CN104330966A - 多模高精度时间、频率标准设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模高精度时间、频率标准设备；该设备中的多模信息融合模块的N个输入口分别与N个授时型卫星接收机连接，多相位锁相环频率控制模块含有多相位锁相环、多相位计数器和环路滤波器，高稳晶振与多相位锁相环的频率输入端连接，多相位锁相环产生的M个时钟信号给多相位计数器，计数后得到M个计数值，然后获得计数误差，再经过环路滤波器后得到控制量，高精度数模转换器将该控制量转换为电压信号后控制高稳晶振的频率；秒脉冲生成模块基于秒多模信息融合模块校正后的秒脉冲和高稳晶振的频率信号，重新产生秒脉冲；UTC输出编码模块对来自多模信息融合模块的UTC信息进行不同的编码和协议处理；本发明的准确度高。

Description

多模高精度时间、频率标准设备

 

    （一）、技术领域：本发明涉及一种时间、频率标准设备，特别是涉及一种

多模高精度时间、频率标准设备。

（二）、背景技术：精密的时间服务在国防、通信、电力、基础研究等领域有着广泛的应用需求，普通的基于石英钟的时间服务己不能满足高端要求，需要针对某些特定用户设计与其需求相适应的时间服务系统。高精度时间、频率标准装备能够提供高精度的时标和频标信号，它是很多通信、信号处理等电子设备的必备基础支撑装备。例如，高速数字通信对网同步的要求越来越高，己达纳秒级；战略导弹的发射、预警、雷达组网探测、自动化指挥等关系到国家安全的重大活动需要高精度和稳定的时间统一服务。

现阶段使用最为广泛的GPS授时系统的连续性、可用性和抗干扰性对于某些重要场合仍显得比较薄弱，具体表现在：(1)GPS接收机输出的时间信号长期稳定性好，短期稳定性差；(2)GPS接收机的抗干扰性能差，在电磁情况比较复杂的场合可能造成GPS时钟跳变。更为重要的是GPS可用性和授时精度受制于美国的GPS政策，美国可以在特殊时期关闭或干扰某些区域的GPS信号，以降低或终止该区域的导航定位、授时服务。为了摆脱在导航、授时领域对GPS系统的依赖，我国建立了自己的“北斗”卫星导航系统。随着“北斗二号”系统的构建日益完善，特别是该系统的GEO卫星具有多普勒小﹑频率稳定的特点，该系统非常适合作为时间、频率源信号。

现阶段主要的授时方法包括三种：

（1）短波授时；其授时精度只有±lms左右，在一些授时精度要求较高的场合无法满足使用。

（2）长波授时；国内长波授时台的授时精度能够达到+5μs。但长波授时也存在授时信息单一、不能自主授时等诸多局限。同时，如果授时台链数据重复周期较长时，用户要经过很长时间才能授时成功．不利于精确测量和实时授时。

（3）星基授时方式；主要是采用导航定位系统如GPS来进行授时，其精度可以达到50ns；授时时间一般小于5分钟。

基于导航定位系统的星基授时方式具有精度高，授时快的特点，是现阶段采用最为广泛的授时方式。

国内外有较多的基于GPS的授时模块和系统。如中国科学院长春光学精密机械与物理研究所基于Μ-blox的LEA-5T设计和实现了快速高精度授时系统，正常接收卫星信号的情况下，授时精度可达到30ns。可在恶劣天气（只见一颗星）情况下输出时间信号；实测同步信号精度为600ns。随着北斗系统的发展，我国一些单位和公司开始研发基于GPS和北斗系统的授时设备，如中国航天科工集团第二研究院706所研究并设计了一种授时定位设备，该设备不仅具备北斗、GPS卫星导航系统移动终端的各种功能特性，而且结合了B码、外校时等辅助授时功能，除此之外，还实现了高精度自守时功能。在硬件设计上，采用嵌入式ARM 体系结构进行了经济型设计，同时充分考虑了可靠性和维修性设计。在北斗或GPS天线架设在准开阔地时，设备加电启动后冷授时时间不大于3min，热启动后授时时间不大于2min。在同样条件下，设备加电冷启动后辅助定位时间不大于4min，时间同步误差不大于400ns，守时精度约为24小时1ms的误差。北京泰福特电子科技有限公司研发的HJ5435-BD GPS同步时钟，输出的频率稳定度为5╳10^-12/s；正常接收的情况下1pps的误差小于30ns；但该产品不能保证守时性能。

