CN107505832B - 一种高精度授时系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度授时系统,以芯片级铷原子钟、多模授时型GNSS定位芯片、GNSS天线、ARM处理器、FPGA芯片、4G网络通信单元为硬件平台,搭建高精度授时系统,相较于现有授时方法提出了自适应频率调整算法、历元间高次差法计算钟差修正值算法,其具有PNT服务鲁棒性高、授时精度高、抗干扰性强的优点,有效的减少了FPGA平台对输出的1PPS信号较大的调整带来的信号抖动。整套系统包括主站和从站,实现了从站相对主站高精度授时,误差在3nS。适用于对多处设备间需要高精度同步控制场合。
Description
技术领域
本发明涉及多模多系统GNSS卫星授时领域,具体涉及一种高精度授时系统。
背景技术
科学技术的发展推动着授时技术的不断进步,授时的方法的进步与人们对高精度时间和时频的需求紧密相连。在GNSS卫星导航系统建设完善之后,使得大范围获取高精度授时服务更加便捷。精密授时技术在移动通信网络、电力系统、轨道交通、金融系统、智慧城市、航天、国防体系等领域有着很广泛的应用。
在移动通信网络、电力系统、轨道交通、金融系统、智慧城市、航天、国防体系等领域对精密的时钟同步有着很高的要求,普通的晶振、OXCO、TXCO、VCXO很难满足高精度同步控制领域的需求,值得注意的是高精度晶振随着使用时间推移,累积误差不断增大,晶振本身老化导致一定的频漂也是一个不可避免的问题。芯片级铷原子钟是原子振荡器中价格最低的,却又是性价比最高的振荡器,性能好于晶体振荡器,造价远小于铯原子振荡器。GNSS卫星单向授时,授时方法简单,信号覆盖广,所需接收机成本低,单向授时精度受伪距观测量所包含的各项误差影响,导致精度不高,在对授时精度要求较高的场合是不合适的。GNSS卫星共视授时精度可以达到3nS,标准共视时间间隔为16分钟,显然是不满足实时性,存在一定的局限性。
授时型多模GNSS定位模块输出1PPS秒信号具有随机误差和无累积误差的特点,而芯片级铷原子钟无随机误差但是存在是存在累积误差,结合两者优缺点,多模GNSS定位模块输出1PPS秒信号驯服芯片级铷原子钟得到高稳频率信息,并将本地时钟同步到标准时间UTC。
发明内容
综上所述,为克服现有技术存在的缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度授时系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种高精度授时系统,包括GNSS天线单元、多模授时型GNSS定位芯片单元、ARM处理器单元、芯片级铷原子钟单元和FPGA芯片单元;
所述GNSS天线单元,其用于接收GNSS卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号,再将转变成电压或电流信号发送给所述多模授时型GNSS定位芯片单元处理;
所述多模授时型GNSS定位芯片单元,其一方面用于观测北斗/GPS/GLONASS卫星信号,再把原始观测数据传递给ARM处理器单元;另一方面多模授时型GNSS定位芯片单元接收GNSS天线单元发送的信号,并将接收到的信号转变为1PPS信号输出到FPGA芯片单元;
所述ARM处理器单元,其用于解析多模授时型GNSS定位芯片单元观测数据,由加权最小二乘法算法解算得到GNSS定位芯片单元的位置和钟差,由历元间高次差法算法计算出钟差修正值,并将计算得到的钟差修正值上传至授时服务器单元;
所述芯片级铷原子钟单元,其用于输出高稳10M频率信号至FPGA芯片单元;
所述FPGA芯片单元,其一方面通过定时分频块对芯片级铷原子钟单元输出的高稳10M频率信号进行分频,并且通过接多模授时型GNSS定位芯片单元输出的1PPS秒脉冲信号对定时分频块提供一个复位信号,对定时分频块进行复位,以消除芯片级铷原子钟累积误差;另一方面FPGA芯片单元获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值,将本地时钟同步到UTC时钟。
本发明的有益效果是:该系统相较于现有授时方法提出了自适应频率调整算法、历元间高次差法计算钟差修正值算法,其具有PNT服务鲁棒性高、授时精度高、抗干扰性强的优点。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进:
进一步,所述多模授时型GNSS定位芯片单元内置有用以检测错误的GNSS测量的T-RAIM算法。
采用上述进一步方案的有益效果是:提高精度。
进一步,所述多模授时型GNSS定位芯片单元通过串口通信方式把原始观测数据传递给ARM处理器单元。
采用上述进一步方案的有益效果是:实现将卫星信号的原始观测数据传递给ARM处理器单元。
进一步,所述ARM处理器单元通过UART异步串行通信协议与多模授时型GNSS定位芯片单元通信交互数据。
