CN103529689A - 主备卫星钟时频信号无缝切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主备卫星钟时频信号无缝切换装置及方法，装置包括：包含三台原子钟的原子钟组，每一原子钟对应电学连接至一路AD采样器；输入信号选择单元与所有AD采样器及主控单元相连；第一、二频率与相位提取单元、移相控制单元以及第一、二移相单元，实现频率和相位提取及移相；主备钟频差与相差测量单元测量主备钟频差与相差完成主备钟同步；主钟与恒温晶振相差测量单元与主备钟信号选择单元相连，并通过滤波单元、DA输出单元与恒温晶振单元形成反馈回路，实现主钟与恒温晶振同步；主控单元对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，通过控制信号切换主钟与备钟。

Description

主备卫星钟时频信号无缝切换装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星通信的时频技术领域，尤其涉及一种可以生成高精度的主备卫星钟时间和频率信号以及实现主备钟无缝切换的主备卫星钟时频信号无缝切换装置及方法。

背景技术

高精度时间和频率信号在授时、导航和测量领域都有着至关重要的地位。为了实现高精度、高可靠和方便使用的时间和频率信号，一般会采用多个原子钟基准进行冗余备份，并在主钟失效的情形下，将使用基准无缝切换至主钟，从而输出信号不受任何影响。另外，由于原子钟精度存在一定的误差，为了得到更高精度的使用信号，需要对频率和时间信号进行调整，即时频生成装置应具备受用户微调功能。

中国专利文献CN102590825A公开了一种导航卫星主备钟的无缝切换方法，该方法使用两个原子钟信号作为参考，分别使用三个处理时段实现主备钟频率同步、相位同步和时间同步。该发明中，主备钟相差测量采用双混时差测量方法，主备频率信号和时间信号的切换利用开关矩阵实现，系统的硬件复杂度高；且同步实现过程较复杂，存在时频信号切换瞬间信号丢失或切换前后信号频率和相位不连续的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中时频信号切换瞬间信号丢失或切换前后信号频率和相位不连续的问题，提供一种主备卫星钟时频信号无缝切换装置，通过数字处理的方式，误差测量和主备同步及主钟与OCXO同步全部采用数字实现，避免了切换瞬间的信号不连续问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种主备卫星钟时频信号无缝切换装置，包括：一原子钟组，用于提供基准频率信号，所述原子钟组包括一个主钟和两个备钟，每一原子钟对应电学连接至一AD采样器，所述AD采样器对相应原子钟输出的模拟频率信号进行采样得到数字化的采样信号；一输入信号选择单元，分别与所有所述AD采样器以及一主控单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号从三路采样信号中选择主路信号和备路信号； 一第一频率与相位提取单元，与所述输入信号选择单元相连，用于提取主钟的频率和相位并输入至一第一移相单元；一第二频率与相位提取单元，与所述输入信号选择单元相连，用于提取备钟的频率和相位并输入至一第二移相单元；一主备钟频差与相差测量单元，分别与一移相控制单元、第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据第一移相单元以及第二移相单元的输出信号测量主备钟的频差和相差，并反馈至所述移相控制单元；所述移相控制单元进一步与所述主控单元、第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号控制所述第一移相单元对主钟进行相位微调，以及根据所述主备钟频差与相差测量单元的反馈信号控制所述第二移相单元对备钟进行相位微调实现主备钟同步；一主备钟信号选择单元，分别与所述主控单元、第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号选择同步后的主钟信号；一主钟与恒温晶振相差测量单元，与所述主备钟信号选择单元相连，并通过一滤波单元、一DA输出单元，与一恒温晶振单元形成反馈回路，所述主钟与恒温晶振相差测量单元用于根据所述主备钟信号选择单元的输出信号以及恒温晶振单元的输出信号测量主钟与恒温晶振的相差，相差测量结果经滤波后输出控制量通过所述DA输出单元控制所述恒温晶振单元，实现主钟和恒温晶振同步；所述恒温晶振单元进一步与一隔离放大单元相连，通过所述隔离放大单元将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供三路信号为最终频率输出；所述隔离放大单元进一步通过一方波整形单元与一秒脉冲发生器相连，将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供一路频率信号经方波整形后进入秒脉冲发生器，产生系统时钟，并输出1秒脉冲的基准时间信号；所述主控单元进一步与所述主备钟频差与相差测量单元以及主钟与恒温晶振相差测量单元相连，用于对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，通过控制信号切换主钟与备钟。