这些现有的设备的主要特点如下：

（1）只是对多种模式的1pps进行了优选和补充，没有进行真正的数据融合处理，对整个系统的性能提高不明显。

（2）对频率的控制精度不够，一般只能达到处理器的最高时钟速率，所以，时间和频率精度都不高，同时也导致其守时精度不高。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种准确度高的多模高精度时间、频率标准设备。

本发明的技术方案：一种多模高精度时间、频率标准设备，含有N个授时型卫星接收机、高稳晶振、高精度数模转换器、多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块，N为1或2或3，多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块均采用FPGA来实现；该设备的主要功能是产生高精度的时间和频率信号，输出时间信号主要是UTC时间及1pps，频率信号主要是10MHz时钟信号；

    多模信息融合模块的一个主要的特色就是融合了多个卫星导航定位系统的授时信息，传统的多模方式都是基于优选的方式，也就是在多个1pps源中优选一个作为参考源。多模信息融合模块采用融合机制将多种模式的信息进行融合，以提高系统的整体性能。多模信息融合模块的N个输入口分别与N个授时型卫星接收机的串口连接，多模信息融合模块中含有秒脉冲相位校正部分和UTC时间提取部分，秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲（1pps）是否可用，对可用的秒脉冲进行融合处理；UTC时间提取部分对来自多个授时型卫星接收机的UTC时间进行比对，以保证UTC时间的正确性，并对来自多个授时型卫星接收机的闰秒信息进行综合和比对，以保证进行及时的闰秒处理；

    多相位锁相环频率控制模块含有多相位锁相环、多相位计数器和环路滤波器，其采用多相位锁相环的方式来提高高稳晶振频率的精度；高稳晶振的频率输出端与多相位锁相环的频率输入端连接，多相位锁相环对高稳晶振产生的10MHz频率信号进行倍频，并产生相同频率、不同相位的M个时钟信号给多相位计数器，多相位计数器分别利用这M个时钟信号对秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲（1pps）进行计数，得到M个计数值，对这M个计数值进行平均，得到一个计数平均值，并将该计数平均值作为实际计数值与理论计数值进行比对，获得计数误差；如：对10MHz的输入频率20倍频到4个相位的200MHz时钟，由于晶振产生的频率的不准确性，4个时钟对输入的1pps的计数值分别是200000010、200000011、200000011、200000011，那么平均计数值是200000010.75，而理想的计数值是200000000，那么计数误差值就是10.75；计数误差经过环路滤波器后得到用来控制高稳晶振频率的压控值，将该压控值转换为相应的控制量后发送给高精度数模转换器，高精度数模转换器将该控制量转换为电压信号后控制高稳晶振的频率；经过多次调整，高稳晶振的频率误差会逐渐达到要求，其调整的过程是实时动态进行的；

多相位锁相环频率控制模块采样多个相位的同频时钟同时对1pps进行计数，这种计数方式相当于提高了计数的频率，如4个200MHz的多相时钟进行计数，相当于一个800MHz的时钟在进行计数，这种方式大大地提高了计数的精度，相应地也提高了晶振的控制精度；

秒脉冲生成模块基于秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲（1pps）和高稳晶振产生的准确度高的频率信号，重新产生高精度和高稳定性的秒脉冲（1pps）；当授时型卫星接收机输出的秒脉冲（1pps）可用并进行多模校正后，以此1pps作为基础相位源，以高精度频率作为1pps间隔计数源，产生新的1pps，该1pps具有相位准确、间隔准确的特点；

在授时型卫星接收机正常的情况下，其工作一段时间后即可获得较为准确的1pps的相位，将高稳晶振的误差控制在一个较小的范围，也就是晶振驯服完成后，该多模高精度时间、频率标准设备告知外部可以进行守时；在这种情况下，如果所有授时型卫星接收机的信号被遮挡或干扰，其1pps为不可用状态，秒脉冲生成模块进入守时模式，以现有的1pps的相位和频率进行1pps的产生，并告知外部，当前采用的是守时模式。

