CN103605138A - 一种卫星导航接收机时钟修正方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型的卫星导航接收机时钟修正方法与装置。通过计数单元对1PPS秒脉冲进行计数，计数周期可根据时钟精度情况灵活调整；之后对计数结果进行滑动平均滤波，并计算出晶振的时钟偏差；AFC控制器将时钟偏差与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，DAC将调整电压值转换成模拟电压信号后输送给压控晶振，通过电压的变化调整晶振的频率输出；每次通过Flash存取，可随时获取最新的晶振校准值；当接收机重启或信号失锁，先对晶振时钟进行修正，从而减少信号捕获时的多普勒搜索范围。本发明提供的卫星导航接收机时钟修正方法与装置能提高晶振输出时钟精度，可加快接收机捕获信号速度，提高接收机定位精度。

Description

一种卫星导航接收机时钟修正方法与装置
技术领域
本发明涉及一种卫星导航接收机的时钟修正方法以及装置。 
背景技术
目前全球的卫星系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统和欧洲的Galileo系统，日本和印度也提出了各自的导航卫星系统计划。 
卫星导航接收机中的工作时钟都源自于接收机上的晶振，晶振的精度决定了接收机整个的时钟精度。若接收机的时钟精度偏差大，会导致各种严重的不良后果。例如：晶振频率的偏移在载波环上也引起一个明显的多普勒误差效应，也会导致卫星信号捕获的多普勒搜索范围加大，同时由于时钟漂移使得捕获计算的积分周期也会受到限制，从而导致接收机的信号接收灵敏度与接收机的定位精度都会受到影响。 
现在市面上的工业级晶体振荡器的频率精度大多在0.5ppm~20ppm，以一个10MHz的晶振为例，每秒钟的时钟误差为5~200个时钟周期。若这部分的时钟误差不进行很好的修正，将对卫星导航接收机性能带来严重的影响。 
1PPS秒脉冲是卫星导航接收机基于卫星信号解算出来的授时信号，由于卫星上带有高精度原子钟，所以卫星信号的精度可以达到非常高的量级。导航接收机产生的1PPS秒脉冲精度一般可达100~200ns，并且这个精度不随着时间的累积而减小。所以1PPS秒脉冲是进行本地晶振误差修正理想的参考源。 
发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下缺点： 
    1. 大多卫星导航接收机未对本地晶振进行有效的修正，导致接收机的时钟误差大，从而影响到了接收机性能；
    2. 现有的时钟校准技术中，也有基于1PPS秒脉冲来进行时钟校准的方案。但秒脉冲的高精度是统计意义下的，对一个具体的秒脉冲，其偏差可能达到200ns。另外，接收机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素，都可能造成秒脉冲的失真，如果直接使用秒脉冲信号来校准时钟，其精度只有10- 7 秒量级。
发明内容
本发明的目的在于解决现有卫星导航接收机中晶振时钟输出频率误差较大的问题，以及现有时钟校准方法的不足，提出了一种新型的卫星导航接收机时钟修正方法与装置。克服了传统接收机由于时钟精度不够，导致的卫星信号捕获时间长、信号接收灵敏度差与定位精度差等问题。 
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 
    首先通过计数单元对1PPS秒脉冲进行计数，计数周期可根据时钟精度情况灵活调整。之后将计数结果送给误差计算与控制模块，该模块对计数结果进行滑动平均滤波，并计算出晶振的时钟偏差。然后AFC控制器将时钟偏差ΔTa与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，不同的时钟偏差对应不同的AFC调整值。之后将晶振AFC调整值的数字信号通过AFC控制器发送给DAC，DAC进行数/模转换，调整电压值转换成模拟电压信号后输送给压控晶振，通过电压的变化调整晶振的频率输出，使得载波NCO和码NCO能够得到准确的时钟频率。另外，每次计算出AFC调整值后，通过Memory IF接口将最新的值存入卫星导航接收机的Flash芯片中，系统中随时保存最新的晶振校准值，当接收机重启或信号失锁需要重新捕获时，先对晶振进行修正，从而减少信号捕获时的多普勒搜索范围。
卫星导航接收机时钟修正方法包括以下步骤： 
    1. 使用晶振时钟对1PPS秒脉冲进行计数，在每个计数周期的第1个1PPS秒脉冲上升沿，将计数器的值存储下来，并将计数器清零并重新计数。每个计数周期下计算出的时钟周期数记为Tc。
2. 计数单元将每个计数周期的时钟数值Tc传递给误差计算与控制模块，误差计算与控制模块对N个计数周期的计数值进行移位累加。 
3. 计算晶振的时钟偏差，假设每个计数周期内理论上的时钟个数为Tr，则晶振的时钟偏差ΔTa=Tr-Ag。 
4. 根据不同晶振对AFC调整电压的敏感程度，AFC控制器将时钟偏差ΔTa与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，并生成映射表，不同的时钟偏差对应不同的AFC调整值。 