本发明的另一目的在于，针对现有技术中时频信号切换瞬间信号丢失或切换前后信号频率和相位不连续的问题，提供一种主备卫星钟时频信号无缝切换方法，省去双混时差测量环节，误差测量和主备同步及主钟与OCXO同步通过数字处理的方式，不采用硬件开关方式进行主备输出切换，从而避免了切换瞬间的信号不连续问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种主备卫星钟时频信号无缝切换方法，采用本发明所述主备卫星钟时频信号无缝切换装置，包括如下步骤：（1）对原子钟组输出的模拟频率信号进行采样得到三路数字化的采样信号；（2）从三路采样信号中选择主路信号和备路信号；（3）分别提取主、备钟频率和相位；（4）根据外部控制指令对主钟进行相位微调以及根据主备钟频差和相差测量结果的反馈对备钟进行相位微调，实现主备钟同步；（5）选择同步后的主钟信号，并测量主钟与恒温晶振相差；（6）对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，切换主钟与备钟。

本发明的优点在于：省去了双混时差测量环节，且误差测量和主备同步及主钟与OCXO同步全部采用数字实现，最终仅一片数字芯片即可，极大地降低了系统的硬件复杂度；通过数字处理的方式，大大简化了相位和频率测量及主备钟同步控制等电路，同时仅采用一个OCXO输出频率和时间信号，不采用硬件开关方式进行主备输出切换，从而避免了切换瞬间的信号不连续问题，有利于系统的小型化和高精度实现。

附图说明

图1，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置的架构示意图；

图2，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置的工作原理示意图；

图3，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换方法的流程示意图。

【主要组件符号说明】

1、原子钟组；2、AD采样器；3、输入信号选择单元；

4、第一频率与相位提取单元；5、第一移相单元；6、第二频率与相位提取单元；

7、第二移相单元；8、移相控制单元；9、主备钟频差与相差测量单元；

10、主备钟信号选择单元；11、主钟与恒温晶振相差测量单元；12、滤波单元；

13、主控单元；14、DA输出单元；15、恒温晶振单元；

16、隔离放大单元；17、方波整形单元；18、秒脉冲发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的主备卫星钟时频信号无缝切换装置及方法的具体实施方式做详细说明。

参考图1，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置的架构示意图，所述装置包括原子钟组1、AD采样器2、输入信号选择单元3、第一频率与相位提取单元4、第一移相单元5、第二频率与相位提取单元6、第二移相单元7、移相控制单元8、主备钟频差与相差测量单元9、主备钟信号选择单元10、主钟与恒温晶振相差测量单元11、滤波单元12、主控单元13、DA输出单元14、恒温晶振单元15、隔离放大单元16、方波整形单元17以及秒脉冲发生器18。其中，输入信号选择单元3、第一频率与相位提取单元4、第一移相单元5、第二频率与相位提取单元6、第二移相单元7、移相控制单元8、主备钟频差与相差测量单元9、主备钟信号选择单元10、主钟与恒温晶振相差测量单元11、滤波单元12、主控单元13以及秒脉冲发生器18均采用数字芯片实现。数字芯片可以选择FPGA或ASIC等，数字部分主要功能为完成主备钟相差和频差测量、主备钟同步、主钟和OCXO相差测量及同步控制量提取。

参考图2，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置的工作原理示意图，其主要工作原理为：通过AD采样器2对原子钟组1提供的模拟基准频率信号进行AD采样（如图所示步骤21），得到数字化的正弦采样信号；采样后信号经过输入信号选择（如图所示步骤22）、频率和相位提取（如图所示步骤23、24）、移相（如图所示步骤25、26）、主备钟频差与相差测量（如图所示步骤27），完成主备钟同步；主备钟信号选择单元选择同步后的主钟信号作为主钟与恒温晶振相差测量单元的输入，主钟信号与恒温晶振信号的相差测量值经过滤波后经DA输出单元14输出驱动电压控制恒温晶振单元15，实现主钟与恒温晶振（Oven Controlled Crystal Oscillator，简称OCXO）同步（如图所示步骤28、29）。恒温晶振单元15输出的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供三路信号（如图1所示：输出频率信号1、输出频率信号2以及输出频率信号3）为最终频率输出，同时一路频率信号经方波整形后经秒脉冲发生器18输出1PPS（Pulse Per Second，秒脉冲）的基准时间信号。所述主控单元13对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，通过控制信号切换主钟与备钟。

