到ARM7微处理器的中断输入端，ARM7微处理器一旦检测到中断信号，立即响应现场可编程逻辑阵列的中断申请，读取现场可编程逻辑阵列输出的含有授时电文的传输数据流，由传输数据流中解出节目时钟参考值和协调世界时值，将协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列的本地时间保持模块中，得到卫星数字授时电视接收系统的粗同步时间。

本发明的卫星数字电视授时用户接收方法及系统，通过接收卫星数字电视信号并从卫星数字电视信号中提取授时标志节目时钟参考和从授时电文中解调出卫星预报星历模型参数值、预报卫星转发器出口的时间参数值、协调世界时参数值等，再利用卫星预报星历模型参数值结合本地测量点的坐标位置，准确算出卫星信号的下行时延值，将卫星数字电视授时信号中提取的节目时钟参考值和协调世界时值置入用户本地时钟保持模块中；根据授时电文中的各种参数值、卫星下行和接收设备时延值，计算出标准时码以及需要精确修正的时延值，经时延修正后输出本地秒，达到与国家授时中心协调世界时的精确同步，本发明的方法能够自动完成高精度（纳秒）定时，准确接收卫星电视授时信号，而且接收稳定性好，利用该方法接收系统结构简单，稳定性好，能够自动完成高精度定时。

附图说明

图1为本发明实施例1的接收系统结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施方式。

实施例1

参见图1，本实施例的卫星数字电视授时用户接收系统由卫星地面接收天线单元1、卫星数字电视接收机2、串行数字接收器3、现场可编程逻辑阵列4、秒驱动输出5、第一程序存储器6、高稳晶振7、ARM7微处理器8、时码输出串行接口9、液晶屏10、数据存储器11以及第二程序存储器12联接构成。

卫星地面接收天线单元1通过电缆与卫星数字电视接收机2相连，卫星数字电视接收机2的输出口通过异步串行接口与串行数字接收器相连，串行数字接收器的输出口通过数据线接入现场可编程逻辑阵列4的第一接口，现场可编程逻辑阵列4的第二接口与秒驱动输出5连接，将秒脉冲通过秒驱动输出5输出，现场可编程逻辑阵列4的第三接口与第一程序存储器6相连，存储其运行程序。现场可编程逻辑阵列4的第四接口通过数据线与ARM7微处理器8（由英国ARM公司生产）的第一接口相连，现场可编程逻辑阵列4受控于ARM7微处理8。高稳晶振7的两个输出端口分别与现场可编程逻辑阵列4的时钟输入接口和ARM7微处理器8的时钟输入接口相连。

ARM7微处理器8的第二接口通过数据线与第二程序存储器12相连，将运行程序存储在第二程序存储器12内，ARM7微处理器8的第三接口通过数据线与数据存储器11相连，将处理的数据以及计算结果存储在数据存储器11中，ARM7微处理器8的第四接口通过总线与液晶屏10的输入口相连，将时间通过液晶屏10显示出来，ARM7微处理器8的第五接口与时码输出串行接口9相连，输出时码。

上述系统在使用时，由卫星地面接收天线单元1接收型号为中星6B卫星的频率为3.7GHz～4.2GHz的下行射频信号，经低噪声放大和一次变频后，形成950～2150MHz的射频信号经电缆送到卫星数字电视接收机2，卫星数字电视接收机2将接收到的卫星信号解调后，通过异步串行接口以270Mb/s的速率输出异步串行接口信号，再经过串行数字接收器分别输出串行数据流和时钟信号到现场可编程逻辑阵列4的输入端。

现场可编程逻辑阵列4接收来自于串行数字接收器输出的信号，对其解码，提取节目时钟参考值与协调世界时值，高稳晶振7输出高稳定度的频率信号，作为系统时钟频率供给现场可编程逻辑阵列4和ARM7微处理器8，保证整个系统对精度的要求。ARM7微处理器8读取现场可编程逻辑阵列4恢复出的传输数据流即传输数据流，从传输数据流中解出授时电文中的节目时钟参考值、协调世界时值、以及卫星星历数据、卫星转发器出口时间值，经计算后得到当前的标准时间，由ARM7微处理器8控制现场可编程逻辑阵列4产生高精度的秒脉冲并经驱动输出5，同时ARM7微处理器8通过串行接口输出时码，ARM7微处理器8控制液晶屏10显示标准时间。数据存储器11用来存储ARM7微处理器8计算过程的中间值以及最终结果，第二程序存储器12保存ARM7微处理器8的全部控制程序。