5. 将晶振AFC调整值的数字信号通过AFC控制器发送给DAC，DAC再进行数/模转换，调整电压值转换成模拟电压信号后输送给压控晶振，通过电压的变化调整晶振的频率输出，从而修正晶振的偏差，输出频率更加精确的时钟。 
6. 每次计算出AFC调整值后，通过Memory IF接口将最新的值存入卫星导航接收机的Flash芯片中，接收机每次掉电后，都从Flash中读出接收机掉电前的晶振最新的AFC调整值。 
本发明所述的1PPS秒脉冲，是指卫星导航接收机根据卫星上的高精度原子钟产生的卫星信号计算出来的授时信号。 
本发明所述的计数值移位累加，是指对N个计数值进行相加，同时移入最新的计数值，移出最老的计数值。以保证计算出的平均值为最新数据，即最接近真实值的数据。 
本发明所述的AFC调整值，是指对本地晶振的控制数据，通过调整控制数据可调整晶振的输出频率精度。 
本发明的有益效果是： 
1. 采用1PPS秒脉冲上升沿计数并将上一次的计数结果清零，可以有效控制计数器的位宽，节省硬件资源。同时，计数的小数部分不会被丢弃，而是累积到了下一次的计数结果，以此类推，长时间的累积计数可以大大提高计数精度。
2. 累积计数周期可调整，可进行灵活配置。短时间的计数周期可减少运算时间，提高时钟修正的速度；长时间的计数周期可减小误差，提高计算精度。卫星导航接收机可根据自身不同的使用环境与技术要求，采用灵活的配置。 
3. AFC控制器将时钟偏差ΔTa与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，生成映射表，每次计算出时钟偏差后，从表中即可查出AFC调整值，不用每次都去计算AFC调整值。这种方式方便快捷，可以大大减小运算量。 
4. 接收机每次掉电后，都从Flash存储器中读出接收机掉电前的晶振最新的AFC调整值。这样可利用掉电前保存的最新时钟修正值快速修正晶振本地误差，使得接收机在刚开机时就能获得较高的时钟精度。 
5. 本发明解决了现有卫星导航接收机中晶振时钟输出频率误差较大的问题，可使本地晶振的时钟精度提高1个数量级，克服了传统接收机由于时钟精度不够，导致的卫星信号捕获时间长、信号接收灵敏度差与定位精度差等问题。 
附图说明
    为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例描述中的所需要使用的附图做简单的介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为卫星导航接收机时钟修正装置的电路结构图； 
    图2为N个计数周期的移位累加原理图。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。 
实施例一 
       本发明实施例提出的卫星导航接收机时钟修正装置的电路结构如图1所示，下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：
       一种卫星导航接收机时钟修正方法包括以下步骤：
       1. 使用晶振时钟对1PPS秒脉冲进行计数，计数周期可通过误差计算模块进行设置，计数周期均为1PPS秒脉冲的整数倍。在每个计数周期的第1个1PPS秒脉冲上升沿，将计数器的值存储下来，然后将计数器清零并重新计数。每个计数周期下计算出的时钟周期数记为Tc，即计数周期包含了Tc个1PPS秒脉冲。
2. 计数单元将每个计数周期的时钟数值Tc传递给误差计算与控制模块，误差计算与控制模块对N个计数周期的计数值进行移位累加。如附图2所示，移位的方法是：将最新的计数值放到Tc(1)，然后将原Tc(1)的值移到Tc (2)，原Tc (2)的值移到Tc (3)，依次移位，最后Tc (N)的值被Tc (N-1)替换，原Tc (N)的值移出。累加结果Sum=Tc (1)+ Tc (2)+...+ Tc (N-1)+ Tc (N)。 
3. 然后计算计数平均值，平均值Ag=Sum/N。每个计数周期都会更新一次平均值，以便得到最准确的晶振校准值。即计数周期都做一次平均滤波计算。 
4. 计算晶振的时钟偏差。设每个计数周期内理论上的时钟个数为Tr，则晶振的时钟偏差ΔTa=Tr-Ag。 
5. AFC调整值映射：根据不同晶振对AFC调整电压的敏感程度，AFC控制器将时钟偏差ΔTa与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，并生成映射表，每次计算出时钟偏差后，从表中即可查出AFC调整值，不同的时钟偏差对应不同的AFC调整值。具体对应关系根据各种晶振的不同性能指标确定。映射方法为：1）设晶振需调整的频率数为Δf（Hz），时钟标准频率为F（Hz），则Δf=ΔTa*F/Tr；2）根据晶振的数据手册，映射Δf对应的调整AFC调整值。 
6. 晶振时钟的调整：将晶振AFC调整值的数字信号通过AFC控制器发送给DAC，DAC再进行数/模转换，调整电压值转换成模拟电压信号后输送给压控晶振，通过电压的变化调整晶振的频率输出，从而修正晶振的偏差，输出频率更加精确的时钟。 