继续参考附图1，对本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置的工作原理做详细描述。

所述原子钟组1包括一个主钟和两个备钟共三台原子钟，用于提供模拟的基准频率信号。三台原子钟一个为主钟、一个为热备钟、一个为冷备钟；在主钟与热备钟切换后，启动冷备钟替换失效钟。原子钟组可根据需求配置，可选范围包括铷钟、铯钟、氢钟以及其他任何满足要求稳定度和精度的其他类型的原子钟。

每一原子钟对应电学连接至一AD采样器2，通过所述AD采样器2对相应原子钟输出的模拟频率信号进行采样得到数字化的正弦采样信号。原子钟输出的模拟频率信号通过采样方式进行数字化过程中，采样精度选择选择至关重要，为了达到要求的相位分辨率，所述AD采样器2采样位数大于14位，采样方式可以选择低通或带通采样。

所述输入信号选择单元3分别与所有所述AD采样器2以及一主控单元13相连，用于根据所述主控单元13接收的外部选择主备链路控制指令产生的控制信号，从三路采样信号中选择主路信号和备路信号。

所述第一频率与相位提取单元4与所述输入信号选择单元3相连，用于从输入信号选择单元3选出的信号中提取主钟的频率和相位并输入至所述第一移相单元5。所述第二频率与相位提取单元6与所述输入信号选择单元3相连，用于从输入信号选择单元3选出的信号中提取备钟频率和相位并输入至所述第二移相单元7。对采样信号进行数字频率和相位提取过程可根据硬件规模和指标要求选择相应的算法及实现方式，如FFT算法、差分频率估计器等各种能实现频率和相位提取的方式。提取后的相位信号通过相应的移相单元实现相位微调。

所述主备钟频差与相差测量单元9分别与移相控制单元8、第一移相单元5以及第二移相单元7相连，用于根据第一移相单元5以及第二移相单元7的输出信号来测量主备钟的频差和相差，并反馈至所述移相控制单元8作为第二移相单元7的控制量来源。也即，主备钟频差与相差测量单元9是主备钟同步的控制源，实现主备钟的频率和相位锁定。其中测量输入为相位微调后的主备钟频率和相位提取值，在进行相位差测量时需对相位边界进行去模糊处理，以确保相差值在正负180度范围。所述主备钟频差与相差测量单元9进一步与主控单元13相连，主备钟频差和相差检测的测量结果经主控单元13进行判决后输出主备钟的无缝切换的控制信号。

所述移相控制单元8进一步与所述主控单元13、第一移相单元5以及第二移相单元7相连。所述移相控制单元8根据所述主控单元13接收的外部相位微调指令产生相位微调的控制信号，控制所述第一移相单元5对主钟进行相位微调，也即第一移相单元5的控制量来源于外部控制指令通过所述移相控制单元8对主钟的移相控制。所述移相控制单元8同时根据所述主备钟频差与相差测量单元9的反馈信号控制所述第二移相单元7对备钟进行相位微调实现主备钟同步，也即第二移相单元7的控制量来源于内部主备钟相差测量结果的反馈通过所述移相控制单元8对备钟的控制，主备钟频率和相位误差进入移相控制单元8，经过DIP控制算法滤波后对备钟相位进行微调控制，从而实现主备钟同步。

所述主备钟信号选择单元10分别与所述主控单元13、第一移相单元5以及第二移相单元7相连，用于根据所述主控单元13的控制信号选择同步后的主钟信号输入至所述主钟与恒温晶振相差测量单元11。所述控制信号来自主备钟频差与相差测量单元9的测量结果经主控单元13进行判决后输出主备钟的无缝切换的控制信号。

所述主钟与恒温晶振相差测量单元11与所述主备钟信号选择单元10相连，并通过一滤波单元12、一DA输出单元14与一恒温晶振单元15形成反馈回路。所述主钟与恒温晶振相差测量单元11根据所述主备钟信号选择单元10输出的主钟信号，以及恒温晶振单元15的输出的OCXO信号来测量主钟与OCXO的相差；相差测量结果经滤波单元12滤波后输出控制量至所述DA输出单元14，通过所述DA输出单元14控制所述恒温晶振单元15实现主钟和OCXO同步。具体为，所述DA输出单元14对所述恒温晶振单元15的OCXO压控端电压进行控制实现主钟和OCXO同步。也即通过相差测量以及反馈回路，采用数字比相的方式实现主钟（也即原子钟信号）和OCXO的相位锁定，并经DA输出单元14伺服恒温晶振单元15。所述主钟与恒温晶振相差测量单元11测量输入为主钟和OCXO相位提取值，在进行相位差测量时也需对相位边界进行去模糊处理，以确保相差值在正负180度范围。