UTC输出编码模块对来自UTC时间提取部分的UTC信息进行不同的编码和协议处理，以适应不同的外部接口。

授时型卫星接收机含有GPS授时型接收机、北斗一代授时型接收机和北斗二代授时型接收机。GPS授时型接收机、北斗一代授时型接收机和北斗二代授时型接收机产生的1pps具有长稳特性好，短稳特性差的特点。短稳特性是指每个1pps的误差较大，最大可达到100ns；长稳特性是指累积误差很小，在正常接收足够多（四颗以上）的卫星信号，就不会有累积误差。而高稳晶振具有长稳特性差，短稳特性好的特点。双恒温槽晶振的短稳特性能够达到1.0E-10/s，但是误差会随着时间的增加而累积，一天的累积误差可以达到100μs级。该设备主要是利用导航接收机产生的时间信号的长稳特性和高稳晶振的短稳特性产生高精度的时间、频率标准。    

秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲是否可用的方法为：秒脉冲相位校正部分接收来自授时型卫星接收机的基于NMEA协议的信息，通过该信息判断授时型卫星接收机是否已经接收到足够的卫星信号并完成定位和定时工作，如果授时型卫星接收机已经完成定位和定时工作，并且用于定位和定时的卫星的GDOP小于5，则认为秒脉冲可用，否则认为秒脉冲不可用；

    对可用的秒脉冲进行融合处理的方法为：对各个授时型卫星接收机的秒脉冲信号先进行平衡滤波处理，以减小随机误差，然后采用最小二乘算法对来自多个模块的秒脉冲进行平差优化，以获得相位更加准确的秒脉冲信号，作为后续处理的基础。

UTC输出编码模块中的不同的编码含有符合网络授时标准NTP协议的IRIG-B串行编码和NMEA串行编码。

本发明的有益效果：

1、本发明融合了多种模式的卫星导航体制的信号，采用合理的融合算法获得比单一体制更好的时间、频率性能；采用多个同频相移频率信号进行晶振的驯服，提高了对晶振的控制精度；提供了良好的守时时频信号，在无法正常接收卫星信号的时候，以准确度高的1pps相位作为起始相位，以高精度和高稳定度的时钟作为频率源，产生递推的秒脉冲（1pps）和时间信号，以适应较短时间内信号丢失的情况；提供了多种时间发布接口，满足了多种外部应用接口。本发明能够对国防及国民经济领域提供精确、连续的时间服务，具有广阔的应用前景，还有助于提高我国北斗系统的自主应用能力。

2、本发明充分利用GPS和北斗系统各自的优势，融合了两种系统的时频标的长稳特性，利用高稳晶振的短稳特性，采用高速FPGA芯片、高精度DA芯片和时频控制算法，获得具有良好的长稳特性和短稳特性的时间、频率标准。

3、传统的多模方式都是基于优选的方式，也就是在多个1pps源中优选一个最为参考源；本发明采用融合机制和算法将多种模式的信息进行融合，以提高系统的整体性能，先判断各个卫星导航授时模块产生的1pps是否有效，并根据定位的GDOP值判断其置信度，给出其权值，然后采用成熟可靠的加权最小二乘算法对多个源产生的1pps进行平滑，以获得准确度较高的1pps信号，因此，本发明的算法复杂度较低。

4、本发明的多相位锁相环频率控制模块能够较大程度地提高整个设备的性能，高速FPGA同一个锁相环能够产生多达6个同频移相频率，其相位偏差很小，实现难度较小；用来控制外部晶振的锁频环路是一个一阶环路，其实现和调试的难度也较小。

（四）、附图说明：

图1为多模高精度时间、频率标准设备的结构框图；

图2为多模信息融合模块的结构框图；

图3为多相位锁相环频率控制模块的结构框图；

图4为多相位锁相环产生的同频多相时钟信号示意图；

图5为秒脉冲生成模块的结构框图。

（五）、具体实施方式：

多模高精度时间、频率标准设备（如图1所示）含有3个授时型卫星接收机、高稳晶振、高精度数模转换器、多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块，多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块均采用FPGA来实现；该设备的主要功能是产生高精度的时间和频率信号，输出时间信号主要是UTC时间及1pps，频率信号主要是10MHz时钟信号；