本实施例还涉及一种使用上述的系统进行卫星数字电视授时用户接收的方法，具体包括以下步骤：

1）ARM7微处理器8读取现场可编程逻辑阵列4恢复出的传输数据流，从传输数据流中解出授时电文，并将授时电文中获取的协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列4的本地时间保持模块中，完成时间粗同步；具体是：

1.1）现场可编程逻辑阵列4接收卫星数字电视接收机2输出速率为270Mb/s的异步串行接口信号，串行数字接收器接收异步串行接口信号后，分别产生并输出串行数据流和时钟信号；

1.2）在串行数据流中寻找k28.5控制同步字来实现码字对齐，将10bit的数据依次放入一个50位的移位寄存器中，检测这个50位数据中，判断是否连续两个字节为K28.5；若否，则返回步骤1.1）；若是，则控制同步字K28.5以后每隔10bit形成一个码字，完成字节同步；

1.3）完成字节同步后，利用查表法，对已经排序的数据进行10b/8b数据转换即串并变换，恢复成原传输数据流；

1.4）一个传输数据包为188个字节的固定长度，包头的同步字节是0x47，判断连续2个传输数据包后，出现在包头的同步字节值是否都是0x47，若是，则完成传输数据包同步，进行步骤1.5）；否则返回步骤1.3）。

1.5）传输数据包同步后，通过判断传输数据流中预先设定的包标识符值，确定是否有节目时钟参考标志位，现场可编程逻辑阵列4产生中断信号送到ARM7微处理器8的中断输入端，ARM7微处理器8一旦检测到中断信号，立即响应现场可编程逻辑阵列4的中断申请，读取现场可编程逻辑阵列4输出的含有授时电文的传输数据流，由传输数据流中解出节目时钟参考值和协调世界时值，将协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列4的本地时间保持模块中，得到卫星数字授时电视接收系统的粗同步时间。

2）完成时间粗同步后，ARM7微处理器8读取现场可编程逻辑阵列4输出的含有授时电文的传输数据流后，从中解出星历预测模型参数值、节目时钟参考值、协调世界时值以及卫星转发器出口准确时间参数值；

上述的电文数据包括：

a、节目时钟参考值

b、协调世界时时间信息：设定2000年为起始值；如“111221”，6个字符表示2011年12月21日；

秒计数值：86400秒为一日，如“45012”，5字符表示协调世界时时间为12:30:12；

秒以下小数计数值：例如：“113456789”，9字符表示0.113456789s；

c、预测时延修正模型参数值，本发明中通过星历模型计算卫星在轨位置的公式为：

SPX＝X+Vx*T₀+Ax*T₀*T₀/2.0+AAx*T₀*T₀*T₀/6.0（1）

SPY＝Y+Vy*T₀+Ay*T₀*T₀/2.0+AAy*T₀*T₀*T₀/6.0（2）

SPZ＝Z+Vz*T₀+Az*T₀*T₀/2.0+AAz*T₀*T₀*T₀/6.0（3）

其中：SPX、SPY、SPZ值是卫星的坐标位置；

X、Y、Z值是星历模型中的常数项；

Vx、Vy、Vz值是星历模型中的速度项；

Ax、Ay、Az值是星历模型中的加速度项；

AAx、AAy、AAz值是星历模型的加加速度项；

T₀是当前协调世界时时刻与星历预测模型起始时刻之差。

3）利用用户在坐标系中的位置以及星历预测模型参数值，根据公式：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{(\mathrm{SPX}-\mathrm{ux})}^2+{(\mathrm{SPY}-\mathrm{uy})}^2+{(\mathrm{SPZ}-\mathrm{uz})}^2}/c$

式中：τ代表卫星转发器到用户接收机的下行时延；

c为光速；

ux,uy，uz是用户接收机的坐标位置。

4）卫星转发器出口准确时间参数值加上卫星信号下行传播时延值，还有接收设备时延，就是卫星信号到达用户接收系统的时间，ARM7微处理器8精确计算需修正的时延后，现场可编程逻辑阵列4接收到卫星信号下行传播时延值，从本地时钟中扣除卫星信号下行传播时延值和接收设备的固定时延值，完成用户本地钟与国家授时中心的协调世界时时间实现精确同步即细同步。

Claims (2)

1.一种卫星数字电视授时用户接收系统，该系统包括卫星地面接收天线单元(1)、卫星数字电视接收机(2)、串行数字接收器(3)、秒驱动输出(5)、高稳晶振(7)、ARM7微处理器(8)、液晶屏(10)，其特征在于：该系统还包括现场可编程逻辑阵列(4)、第一程序存储器(6)、数据存储器(11)、第二程序存储器(12)；