采用上述进一步方案的有益效果是:实现ARM处理器单元与多模授时型GNSS定位芯片单元的数据交换。
进一步,所述FPGA芯片单元根据FSMC总线技术获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值。
采用上述进一步方案的有益效果是:实现FPGA芯片获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值。
进一步,还包括4G网络通信单元,所述ARM处理器单元根据AT指令操作将计算得到的钟差修正值通过4G网络通信单元上传至授时服务器单元,并且所述ARM处理器单元还通过4G网络通信单元从授时服务器单元获取数据。
采用上述进一步方案的有益效果是:实现ARM处理器单元与授时服务器单元之间的通信。
附图说明
图1为本发明的结构框图;
图2为ARM处理器单元钟差修正值解算算法流程图;
图3为FPGA芯片单元频率调整自适应算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示,一种高精度授时系统,包括GNSS天线单元、多模授时型GNSS定位芯片单元、ARM处理器单元、芯片级铷原子钟单元、FPGA芯片单元和4G网络通信单元。
1)GNSS天线单元
所述GNSS天线单元,其用于接收GNSS卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号,再将转变成电压或电流信号发送给所述多模授时型GNSS定位芯片单元处理。
2)多模授时型GNSS定位芯片单元
所述多模授时型GNSS定位芯片单元,其一方面用于观测北斗/GPS/GLONASS卫星信号,再通过串口通信方式与把原始观测数据传递给ARM处理器单元;另一方面多模授时型GNSS定位芯片单元接收GNSS天线单元发送的信号,并将接收到的信号转变为1PPS信号输出到FPGA芯片单元,多模授时型GNSS定位芯片单元内置有用以检测错误的GNSS测量的T-RAIM算法,输出1PPS信号,精度可以达到纳秒级,并且没有累积误差。
3)ARM处理器单元
如图2所示,所述ARM处理器单元,其通过UART异步串行通信协议与多模授时型GNSS定位芯片单元通信交互数据,并解析多模授时型GNSS定位芯片单元观测数据,由加权最小二乘法(WLS)算法解算得到GNSS定位芯片单元的位置和钟差,由历元间高次差法算法计算出钟差修正值,并将计算得到的钟差修正值上传至授时服务器单元。ARM处理器单元根据FSMC总线协议与FPGA芯片单元通信,进行读写操作,将钟差修正值写入FPGA芯片单元。
4)芯片级铷原子钟单元
所述芯片级铷原子钟单元,其用于输出高稳10M频率信号至FPGA芯片单元。芯片级铷原子钟单元可以产生具有优良短期和长期稳定度的频率信号,相比晶体振荡器具有更好的稳定度,可以在较少的校准情况下仍保持较好的偏差。
5)FPGA芯片单元
如图3所示,所述FPGA芯片单元,其一方面通过定时分频块对芯片级铷原子钟单元输出的高稳10M频率信号进行分频,并且通过接多模授时型GNSS定位芯片单元输出的1PPS秒脉冲信号对定时分频块提供一个复位信号,对定时分频块进行复位,以消除芯片级铷原子钟累积误差;另一方面FPGA芯片单元根据FSMC总线技术获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值,将本地时钟同步到UTC时钟。
先给频率字修正量设定一个初始值,并假设频率字修正量的改正步进为step,首次发送修正量时,发送的是频率字修正量的初始值,而是加还是减则有当前FPGA计数的快或慢决定;之后,每一次都根据前一次的ARM计时与FPGA计时的差值和本次的ARM计时与FPGA计时的差值做比较,如果本次的差值要小于前一次的差值,则证明当前的频率字修正值已经足够大了,否则要在当前频率字修正量的基础上加上step得到新的频率字修正量,此外还要考虑临界情况,即如果FPGA计数由比ARM计数快变成了比ARM计数慢或反之,则说明当前的频率字修正量过大,需要将当前的频率字修正量减去step;最终,通过对频率字修正量的自适应调整(即若修正不够,则程序自动加大修正量,若修正量过大,则程序自动减小修正量),从而理想情况下,频率字修正量会在0附近,一般不超过10。
6)4G网络通信单元
所述ARM处理器单元根据AT指令操作将计算得到的钟差修正值通过4G网络通信单元上传至授时服务器单元,并且所述ARM处理器单元还通过4G网络通信单元从授时服务器单元获取数据。
下面介绍给系统一个完整的工作流程:
多模授时型GNSS定位芯片单元通过GNSS天线单元接收GNSS卫星信号,通过UART异步串行通信协议将原始观测数据传递给ARM处理器单元,ARM处理器单元根据原始观测数据协议进行解析,计算GNSS定位芯片单元位置、GNSS定位芯片单元钟差,通过历元间高次差法计算钟差修正值。ARM处理器单元将计算得到的钟差修正值通过4G网络通信单元上传至授时服务器单元。芯片级铷原子钟单元输出10M高稳信号至FPGA芯片单元,FPGA芯片单元对其进行分频产生秒脉冲信号。多模授时型GNSS定位芯片单元输出1PPS信号到FPGA芯片单元,提供一个复位信号,对分频块进行复位,消除芯片级铷原子钟累积误差。FPGA芯片单元根据FSMC总线技术获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值,将本地时钟同步到UTC时钟。从站通4G网络通信单元可以远程访问授时服务器单元,获取钟差修正值,实现从站相对主站高精度授时。
芯片级铷原子钟输出高稳10M频率信号,多模授时型GNSS定位芯片输出无累积误差秒脉冲信号和原始卫星观测数据,ARM处理器与多模授时型GNSS定位芯片通信,根据芯片输出协议解析,得到观测文件和星历文件,由加权最小二乘(WLS)算法解算出接收机坐标和钟差数据,通过历元间高次差算法,计算钟差改正数,通过4G网络通信单元将这个钟差改正数上传服务器。ARM处理器通过FSMC总线技术与FPGA通信,进行读写操作。FPGA芯片定时分频块对芯片级原子钟高稳10M频率信号进行分频,GNSS芯片输出的秒脉冲信号提供一个复位信号,对分频块进行复位,消除芯片级铷原子钟累积误差,为了使得输出的PPS秒脉冲和GPS时间同步,可认为秒脉冲是一个跟踪通道,最底层是NCO控制字,NCO控制字基准速率为1MHz,NCO控制字进行累加溢出一次对应一个码片,溢出1000次也就是1000个码片代表1ms,那么1000个1ms就是1PPS秒脉冲。秒脉冲精度与NCO控制字绑定,控制字变大了或变小,秒脉冲也就被相应调整快一些或者慢一些,最终使得FPGA中输出的PPS与GPS时间同步。其中控制字的大小变化是根据:ARM处理器定位解算出的钟差修正值,这个修正值转化为每个FPGA的累加量,每秒调整一次。从站可以通过4G网络通信单元,远程访问服务器,获取钟差修正值,将本地时钟同步到主站,精度可达到由于3nS,可以满足对高精度时钟系统的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高精度授时系统,其特征在于,包括GNSS天线单元、多模授时型GNSS定位芯片单元、ARM处理器单元、芯片级铷原子钟单元和FPGA芯片单元;
所述GNSS天线单元,其用于接收GNSS卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号,再将转变成电压或电流信号发送给所述多模授时型GNSS定位芯片单元处理;
所述多模授时型GNSS定位芯片单元,其一方面用于观测北斗/GPS/GLONASS卫星信号,再把原始观测数据传递给ARM处理器单元;另一方面多模授时型GNSS定位芯片单元接收GNSS天线单元发送的信号,并将接收到的信号转变为1PPS信号输出到FPGA芯片单元;
所述ARM处理器单元,其用于解析多模授时型GNSS定位芯片单元观测数据,由加权最小二乘法算法解算得到GNSS定位芯片单元的位置和钟差,由历元间高次差法算法计算出钟差修正值,并将计算得到的钟差修正值上传至授时服务器单元;
所述芯片级铷原子钟单元,其用于输出高稳10M频率信号至FPGA芯片单元;
所述FPGA芯片单元,其一方面通过定时分频块对芯片级铷原子钟单元输出的高稳10M频率信号进行分频,并且通过接多模授时型GNSS定位芯片单元输出的1PPS秒脉冲信号对定时分频块提供一个复位信号,对定时分频块进行复位,以消除芯片级铷原子钟累积误差;另一方面FPGA芯片单元获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值,将本地时钟同步到UTC时钟。
2.根据权利要求1所述的高精度授时系统,其特征在于,所述多模授时型GNSS定位芯片单元内置有用以检测错误的GNSS测量的T-RAIM算法。
3.根据权利要求1所述的高精度授时系统,其特征在于,所述多模授时型GNSS定位芯片单元通过串口通信方式把原始观测数据传递给ARM处理器单元。
4.根据权利要求1所述的高精度授时系统,其特征在于,所述ARM处理器单元通过UART异步串行通信协议与多模授时型GNSS定位芯片单元通信交互数据。
5.根据权利要求1所述的高精度授时系统,其特征在于,所述FPGA芯片单元根据FSMC总线技术获取ARM处理器单元计算得到的钟差修正值。
6.根据权利要求1至5任一项所述的高精度授时系统,其特征在于,还包括4G网络通信单元,所述ARM处理器单元根据AT指令操作将计算得到的钟差修正值通过4G网络通信单元上传至授时服务器单元,并且所述ARM处理器单元还通过4G网络通信单元从授时服务器单元获取数据。
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