所述恒温晶振单元15进一步与所述隔离放大单元16相连，通过所述隔离放大单元16将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供三路信号为最终频率输出。所述隔离放大单元16进一步通过所述方波整形单元17与所述秒脉冲发生器18相连，将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供一路频率信号经方波整形后进入秒脉冲发生器18，产生系统时钟，并输出1PPS的基准时间信号。

所述主控单元13进一步与所述主备钟频差与相差测量单元9以及主钟与恒温晶振相差测量单元11相连，用于对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，通过控制信号切换主钟与备钟；如果两测量值同时超过预先设定的阈值时，则判断主钟异常，产生内部切换控制指令切换主备钟，实现输入信号的无缝切换和输出信号不受影响。所述主控单元13还可以通过接收外部钟组配置控制指令，选择主备链路或外部钟组配置；以及通过接收外部控制指令对输出信号进行频率和相位调整。

通过数字处理的方式，大大简化了相位和频率测量及主备钟同步控制等电路，同时仅采用一个OCXO输出频率和时间信号，不采用硬件开关方式进行主备输出切换，从而避免了切换瞬间的信号不连续问题，有利于系统的小型化和高精度实现。

参考附图3，本发明所述的主备卫星钟时频信号无缝切换方法的流程示意图，所述方法采用本发明所述主备卫星钟时频信号无缝切换装置，以下结合图3给出所述方法的步骤的详细说明。

S31：对原子钟组输出的模拟频率信号进行采样得到三路数字化的采样信号。原子钟组包括一个主钟和两个备钟共三台原子钟，用于提供模拟的基准频率信号。通过所述AD采样器对相应原子钟输出的模拟频率信号进行采样得到数字化的正弦采样信号。

S32：从三路采样信号中选择主路信号和备路信号。根据主控单元接收外部钟组配置控制指令产生的控制信号，输入信号选择单元从三路采样信号中选择主路信号和备路信号。

S33：分别提取主、备钟频率和相位。第一频率与相位提取单元从输入信号选择单元选出的信号中提取主钟的频率和相位并输入至第一移相单元；第二频率与相位提取单元从输入信号选择单元选出的信号中提取备钟频率和相位并输入至第二移相单元。对采样信号进行数字频率和相位提取过程可根据硬件规模和指标要求选择相应的数字处理算法及实现方式，如FFT算法、差分频率估计器等各种能实现频率和相位提取的方式。

S34：根据外部控制指令对主钟进行相位微调以及根据主备钟频差和相差测量结果的反馈对备钟进行相位微调，实现主备钟同步。提取后的主备钟相位信号通过相应的移相单元实现相位微调。第一移相单元（即负责主钟移相的单元）的控制量来源于主控单元接收的外部相位微调指令产生相位微调的控制信号通过所述移相控制单元对主钟的移相控制；第二移相单元（即负责备钟移相的单元）的控制量来源于内部主备钟相差测量结果的反馈通过所述移相控制单元对备钟的控制，主备钟频率和相位误差进入移相控制单元，经过DIP控制算法滤波后对备钟相位进行微调控制，从而实现主备钟同步。

S35：选择同步后的主钟信号，并测量主钟与恒温晶振相差。主备钟信号选择单元根据所述主控单元的控制信号选择同步后的主钟信号输入至主钟与恒温晶振相差测量单元，进行相差测量。

相差测量结果经滤波后输出控制量，通过DA输出单元控制恒温晶振单元的恒温晶振压控端电压，实现主钟和OCXO同步；也即通过相差测量以及反馈回路，采用数字比相的方式实现原子钟信号和OCXO的相位锁定，并经DA输出单元伺服恒温晶振单元。主钟与恒温晶振相差测量单元测量输入为主钟和OCXO相位提取值，在进行相位差测量时也需对相位边界进行去模糊处理，以确保相差值在正负180度范围。同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供三路信号为最终频率输出，同时提供一路频率信号经方波整形后进入秒脉冲发生器，产生系统时钟，并输出1PPS的基准时间信号。

S36：对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，切换主钟与备钟。所述主控单元对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，产生内部切换控制指令切换主备钟，实现输入信号的无缝切换和输出信号不受影响。

三台原子钟一个为主钟、一个为热备钟、一个为冷备钟。步骤S36中切换主钟与备钟即为切换主钟与热备钟，步骤S36之后进一步包括：主钟与热备钟切换后，启动冷备钟替换失效钟。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。    

Claims (8)

