CN103913987A - Gps授时系统及其获得精确时间基准的方法 - Google Patents

Abstract

一种GPS授时系统，包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出。本发明所涉及的GPS授时系统，不依赖卫星信号的时间，只是参考卫星信号的时间，依靠晶体振荡器产生时钟信号，通过边沿比较器比较和通过调整器不断修正和缩小与卫星信号的标准时间之间的偏差，最终得到精确的时间基准，同时该系统配置的温度传感器还能克服温度对时钟基准的影响。

Description

GPS授时系统及其获得精确时间基准的方法

【技术领域】

 本发明涉及自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时领域，尤其涉及GPS授时系统技术领域。

【背景技术】

GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传送给自动化系统需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置），这样就可以达到整个系统的时间同步。

随着计算机和网络通信技术的飞速发展，自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。

一个完整的GPS授时系统包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器（Pulse per second，即1pps=1Hz=1次/秒，GPS组合频率标准）、授时输出等部分组成。市场上常见的GPS授时系统通过GPS天线接收GPS卫星信号，输入信号到GPS接收器的输入端，而GPS接收器的输出端连接到计数器的输入端，计数器的输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出。其中采用晶体振荡器来保证系统的精准度，晶体振荡器分别连接到计数器和1PPS产生器。一般授时输出的1PPS信号经常直接采用GPS模块的1PPS信号输出，缺点：1、系统授时的准确度取决于GPS接收器的信号输出，当GPS接收器由于卫星信号劣化（如天气原因等）造成1PPS准确度下降甚至不可用时，整个授时系统的输出准确度将不能保证；2、当卫星信号不可用时，授时系统一般要求具备守时功能，即要求在卫星信号缺失的状态下在一定的时间内保持一定的准确度。普通的授时系统采用提高晶体振荡器的精度来保持准确度，这样做的缺点是造价高昂，要采用恒温晶振甚至是原子钟才能达到设计要求，而且随着时间的延长，晶体振荡器本身具备的老化等会造成频率发生变化、漂移等，会造成准确度下降。

【发明内容】

本发明针对以上情况提出了一种不依赖卫星信号、具备超长时间守时功能、且保持其系统时间精度的GPS授时系统，及其获得GPS精确时间基准的GPS授时系统。

本发明所涉及的GPS授时系统，包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其特征在于，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端；

该系统还包含一个温度传感器，该温度传感器的输出端与CPU控制器的输入端相连。

一种通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，使用GPS授时系统，该GPS授时系统包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其特征在于，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端；首先，1PPS产生器通过晶体振荡器的时钟信号产生1PPS信号，与GPS接收器的参考信号同时输入到边沿比较器，进行边沿比较，计算出时间偏差，输入到调整器，调整器根据偏差数据计算出调整参数输入到1PPS产生器，使得1PPS 产生器输出与参考信号之间的时间偏差变小；然后，重复上面的过程，最终使得1PPS产生器的输出与GPS参考信号之间的偏差保持在200ns内，实现与参考信号之间的“同步”；接下来，动态跟踪偏差数据，记录并通过算法计算调整参数，使得偏差值在允许范围内最终符合正态分布，偏差值符合正态分布的1PPS输出信号是理论的绝对准确时间；

该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括温度偏差校准过程，利用准确时间通过计数器测量晶体振荡器的频率偏差，同时测量温度传感器的温度，记录温度变化对晶体振荡器输出的影响，制作温度－频率曲线；利用该曲线结合温度传感器，对精确时间基准进行校准。

该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括丢失GPS卫星信号时的守时调整过程，在卫星信号劣化时切换到守时模式，守时模式下根据温度－频率曲线、偏差数据记录等历史数据动态调整1PPS产生器的输出，并在有卫星信号可用或者其他参考时钟可用时，恢复到正常模式。

本发明所涉及的GPS授时系统，不依赖卫星信号的时间，只是参考卫星信号的时间，并依靠晶体振荡器产生时钟信号，通过边沿比较器比较和通过调整器不断修正和缩小与卫星信号的标准时间之间的偏差，最终得到精确的时间基准，同时该系统配置的温度传感器还能克服温度对时钟基准的影响。