7. 对Flash芯片进行AFC调整值的存取：每次计算出AFC调整值后，通过Memory IF接口将最新的值存入卫星导航接收机的Flash芯片中，Flash芯片可以保证在系统掉电后数据不丢失。接收机每次掉电后，都从Flash中读出接收机掉电前的晶振最新的AFC调整值，这样接收机每次开机后都能对本地晶振的时钟偏差进行修正，消除大部分的频率误差，这样接收机从一开始就能修正晶振频率误差，从而加快接收机的卫星信号捕获时间，并提高接收机的首次定位精度。之后系统会按照上面的步骤计算最新频率修正值，从而修正剩余的小部分频率误差。系统中随时保存最新的晶振校准值，当接收机重启或信号失锁需要重新捕获时，先对晶振进行修正，从而减少信号捕获时的多普勒搜索范围。 
上述本发明实施例所述方法和装置适用于中国北斗2代、美国GPS、俄罗斯GLONASS以及欧洲Galineo卫星导航系统的接收机。 
综上所述，本发明实施例实现了一种新型的卫星导航接收机时钟修正方法，解决了现有卫星导航接收机中晶振时钟输出频率误差较大的问题，可使本地晶振的时钟精度提高1个数量级。解决了现有时钟校准方法的不足，克服了传统接收机由于时钟精度不够，导致的卫星信号捕获时间长、信号接收灵敏度差与定位精度差等问题。采用本发明实施例的卫星导航接收机在掉电重启后，仍能利用掉电前保存的最新时钟修正值快速修正晶振本地误差，使得接收机在刚开机时就能获得较高的时钟精度。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应包括在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (10)

1.一种卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，包括：
    使用晶振时钟对1PPS秒脉冲进行计数；
    对N个计数周期的计数值进行移位累加，并计算计数平均值；
    计算晶振的时钟偏差；
    将时钟偏差与晶振AFC调整值进行量化与映射，并生成映射表；
    AFC调整值的数字信号通过DAC输送给压控晶振，从而修正晶振的偏差；
    通过Memory IF接口将最新的值存入卫星导航接收机的Flash芯片中，接收机每次掉电后，都从Flash中读出接收机掉电前的晶振最新的AFC调整值。
2. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，晶振时钟对1PPS秒脉冲进行计数，在每个计数周期的第1个1PPS秒脉冲上升沿，将计数器的值存储下来，并将计数器清零并重新计数。
3. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，误差计算与控制模块对N个计数周期的计数值进行移位累加，将最新的计数值移入移位寄存器组，依次类推，最老的数据被移出移位寄存器，每次数据更新后都将对移位寄存器组中的所有数值进行累加。
4. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，每个计数周期都会更新一次平均值，以便得到最准确的晶振校准值，即每个计数周期都会做一次平均滤波。
5. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，计算晶振的时钟偏差等于每个计数周期内理论上的时钟个数减去最新计算出的计数平均值。
6. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，根据不同晶振对AFC调整电压的敏感程度，AFC控制器将时钟偏差与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，并生成映射表，不同的时钟偏差对应不同的AFC调整值。
7. 如权利要求1所述的卫星导航接收机时钟修正的方法，其特征在于，每次计算出AFC调整值后，通过Memory IF接口将最新的值存入卫星导航接收机的Flash芯片中，接收机每次掉电后，都从Flash中读出接收机掉电前的晶振最新的AFC调整值。
8. 一种卫星导航接收机时钟修正的装置，其特征在于，包括：
    计数单元，用于对1PPS秒脉冲进行计数；
    误差计算与控制模块，用于对计数结果进行滑动平均滤波，并计算晶振的时钟偏差；
    AFC控制器，用于将时钟偏差与晶振AFC调整电压值进行量化与映射，不同的时钟偏差对应不同的AFC调整值，并将调整值发送给DAC；
    Memory IF，用于与Flash存储器相连，进行数据的存取；
    DAC，用于进行数/模转换，将调整值转换成模拟电压信号后输送给压控晶振；
    晶振，用于产生时钟信号，提供给载波NCO和码NCO，以及装置中的计算电路；
    Flash存储器，用于存储AFC调整值，即使掉电情况下，数据也不丢失。
9. 如权利要求8所述的卫星导航接收机时钟修正的装置，其特征在于，计数单元的计数周期可灵活调整。
10. 如权利要求8所述的卫星导航接收机时钟修正的装置，其特征在于，误差计算与控制模块同时与AFC控制器与Flash相连：系统不掉电时，误差计算与控制模块直接传递数据给AFC控制器；系统掉电时，误差计算与控制模块通过Memory IF从Flash存储器中获取AFC调整值，即使掉电的情况下Flash中存储的数据也不丢失。
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