卫星地面接收天线单元(1)：接收卫星的下行射频信号，并对下行射频信号进行低噪声放大和一次变频，形成一次变频信号；

卫星数字电视接收机(2)：通过电缆与卫星地面接收天线单元(1)相连，接收一次变频信号，经解调后输出异步串行接口信号；

串行数字接收器(3)：通过异步串行接口与卫星数字电视接收机(2)连接，异步串行接口信号经串行数字接收器后产生出串行数据流和时钟信号；

现场可编程逻辑阵列(4)：一个输入端通过数据线与串行数据接收器(3)相连，接收串行数字接收器输出的串行数据流和时钟信号，提取节目时钟参考值和协调世界时值以及解调授时电文，并能够产生纳秒级的秒脉冲信号经秒驱动输出(5)输出；

第一程序存储器(6)：通过导线与现场可编程逻辑阵列(4)相连，存储现场可编程逻辑阵列(4)的运行程序；

ARM7微处理器(8)：通过总线与现场可编程逻辑阵列(4)相连，读取现场可编程逻辑阵列(4)恢复出的传输数据流，从传输数据流中解出授时电文中的节目时钟参考值、协调世界时值、星历预测模型参数值以及卫星转发器出口准确时间参数值，计算得出卫星下行时延值，控制现场可编程逻辑阵列(4)中的时间保持模块进行时延修正后，产生出秒脉冲信号并经驱动后输出，ARM7微处理器(8)通过时码输出串行接口(9)输出时码信号；

液晶屏(10)：通过导线与ARM7微处理器(8)的一输出端口相连，显示标准时间；

数据存储器(11)：通过数据线与ARM7微处理器(8)的另一输出口相连，用于存储ARM7微处理器(8)计算过程的中间值以及最终结果；

第二程序存储器(12)：通过导线与ARM7微处理器(8)相连，保存ARM7微处理器(8)的全部控制程序。

2.一种利用权利要求1所述的卫星数字电视授时用户接收系统的接收方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)ARM7微处理器(8)读取现场可编程逻辑阵列(4)恢复出的传输数据流，从传输数据流中解出授时电文，并将授时电文中获取的协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列(4)的本地时间保持模块中，完成时间粗同步，该步骤的具体方法如下；

1.1)异步串行接口输出以270Mb/s的速率传输异步串行接口信号，通过串行数字接收器产生出串行数据流和时钟信号；

1.2)从串行数据流信息中寻找k28.5控制同步字来实现码字对齐，将10bit的数据依次放入一个50位的移位寄存器中，检测50位数据中，判断是否连续两个字节为K28.5；若否，则返回步骤1.1；若是，则控制同步字K28.5以后每隔10bit形成一个码字，完成字节同步；

1.3)完成字节同步后，对已经排序的串行数据进行10b/8b数据转换，恢复成原传输数据流；

1.4)一个传输数据包为188个字节的固定长度，包头的同步字节是0x47，判断连续2个传输数据包后，出现在包头的同步字节值是否都是0x47，若是，则完成传输数据包同步，进行步骤1.5)；否则返回步骤1.2)；

1.5)传输数据包同步后，通过判断传输数据包中预先设定的包标识符值，确定节目时钟参考标志位，现场可编程逻辑阵列(4)产生中断信号送到ARM7微处理器(8)的中断输入端，ARM7微处理器(8)一旦检测到中断信号，立即响应现场可编程逻辑阵列(4)的中断申请，读取现场可编程逻辑阵列(4)输出的含有授时电文的传输数据流，由传输数据流中解出节目时钟参考值和协调世界时值，将协调世界时值置入现场可编程逻辑阵列(4)的本地时间保持模块中，得到卫星数字授时电视接收系统的粗同步时间；

2)完成时间粗同步后，ARM7微处理器(8)再读取现场可编程逻辑阵列(4)输出的含有授时电文，从授时电文中提取星历预测模型参数值、节目时钟参考值、协调世界时值以及卫星转发器出口准确时间参数值；

3)利用用户在坐标系中的位置以及星历预测模型参数值，计算出卫星信号下行传播时延值，计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{(\mathrm{SPX}-\mathrm{ux})}^2+{(\mathrm{SPY}-\mathrm{uy})}^2+{(\mathrm{SPZ}-\mathrm{uz})}^2}/c$

式中：τ代表卫星转发器到用户接收机的下行时延；

SPX、SPY、SPZ值是卫星的坐标位置；

c为光速；

ux,uy,uz是用户接收机在坐标系中的位置；

4)现场可编程逻辑阵列(4)接收到卫星信号下行传播时延值，从本地时钟中扣除卫星信号下行传播时延值和接收设备的固定时延值，完成用户本地钟与国家授时中心的协调世界时实现精确同步。