CN103529690A - 一种接收北斗卫星时间的挂钟及挂钟时间校对方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接收北斗卫星时间的挂钟及挂钟时间校对方法，主要解决了现有室内挂钟无法接收北斗卫星信号进行时间校对的问题。该接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对的方法包括以下步骤：1]收北斗卫星信号，2]对步骤1得到的标准时间信息进行处理并发送至室内挂钟；3]室内挂钟接收带并提取时间信息；4]对本地时间进行校准。该接收北斗卫星时间的挂钟包括北斗接收单元和北斗挂钟，北斗接收单元将接收到的时间信号转换后传送至北斗挂钟，北斗挂钟对接收到的信号进行解码后完成时间校对。本发明通过将北斗时间与室内挂钟进行结合，有效地提高了室内挂钟时间的可靠性和精确性，结构及原理简单，成本低，适合大规模推广应用。

Description

一种接收北斗卫星时间的挂钟及挂钟时间校对方法

技术领域

本发明涉及一种挂钟的时间校对方法及应用该方法的挂钟，具体涉及一种通过接收北斗卫星时间来进行时间校对的方法和应用该方法的挂钟。

背景技术

石英挂钟相对于传统的机械式挂钟是一种低成本的时间设备，由于走时精准、耗电量小且经久耐用，被广泛应用于日常生产生活中。普通石英挂钟使用普通的晶体振荡器作为计时的基准信号。由于普通晶体振当器本身的振荡频率存在固有偏差，且频率的稳定性受电路老化和环境温度等因素的影响，振荡器的频率也会因时间推移以及温度变化发生微小的变化。因此由晶振产生的基准计时信号必然存在误差，这种误差最终会导致时间误差不断累积，故其计时精度很有限。而这类普通挂钟又无法完成自动校准，给人们的使用带来不便。

2012年12月27日北斗卫星导航系统正式启动亚太区域运营服务，标志着我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统亚太区域组网全面完成。北斗卫星导航系统以时间的方式表达卫星和用户的运动轨迹，是描述宇宙事件的空间和时间基准。时间系统是北斗卫星导航体制的主要元素。在北斗卫星导航系统中，时间系统维持卫星之间、卫星与地面控制系统之间、以及卫星与用户之间的时间同步。

北斗卫星导航的时间系统由具有高精度、高稳定度的原子钟组成。由地面控制系统的氢原子或铯原子钟向主运行钟提供时间与频率微调参数，使主运行钟保持极高的长期稳定性。主运行钟与各地面站和卫星原子钟进行时间比对，确保所有时钟保持高度同步。

北斗授时型接收机通过接收卫星发送的卫星信号，并对卫星信号进行处理得到一个与卫星钟同步的授时时标。理想的授时时标是一个与卫星钟完全相同的时标。但是，因为卫星信号要穿过复杂的、时刻变化着的电离层和对流层到达接收机，同时到达的信号还有地面的反射信号，接收机电路本身还有热噪声和随温度、工作电压变化的电路延迟，以及处理系统的处理算法等多种因素制约，很难得到一个理想的时标信号。表1给出卫星授时的主要误差源。

表1 卫星授时主要误差源

授时时标信号为正脉冲信号，其上升沿时刻为该卫星信号的参考时标时刻。从时标合成角度来讲，首先对定时精度影响的是频率准确度和稳定度。频率准确度是一个静态指标，可以通过误差补偿处理，而频率稳定度相对复杂。通过以上描述的授时接收机整个信号传输链路分析，授时精度可以表述为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{E}=\sqrt{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{E}_i}\≈34\mathrm{ns}$

北斗卫星钟误差修正，卫星钟误差有三个主要误差源：卫星钟随机漂移，卫星群延迟和控制部分精确估计及预测卫星钟漂移的能力不足。通过控制段对星历进行加注，可将误差控制在15ns以内。

北斗星历误差修正，星历误差是广播星历参数给出的卫星位置与卫星的实际位置之差。由于卫星受到多种摄动力的作用，地面观测站难以精确定轨，总有误差存在；同时接收机接收到的卫星星历总是一个过了时的数据。通过推算，由星历误差产生的距离测量误差缩小到1.5米，对授时精度的影响小于5ns。

多普勒效应修正，多普勒效应就是卫星和接收机之间的相对运动速度引起多普勒频移，从而产生相对应的延迟。

相对论效应修正，相对论效应是卫星钟由于卫星在地球上空高速移动，产生的频率漂移。为了保证时间传输精度达到纳秒级，相对论效应不能忽略。一是狭义相对论效应，即卫星相对地球高速运动，卫星钟的实际频率对于地球上的观测者来说有差异。二是广义相对论效应（也称为引力频率效应），不同等位面上的卫星钟，由于引力的不同，导致频率的不同。

