CN103323865A

CN103323865A - 一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统

Info

Publication number: CN103323865A
Application number: CN2013102437225A
Authority: CN
Inventors: 郭思宇; 乔东海
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：包括至少4个固定基站，每一固定基站上设置有时钟信号无线发送机，每一固定基站发出的时钟信号具有不同的编码；所述固定基站分布设置于进行授时定位的地区，使得该地区的终端设备至少能同时接收其中4个固定基站发出的信号；在要获得授时定位的终站设备上，设置有接收所述时钟信号的无线接收机、解码单元和定位计算单元。本发明非常适合于无法正常接收到GPS卫星信号的野外环境，终端设备的功耗小，系统稳定、精确度高。

Description

一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统

技术领域

本发明涉及一种授时与定位系统，具体涉及一种基于低功耗原子钟在局部地区提供授时与定位的系统。

背景技术

地震检波器是用于天然地震测量、地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器。地震数据采集系统主要由分布设置的地震检波器和数字地震采集站组成。检波器将地震波引起的地面震动转换成电信号并传送至地震采集站；地震采集站将接受到的电信号放大、经过模/数转换器转换成二进制数据、组织数据、存贮数据并根据情况进行处理。其中，检波器和采集站之间的信号传送包括有线和无线两种方式，有线方式由于电缆铺设受地形影响，难度大，电缆铺设和维护成本高，而逐步被无线方式所取代。

目前无缆自定位地震检波器通常采用GPS卫星定位系统授时作为时间服务系统。例如，中国发明专利CN1417593A公开了一种GPS卫星授时遥测地震仪，其定时启动放炮单元由GPS定时与触发板、CPU板和一台改造后的爆炸机组成。中国发明专利CN101661111A公开了一种“利用短信进行地震仪控制和数据传送的方法及短信控制传送型无缆地震仪”，采用GPS进行授时同步，同时，为了获得较高的定位精度，该方法需要布设几百甚至几万个GPS站点形成大型GPS站点网络，进行测量消除误差，以达到厘米级的定位精度。但是在大山附近，丛林茂密地区等卫星信号较差的条件下GPS定位系统授时信息不可获得，或因电磁干扰等原因，GPS信号失锁可能导致采集站无法实现同步数据采集使得整个采集系统无法正常工作，进而陷入瘫痪。而大规模布设GPS站点的方法更是会导致实现难度和成本的增加。

再者，因为在野外工作的采集终端将面临长时间无法续电的情况，所以就要求采集设备应尽量具有低功耗，以保证正常的采集工作。而GPS接收系统功耗很高，很大程度上限制了采集终端的带电时间，从而影响采集系统的工作效率。

此外，其它一些野外工作的终端，例如石油勘探系统、无线传感网等，也存在授时定位的需求。

因此，需要提供一种不使用GPS的授时定位系统，以解决以上传统的基于GPS的无缆自授时定位系统无法解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，在不需要接收GPS卫星信号的前提下，实现低功耗、低成本、稳定、精确的无缆授时定位，以适应石油勘探、无缆自定位地震检波器系统、无线传感网等的需求。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，包括至少4个固定基站，每一固定基站上设置有时钟信号无线发送机，每一固定基站发出的时钟信号具有不同的编码；所述固定基站分布设置于进行授时定位的地区，使得该地区的终端设备至少能同时接收其中4个固定基站发出的信号；在要获得授时定位的终站设备上，设置有接收所述时钟信号的无线接收机、解码单元和定位计算单元。

上述技术方案中，通过在位置已知的固定基站发出携带编码的无线时钟信号，在需要授时和定位的终端设备处接收时钟编码信号，进行解码和定位计算，实现授时和定位。

上述技术方案中，所述时钟信号无线发送机包括时钟源、时钟编码模块和无线发送机，所述时钟源为原子钟。

优选的技术方案，所述时钟编码模块为IRIG-B（Inter Range Instrumentation Group）编码模块，所述无线发送机包括扩频调制模块、BPSK调制模块、数模转换模块、功率放大模块和发送模块。无线发送机采用直扩系统（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），用BPSK（Binary Phase Shift Keying，移相键控）方式调制。时钟信号无线发送机原理为：首先用同步的原子钟提供的高精度时钟源将本地时间经过IRIG-B编码后变为包含秒脉冲信息、年、天、时、分、秒和二进制秒计日等在内的绝对时间信息，再将上述码流输入无线发送机，无线发送机先对此码流进行扩频调制，再经过BPSK调制将信号频谱搬移到发送频率，最后经过D/A转换和功率放大后通过天线发送。

上述技术方案中，所述时钟编码模块、扩频调制模块和BPSK调制模块设置于同一现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）中。

上述技术方案中，所述的终端设备使用FPGA全数字实现，由无线接收机、时钟解码模块和定位计算模块组成。相对于所述时钟信号无线发送机所述时钟解码模块采用IRIG-B解码，所述无线接收机采用直扩系统，BPSK解调方式，所述定位计算单元采用最小二乘法或卡尔曼滤波算法。终端设备的原理为：时刻接收来自四个基站的信号，首先经过无线接收机将射频信号解调，解扩后还原为基带信号，再通过解码模块得到4个基站的时间信号用以授时和下一步的定位，最后经过定位计算得到终端设备的位置信息。