1.一种主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，包括： 

一原子钟组，用于提供基准频率信号，所述原子钟组包括一个主钟和两个备钟，每一原子钟对应电学连接至一路AD采样器，所述AD采样器对相应原子钟输出的模拟频率信号进行采样得到数字化的采样信号； 

一输入信号选择单元，分别与所有所述AD采样器以及一主控单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号从三路采样信号中选择主路信号和备路信号； 

一第一频率与相位提取单元，与所述输入信号选择单元相连，用于提取主钟的频率和相位并输入至一第一移相单元；

一第二频率与相位提取单元，与所述输入信号选择单元相连，用于提取备钟的频率和相位并输入至一第二移相单元； 

一主备钟频差与相差测量单元，分别与一移相控制单元、所述第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据所述第一移相单元以及第二移相单元的输出信号测量主备钟的频差和相差，并反馈至所述移相控制单元； 

所述移相控制单元进一步与所述主控单元、第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号控制所述第一移相单元对主钟进行相位微调，以及根据所述主备钟频差与相差测量单元的反馈信号控制所述第二移相单元对备钟进行相位微调实现主备钟同步； 

一主备钟信号选择单元，分别与所述主控单元、第一移相单元以及第二移相单元相连，用于根据所述主控单元的控制信号选择同步后的主钟信号； 

一主钟与恒温晶振相差测量单元，与所述主备钟信号选择单元相连，并通过一滤波单元、一DA输出单元，与一恒温晶振单元形成反馈回路，所述主钟与恒温晶振相差测量单元用于根据所述主备钟信号选择单元的输出信号以及恒温晶振单元的输出信号测量主钟与恒温晶振的相差，相差测量结果经滤波后输出控制量通过所述DA输出单元控制所述恒温晶振单元，实现主钟和恒温晶振同步； 

所述恒温晶振单元进一步与一隔离放大单元相连，通过所述隔离放大单元将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供三路信号为最终频率输出； 

所述隔离放大单元进一步通过一方波整形单元与一秒脉冲发生器相连，将同步后的恒温晶振频率信号经隔离放大后提供一路频率信号经方波整形后进入所述秒脉冲发生器，产生系统时钟，并输出1秒脉冲的基准时间信号； 

所述主控单元进一步与所述主备钟频差与相差测量单元以及主钟与恒温晶振相差测量单元相连，用于对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，通过控制信号切换主钟与备钟。

2.根据权利要求1所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，所述原子钟组的各原子钟采用铷钟、铯钟或氢钟。

3.根据权利要求1所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，所述AD采样器采样位数大于14位，得到数字化的正弦采样信号，采样方式为低通或带通采样。

4.根据权利要求1所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，所述输入信号选择单元、第一频率与相位提取单元、第一移相单元、第二频率与相位提取单元、第二移相单元、移相控制单元、主备钟频差与相差测量单元、主备钟信号选择单元、主钟与恒温晶振相差测量单元、滤波单元、秒脉冲发生器以及主控单元均采用数字芯片实现。

5.根据权利要求1所述的主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，所述两个备钟包括一热备钟和一冷备钟，主钟与热备钟切换后，启动冷备钟替换失效钟。

6.一种主备卫星钟时频信号无缝切换方法，采用权利要求1所述主备卫星钟时频信号无缝切换装置，其特征在于，包括如下步骤： 

（1）对原子钟组输出的模拟频率信号进行采样得到三路数字化的采样信号； 

（2）从三路采样信号中选择主路信号和备路信号； 

（3）分别提取主、备钟频率和相位； 

（4）根据外部控制指令对主钟进行相位微调以及根据主备钟频差和相差测量结果的反馈对备钟进行相位微调，实现主备钟同步； 

（5）选择同步后的主钟信号，并测量主钟与恒温晶振相差； 

（6）对主备钟相差和频差测量值以及主钟与恒温晶振相差测量值进行实时监控，并在两测量值同时超过预先设定的阈值时，切换主钟与备钟。

7.根据权利要求6所述的主备卫星钟时频信号无缝切换方法，其特征在于，所述方法进一步包括，根据主钟与恒温晶振相差测量结果调整控制恒温晶振压控端电压，实现主钟和恒温晶振同步。

8.根据权利要求6所述的主备卫星钟时频信号无缝切换方法，其特征在于，所述原子钟组的两个备钟包括一热备钟和一冷备钟，步骤（6）中切换主钟与备钟即为切换主钟与热备钟，步骤（6）之后进一步包括：主钟与热备钟切换后，启动冷备钟替换失效钟。

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