电离层延迟误差修正，电离层延迟误差是由于信号传播通路上累积的自由电子和正离子引起的，依赖于电离层的性质和观察的仰角。单频北斗接收机可采用广播的Klobuchar模型来计算电离层延迟，广播模型可以将电离层造成的测量误差减少50%。

对流层误差修正，对流层误差是由于在信号传播空间的水蒸汽和其它大气成分引起的，对流层修正模型有霍普菲尔德（Hopfield）模型和萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型。采取以下措施减少对流层的影响：

多径效应修正，多路径误差取决于反射物距测站的距离和反射系数，以及卫星信号的方向等条件的制约，无法建立准确的改正模型，但是可以通过有效的措施，减少多路径效应的影响。

北斗授时型接收机误差修正：北斗授时型接收机内部误差包含两方面，一种是系统误差，即从天线到秒脉冲（1PPS）生成的电路延时，也称为设备零值，用精确测定的方式来修正；另一种是随机误差，主要指接收机噪声和分辨率以及接收机时钟偏差引起的授时误差。

北斗接收机的跟踪环会产生测量误差，就非相干延迟锁定环而论，主要的伪距测量误差源有热噪声颤动和动态应力误差。码分辨率及本地时钟的偏差及稳定度也是误差源。接收机噪声和分辨率主要影响接收机的载波相位测量。

北斗接收机各通道的延时一致性控制，可以采用时分复用技术，内部包含一路路完全独立的信号处理通道，来完成伪码捕获和跟踪。然后采用提高本地时钟频率的办法，使硬件电路在时间上分别处理各颗卫星，所以理论上消除了不同通道的时延不一致性。

北斗授时型接收机中的本地时钟源采用TCXO，TCXO的短稳特性好。本地时钟的固有时差通过时钟驯服技术加以调整。接收系统中利用TCXO的短稳特性好以及卫星信号的长稳特性好的优势，来恢复出稳定、可靠的时标信号。

北斗授时型接收机也要进行卫星的完好性检测，及时滤除不可用的卫星的信息。

在此基础上建立起的北斗时间具有非常高的时间精度。此外，北斗卫星所播发的卫星信号中不仅包含了北斗时间，还包括了星载原子钟的修正参数，因此可通过接收到的修正参数对北斗时间进行进一步修正，从而得到更精确的时间。然而，北斗时间是通过卫星信号播发的，但在室内很难甚至无法接收到卫星信号，故主要在室内使用的普通挂钟就难以直接获得北斗时间信息。

发明内容

本发明涉及一种接收北斗卫星时间的挂钟及挂钟时间校对方法，主要解决了现有室内挂钟无法接收北斗卫星信号进行时间校对的问题。

本发明的具体技术解决方案如下：

该接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对的方法包括以下步骤：

1]收北斗卫星信号，并从接收到的卫星信号中解算出标准时间信息消息，同时得到1PPS信号的输出，并对该1PPS的输出进入步骤2处理；

2]对步骤1得到的标准时间信息进行封装，得到在1PPS信号的上升沿发送标准时间信息帧，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间；然后将带有标准时间信息帧及1PPS定时信息的数据发送至步骤3处理；

3]室内挂钟接收带有标准时间信息帧及1PPS定时信息的数据，然后对接收到的数据进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

4]用标准时间信息及1PPS定时信息对本地时间进行校准。

上述步骤1至4中，所有的数据及信息发送均采用无线传输。

上述标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用消息类型和消息ID两级的方式对消息进行分类；bit0代表字节中的最低有效位，每个字节发送时，bit0最先发送；对于超过一个字节的消息长度域和尽负荷域，需遵循Big Endian规范。

上述标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据，其具体包括：2个字节的帧头，2个字节的消息头，2个字节的消息长度域，16个字节的净负荷域，以及1个字节的帧校验序列域。

该接收北斗卫星时间的挂钟包括北斗接收单元和北斗挂钟，北斗接收单元将接收到的时间信号转换后传送至北斗挂钟，北斗挂钟对接收到的信号进行解码后完成时间校对。

上述北斗接收单元包括依次连接的用于接收北斗卫星时间信号的北斗接收机、将时间信号进行封装转换为标准时间信息帧的封装模块和用于将标准时间信息域和标准时间信息发送至北斗挂钟的无线发射模块。

上述北斗挂钟包括依次连接的用于接收北斗接收单元发送的信号的无线接收模块、将接收到的标准时间信息帧解封装为标准时间信息的解封装模块和具有时间校对功能的时钟。

本发明的优点如下：

本发明通过将北斗时间与室内挂钟进行结合，有效地提高了室内挂钟时间的可靠性和精确性，结构及原理简单，成本低，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明结构原理图；