【附图说明】

图1是本发明所涉及的GPS授时系统现有技术示意图；

图2是本发明所涉及改进后的GPS授时系统示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。

请参考图2，其中示出GPS授时系统，包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端；

该系统还包含一个温度传感器，该温度传感器的输出端与CPU控制器的输入端相连。

一种通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，使用GPS授时系统，该GPS授时系统包括GPS天线、GPS接收器、振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其特征在于，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端；首先，1PPS产生器通过晶体振荡器的时钟信号产生1PPS信号，与GPS接收器的参考信号同时输入到边沿比较器，进行边沿比较，计算出时间偏差，输入到调整器，调整器根据偏差数据计算出调整参数输入到1PPS产生器，使得1PPS 产生器输出与参考信号之间的时间偏差变小；然后，重复上面的过程，最终使得1PPS产生器的输出与GPS参考信号之间的偏差保持200ns内，实现与参考信号之间的“同步”；接下来，动态跟踪偏差数据，记录并通过算法计算调整参数，使得偏差值在允许范围内最终符合正态分布，偏差值符合正态分布的1PPS输出信号是理论的绝对准确时间；

该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括温度偏差校准过程，利用准确时间通过计数器测量晶体振荡器的频率偏差，同时测量温度传感器的温度，记录温度变化对晶体振荡器输出的影响，制作温度－频率曲线；利用该曲线结合温度传感器，对精确时间基准进行校准。

该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括丢失GPS卫星信号时的守时调整过程，在卫星信号劣化时切换到守时模式，守时模式下根据温度－频率曲线、偏差数据记录等历史数据动态调整1PPS产生器的输出，并在有卫星信号可用或者其他参考时钟可用时，恢复到正常模式。

本发明所涉及的GPS授时系统，不依赖卫星信号的时间，只是参考卫星信号的时间，并依靠晶体振荡器产生时钟信号，通过边沿比较器比较和通过调整器不断修正和缩小与卫星信号的标准时间之间的偏差，最终得到精确的时间基准，同时该系统配置的温度传感器还能克服温度对时钟基准的影响。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种GPS授时系统，包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其特征在于，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端。

2.根据权利要求1所述GPS授时系统，其特征在于，该系统还包含一个温度传感器，该温度传感器的输出端与CPU控制器的输入端相连。

3.一种通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，使用GPS授时系统，该GPS授时系统包括GPS天线、GPS接收器、晶体振荡器、计数器、1PPS产生器、CPU控制器、授时输出模块，GPS天线连接GPS接收器的输入端，而GPS接收器的第Ⅰ输出端连接到计数器的输入端，计数器的第Ⅰ输出端连接到1PPS产生器的输入端，由1PPS产生器通过授时输出模块完成精确时间输出，其特征在于，其中GPS接收器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器的输入端，1PPS产生器的第Ⅱ输出端连接到边沿比较器，而边沿比较器的输出端连接到调整器的输入端，而计数器的第Ⅱ输出端连接到调整器的输入端；调整器的输出端连接到CPU控制器的输入端，而计数器的第Ⅲ输出端连接到CPU控制器的输入端；而CPU控制器的第Ⅰ输出端连接到授时输出模块，而CPU控制器的第Ⅱ输出端连接到1PPS产生器的输入端；首先，1PPS产生器通过晶体振荡器的时钟信号产生1PPS信号，与GPS接收器的参考信号同时输入到边沿比较器，进行边沿比较，计算出时间偏差，输入到调整器，调整器根据偏差数据计算出调整参数输入到1PPS产生器，使得1PPS 产生器输出与参考信号之间的时间偏差变小；然后，重复上面的过程，最终使得1PPS产生器的输出与GPS参考信号之间的偏差保持在200ns内，实现与参考信号之间的“同步”；接下来，动态跟踪偏差数据，记录并通过算法计算调整参数，使得偏差值在允许范围内最终符合正态分布，偏差值符合正态分布的1PPS输出信号是理论的绝对准确时间。

4.根据权利要求3所述通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，其特征在于，该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括温度偏差校准过程，利用准确时间通过计数器测量晶体振荡器的频率偏差，同时测量温度传感器的温度，记录温度变化对晶体振荡器输出的影响，制作温度－频率曲线；利用该曲线结合温度传感器，对精确时间基准进行校准。

5.根据权利要求3所述通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，其特征在于，该通过GPS授时系统获得精确时间基准的方法，还包括丢失GPS卫星信号时的守时调整过程，在卫星信号劣化时切换到守时模式，守时模式下根据温度－频率曲线、偏差数据记录等历史数据动态调整1PPS产生器的输出，并在有卫星信号可用或者其他参考时钟可用时，恢复到正常模式。