    多模信息融合模块（如图2所示）的一个主要的特色就是融合了多个卫星导航定位系统的授时信息，传统的多模方式都是基于优选的方式，也就是在多个1pps源中优选一个作为参考源。多模信息融合模块采用融合机制将多种模式的信息进行融合，以提高系统的整体性能。多模信息融合模块的3个输入口分别与3个授时型卫星接收机的串口连接，多模信息融合模块中含有秒脉冲相位校正部分和UTC时间提取部分，秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲（1pps）是否可用，对可用的秒脉冲进行融合处理；UTC时间提取部分对来自多个授时型卫星接收机的UTC时间进行比对，以保证UTC时间的正确性，并对来自多个授时型卫星接收机的闰秒信息进行综合和比对，以保证进行及时的闰秒处理；

    多相位锁相环频率控制模块（如图3所示）含有多相位锁相环、多相位计数器和环路滤波器，其采用多相位锁相环的方式来提高高稳晶振频率的精度；高稳晶振的频率输出端与多相位锁相环的频率输入端连接，多相位锁相环对高稳晶振产生的10MHz频率信号进行倍频，并产生相同频率、不同相位的4个时钟信号（如图4所示）给多相位计数器，多相位计数器分别利用这4个时钟信号对秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲（1pps）进行计数，得到4个计数值，对这4个计数值进行平均，得到一个计数平均值，并将该计数平均值作为实际计数值与理论计数值进行比对，获得计数误差；如：对10MHz的输入频率20倍频到4个相位的200MHz时钟，由于晶振产生的频率的不准确性，4个时钟对输入的1pps的计数值分别是200000010、200000011、200000011、200000011，那么平均计数值是200000010.75，而理想的计数值是200000000，那么计数误差值就是10.75；计数误差经过环路滤波器后得到用来控制高稳晶振频率的压控值，将该压控值转换为相应的控制量后发送给高精度数模转换器，高精度数模转换器将该控制量转换为电压信号后控制高稳晶振的频率；经过多次调整，高稳晶振的频率误差会逐渐达到要求，其调整的过程是实时动态进行的；

多相位锁相环频率控制模块采样多个相位的同频时钟同时对1pps进行计数，这种计数方式相当于提高了计数的频率，如4个200MHz的多相时钟进行计数，相当于一个800MHz的时钟在进行计数，这种方式大大地提高了计数的精度，相应地也提高了晶振的控制精度；

秒脉冲生成模块（如图5所示）基于秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲（1pps）和高稳晶振产生的准确度高的频率信号，重新产生高精度和高稳定性的秒脉冲（1pps）；当授时型卫星接收机输出的秒脉冲（1pps）可用并进行多模校正后，以此1pps作为基础相位源，以高精度频率作为1pps间隔计数源，产生新的1pps，该1pps具有相位准确、间隔准确的特点；

在授时型卫星接收机正常的情况下，其工作一段时间后即可获得较为准确的1pps的相位，将高稳晶振的误差控制在一个较小的范围，也就是晶振驯服完成后，该多模高精度时间、频率标准设备告知外部可以进行守时；在这种情况下，如果所有授时型卫星接收机的信号被遮挡或干扰，其1pps为不可用状态，秒脉冲生成模块进入守时模式，以现有的1pps的相位和频率进行1pps的产生，并告知外部，当前采用的是守时模式。

UTC输出编码模块对来自UTC时间提取部分的UTC信息进行不同的编码和协议处理，以适应不同的外部接口。

3个授时型卫星接收机分别为GPS授时型接收机、北斗一代授时型接收机和北斗二代授时型接收机。GPS授时型接收机、北斗一代授时型接收机和北斗二代授时型接收机产生的1pps具有长稳特性好，短稳特性差的特点。短稳特性是指每个1pps的误差较大，最大可达到100ns；长稳特性是指累积误差很小，在正常接收足够多（四颗以上）的卫星信号，就不会有累积误差。而高稳晶振具有长稳特性差，短稳特性好的特点。双恒温槽晶振的短稳特性能够达到1.0E-10/s，但是误差会随着时间的增加而累积，一天的累积误差可以达到100μs级。该设备主要是利用导航接收机产生的时间信号的长稳特性和高稳晶振的短稳特性产生高精度的时间、频率标准。    

秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲是否可用的方法为：秒脉冲相位校正部分接收来自授时型卫星接收机的基于NMEA协议的信息，通过该信息判断授时型卫星接收机是否已经接收到足够的卫星信号并完成定位和定时工作，如果授时型卫星接收机已经完成定位和定时工作，并且用于定位和定时的卫星的GDOP小于5，则认为秒脉冲可用，否则认为秒脉冲不可用；

    对可用的秒脉冲进行融合处理的方法为：对各个授时型卫星接收机的秒脉冲信号先进行平衡滤波处理，以减小随机误差，然后采用最小二乘算法对来自多个模块的秒脉冲进行平差优化，以获得相位更加准确的秒脉冲信号，作为后续处理的基础。

UTC输出编码模块中的不同的编码含有符合网络授时标准NTP协议的IRIG-B串行编码和NMEA串行编码。

Claims (4)

1.一种多模高精度时间、频率标准设备，其特征是：含有N个授时型卫星接收机、高稳晶振、高精度数模转换器、多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块，N为1或2或3；多模信息融合模块﹑多相位锁相环频率控制模块﹑秒脉冲生成模块和UTC输出编码模块均采用FPGA来实现；

   多模信息融合模块的N个输入口分别与N个授时型卫星接收机的串口连接，多模信息融合模块中含有秒脉冲相位校正部分和UTC时间提取部分，秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲是否可用，对可用的秒脉冲进行融合处理；UTC时间提取部分对来自多个授时型卫星接收机的UTC时间进行比对，以保证UTC时间的正确性，并对来自多个授时型卫星接收机的闰秒信息进行综合和比对，以保证进行及时的闰秒处理；

    多相位锁相环频率控制模块含有多相位锁相环、多相位计数器和环路滤波器，高稳晶振的频率输出端与多相位锁相环的频率输入端连接，多相位锁相环对高稳晶振产生的频率信号进行倍频，并产生相同频率、不同相位的M个时钟信号给多相位计数器，多相位计数器分别利用这M个时钟信号对秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲进行计数，得到M个计数值，对这M个计数值进行平均，得到一个计数平均值，并将该计数平均值作为实际计数值与理论计数值进行比对，获得计数误差；计数误差经过环路滤波器后得到压控值，将该压控值转换为相应的控制量后发送给高精度数模转换器，高精度数模转换器将该控制量转换为电压信号后控制高稳晶振的频率；

秒脉冲生成模块基于秒脉冲相位校正部分校正后的秒脉冲和高稳晶振产生的频率信号，重新产生秒脉冲； 

UTC输出编码模块对来自UTC时间提取部分的UTC信息进行不同的编码和协议处理，以适应不同的外部接口。

2.根据权利要求1所述的多模高精度时间、频率标准设备，其特征是：所述授时型卫星接收机含有GPS授时型接收机、北斗一代授时型接收机和北斗二代授时型接收机。

3.根据权利要求1所述的多模高精度时间、频率标准设备，其特征是：所述秒脉冲相位校正部分判断授时型卫星接收机产生的秒脉冲是否可用的方法为：秒脉冲相位校正部分接收来自授时型卫星接收机的基于NMEA协议的信息，通过该信息判断授时型卫星接收机是否已经接收到足够的卫星信号并完成定位和定时工作，如果授时型卫星接收机已经完成定位和定时工作，并且用于定位和定时的卫星的GDOP小于5，则认为秒脉冲可用，否则认为秒脉冲不可用；

    所述对可用的秒脉冲进行融合处理的方法为：对各个授时型卫星接收机的秒脉冲信号先进行平衡滤波处理，然后采用最小二乘算法对来自多个模块的秒脉冲进行平差优化，以获得相位更加准确的秒脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的多模高精度时间、频率标准设备，其特征是：所述UTC输出编码模块中的不同的编码含有IRIG-B串行编码和NMEA串行编码。