上述技术方案中，不同基站的信号是通过解扩模块来区分的，终端设备中存有4个基站不同的相互正交的扩频码，在解扩过程中通过相关运算就能区分出信号是从哪个基站发来的。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明的系统在需要授时和定位的地面局部区域建立有限个基站来实现局部授时定位，发出编码的时钟信号，非常适合于无法正常接收到GPS卫星信号的野外环境。

2．由于使用低功耗原子钟作为时钟源而且终端设备与基站的距离远远小于与GPS卫星的距离，所以大大降低了终端设备的功耗，解决了终端移动设备在野外作业，无法经常蓄电的问题。

3．使用多个同步的高精度原子钟作为时钟基准，保证了系统的稳定性和精确度。

4．因为基站建立在局部地区，与终端设备距离较近，且基站数量较少，所以有效地降低的发送接收机和定位算法的复杂度，大大减少芯片资源，同时降低了成本和功耗。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是实施例中时间信号发送机的系统框图；

图3是实施例中时间信号接收机的系统框图；

图4是实施例中时间信号接收机的一种解调方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，包括四个装有时间信号发送机的基站100，200，300，400、装有时间信号接收机的终端设备500，4个装有时间信号发送机的基站100，200，300，400分别设置在需要定位的局部地区的边缘并时刻发送类似GPS的时间信号，装有时间信号接收机的终端设备500接收来自每个基站的时间信号，经过信号处理和定位计算得到准确的位置信息。

图2是装载在基站上的时间信号发送机的系统框图，包括时钟源110、发送机数字部分120、D/A转换器130、功率放大器140、天线150，其中，使用同步的高精度原子钟作为整个系统的时钟源110，发送机数字部分120全部在FPGA上实现，可以采用Altera公司的cyclone系列芯片，Xilinx公司的Spartan系列芯片等。整个发送接收系统采用直扩通信方式，时间信号采用美国靶场仪器组码（IRIG-B）编码方式。发送机的数字部分120包括，分频器121、IRIG-B编码模块122、扩频调制模块123、伪码发生器124、BPSK调制模块125、频率合成器（DDS）126。

所述分频器121将原子钟提供的高频时钟信号分成不同频率的时钟信号供发送机中其它模块使用。所述IRIG-B编码模块122将当前标准时间编码为由0，1组成的比特流，以100HZ的速率输出。所述伪码发生器124产生扩频调制所需的伪随机码，可以根据不同情况使GOLD码、M序列或其它伪随机序列，同时伪码长度也可以根据不同的情况调整。所述扩频调制模块123是用产生的伪随机序列乘IRIG-B输出的码流，完成扩频调制。所述频率合成器（DDS）126产生频率可变的正弦波作为BPSK调制的载波，经过BPSK调制模块125将扩频后的信号调制到适合无线发送的频率，载波频率可应根据不同情况做相应调整。所述D/A转换器130和功率放大器140可以根据位宽和速率的不同选择不同公司的产品。

图3是实施例中时间信号接收机的系统框图，包括天线210、带通滤波器220、A/D转换器230和接收机数字部分240。可以根据载波频率、滤波器截止频率、基带信号频率的不同选择不同厂家不同型号的天线210、带通滤波器220、A/D转换器230。接收到的射频信号经过带通滤波器220滤除干扰，再通过A/D转换器220变为数字信号并将频率降低。

所述的接收机数字部分240包括BPSK解调模块241、解扩模块242、IGIR-B解码模块243、定位计算模块244。中频数字信号先通过BPSK解调模块241将信号解调到基带，通过解扩模块242去除伪随机码将信号还原为IRIG-B码，通过IGIR-B解码模块243得到时间信息，最后用接收到的四个时间信息通过定位计算模块244成功定位。

本实施例采用Costas环的方式完成BPSK解调。图4是Costas环的工作流程图，其中包括频率合成器（DDS）310、乘法器320、低通滤波器330、鉴相器340、环路滤波器350。频率合成器产生相同与正交支路的两路正弦波分别与带有载波的输入信号相乘，再各自通过低通滤波器滤除相乘后的高频分量仅保留瞬时相位差信息，再通过所述的鉴相器340和环路滤波器350得到频率控制字来调整频率合成器（DDS）310的输出，经过有限个周期的调整，频率合成器（DDS）310的同相支路输出会与载波同频同相，而同相支路低通滤波器330的输出就是BPSK解调后的信号。

所述的解扩模块242可以用匹配滤波器或其他方法实现。

所述的定位计算模块243可以使用最小二乘法或卡尔曼滤波的方法实现。

根据授时和定位地区的需要，可以设置更多的固定基站，以扩大覆盖区域。

Claims

1. 一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：包括至少4个固定基站，每一固定基站上设置有时钟信号无线发送机，每一固定基站发出的时钟信号具有不同的编码；所述固定基站分布设置于进行授时定位的地区，使得该地区的终端设备至少能同时接收其中4个固定基站发出的信号；在要获得授时定位的终站设备上，设置有接收所述时钟信号的无线接收机、解码单元和定位计算单元。

2. 根据权利要求1所述的基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：所述时钟信号无线发送机包括时钟源、时钟编码模块和无线发送机，所述时钟源为原子钟。

3. 根据权利要求2所述的基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：所述时钟编码模块为IRIG-B编码模块，所述无线发送机包括扩频调制模块、BPSK调制模块、数模转换模块、功率放大模块和发送模块。

4. 根据权利要求2所述的基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：所述时钟编码模块、扩频调制模块和BPSK调制模块设置于同一现场可编程门阵列中。

5. 根据权利要求2所述的基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，其特征在于：所述时钟源为同步的高精度原子钟。