图2为本发明1PPS和标准时间信息帧；

图3为标准时间信息帧的结构。

具体实施方式

本发明的主要作用就是要将普通挂钟和北斗时间结合起来，实现一种能够在室内接收北斗时间且能够完成自动校准的北斗挂钟。具体实现方案示意图如图1所示：

系统工作的主要步骤如下：

位于户外的具有无线发射功能的北斗授时型接收机接收北斗卫星信号，并从接收到的卫星信号中解算出“标准时间信息消息”，同时得到1PPS（1 Pulseper Second）输出；

具有无线发射功能的北斗授时型接收机在1PPS的上升沿以无线方式发送“标准时间信息帧”，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间。如图2所示。

位于室内的具有无线接收功能的北斗挂钟接收带有标准时间信息及1PPS定时信息的无线信号；

对接收到的数据进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

具有时间校准功能的时钟电路借助得到的“标准时间信息”及“1PPS定时信息”对本地时间进行校准；

在特定的时间周期内，对挂钟时间进行周期性地校准。

标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用“消息类型”和“消息ID”两级的方式对消息进行分类。bit0代表字节中的最低有效位（LSB），每个字节发送时，bit0最先发送。对于超过一个字节的域（消息长度域和尽负荷域），需遵循Big Endian规范。

标准时间信息帧的结构如图3所示。“标准时间信息消息帧”的解释如下：

帧头：由帧头1（SYNC CHAR 1）和帧头2（SYNC CHAR 2）两个字节组成。SYNC CHAR 1:一个字节固定数值0x43表示，表示ASCII码中“C”字符。SYNC CHAR 2:一个字节固定数值0x4D表示，表示ASCII码中“M”字符。

消息头：由消息类（CLASS）和消息ID两个字节组成。CLASS：消息类规定了标准时间信息消息的基本分类，一字节长度。ID：消息ID定义了具体标准时间信息消息的编号，一字节长度。

消息长度域：由两个字节组成。消息长度域计算的有效范围只包括消息的净负荷（payload），不包含帧头、消息头、消息长度域和帧校验序列域。

净负荷域：消息内容，由16个字节组成。

帧校验序列（FCS）域：由一个字节组成。帧校验范围包括消息头、消息长度域和净负荷域，不包含帧头。帧校验序列的生成多项式为：

G(x)=x⁸+x⁵+x⁴+1。

帧校验码初始值设置为0xFF，输入数据无需取反。校验算法采用右移算法。输出校验数据无需取反。校验字节发送时，最低有效位bit0最先发送，与数据字节一致。

Claims (7)

1.一种接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1]收北斗卫星信号，并从接收到的卫星信号中解算出标准时间信息消息，同时得到1PPS信号的输出，并对该1PPS的输出进入步骤2处理；

2]对步骤1得到的标准时间信息进行封装，得到在1PPS信号的上升沿发送标准时间信息帧，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间；然后将带有标准时间信息帧及1PPS定时信息的数据发送至步骤3处理；

3]室内挂钟接收带有标准时间信息帧及1PPS定时信息的数据，然后对接收到的数据进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

4]对标准时间信息及1PPS定时信息对本地时间进行校准。

2.根据权利要求1所述的接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对方法，其特征在于：所述步骤1至4中，所有的数据及信息发送均采用无线传输。

3.根据权利要求1所述的接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对方法，其特征在于：所述标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用消息类型和消息ID两级的方式对消息进行分类；bit0代表字节中的最低有效位，每个字节发送时，bit0最先发送；对于超过一个字节的消息长度域和尽负荷域，需遵循Big Endian规范。

4.根据权利要求1所述的接收北斗卫星时间进行挂钟时间校对方法，其特征在于：所述标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据，其具体包括：2个字节的帧头，2个字节的消息头，2个字节的消息长度域，16个字节的净负荷域，以及1个字节的帧校验序列域。

5.一种接收北斗卫星时间的挂钟，其特征在于：包括北斗接收单元和北斗挂钟，北斗接收单元将接收到的时间信号转换后传送至北斗挂钟，北斗挂钟对接收到的信号进行解码后完成时间校对。

6.根据权利要求5所述的接收北斗卫星时间的挂钟，其特征在于：所述北斗接收单元包括依次连接的用于接收北斗卫星时间信号的北斗接收机、将时间信号进行封装转换为标准时间信息帧的封装模块和用于将标准时间信息域和标准时间信息发送至北斗挂钟的无线发射模块。

7.根据权利要求6所述的接收北斗卫星时间的挂钟，其特征在于：所述北斗挂钟包括依次连接的用于接收北斗接收单元发送的信号的无线接收模块、将接收到的标准时间信息帧解封装为标准时间信息的解封装模块和具有时间校对功能的时钟。

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