CN109525351B - 一种用于与时间基准站实现时间同步的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于与时间基准站实现时间同步的设备，其包括：信号源模块，其用于生成参考频率信号和第一时间信号；卫星卡，其用于实时地接收卫星信号、输出卫星卡数据和第二时间信号；时间间隔计数器模块，其用于通过第一通道接收第一时间信号、通过第二通道接收第二时间信号、测量第一和第二时间信号之间的第一时差值；远程数据传输模块，其用于实时地接收时间基准站发送的基准时间的星地钟差数据；主控模块，其用于实时地采集卫星卡数据、第一时差值以及星地钟差数据，并且由此生成时差结果数据，信号源模块根据时差结果数据实时地调整参考频率信号，从而使得参考频率信号与基准时间实现同步。本发明可以实时地进行时间同步并且具有更强数据保密性。

Description

一种用于与时间基准站实现时间同步的设备

技术领域

本发明属于卫星授时技术领域，具体涉及一种用于与时间基准站实现时间同步的设备。

背景技术

在时间同步方面，随着通信技术等行业的不断发展，其对时间同步性能提出了更高的要求，比如，近期人们提出的利用基站提供定位服务要求，时间同步精度要求在±200ns左右，LTE-Advanced(Long Term Evolution) 的关键技术CoMP-JP(Cooperativemultiple point-Joint processing)多点协同传输处理中要求相邻基站间的相对时间精度在±500ns左右；未来 5G(5th-Generation)移动通信技术，可能需要几百纳秒量级的超高精度时间同步需求；又如，更远期的量子通信技术，需要精度极高的时间测量技术，以降低量子通信系统的误码率，提高其成码率，可能需要百纳秒以内的时间同步精度。目前基于1588V2技术实现的高精度时间同步，只能满足微秒量级的时间同步需求，但无法满足上述百纳秒甚至更高精度的时间同步需求。因此有必要开展超高精度的时间同步技术研究，以满足目前及未来超高精度的时间同步需求。

但对于用户来说，其比较关注的是所使用的信号的同步质量，而非具体实现过程，故需要研制一种设备，结合硬件实现与软件算法实现，一揽子来为用户直接提供所需要的高精度时频信号。

另外，在一个同步区域内，原则上同步网内所有设备的时钟都应最终溯源到一个基准时钟上。因此，该基准时钟必须保证具有满足相应标准要求的性能，方可保证全网的同步质量。目前各运营单位普遍缺少专用的此类高精度监测设备。时钟同步网高精度频率检测和运行性能指标的有效验证，不仅是未来同步网的发展方向，也是目前通信等行业的突出薄弱环节之一。

例如，国家标准时间(Coordinated Universal Time,National Time ServiceCenter，UTC(NTSC))远距离异地复现是国家授时中心根据当前具备的装置资源条件，以及结合市场对高精度时频信号、时间溯源等服务需求，提出的一种新概念。如何经济有效地实现这种远距离实时异地恢复国家标准时间的监测设备，就是发明研究解决的关键。

现有通信等行业的时间同步网内基准时钟源主要使用铯原子钟、GPS 可驯钟，由于性能评估因为缺乏高精度的测试手段，因此常采用自我监视，这种测试方法存在缺陷，只能判断设备是否工作，而对输出信号性能变化没办法表征，如输出信号频率、时间偏移不能被正确体现，可能导致整个同步网时钟不准。

现有技术中的时间同步设备只支持一种溯源模式，所以设备的灵活性差，不能根据客户的需求进行工作模式的灵活配置，没有异常处理机制，当卫星卡不可用时，设备直接瘫痪。

再者，现有技术中的时间同步设备的共视周期以10分钟或其整数倍进行设置，不能实现任意共视周期的设置，从而对设备所用信号源的类型进行了限制。

另外，在现有技术的时间同步设备中，远程数据传输模块负责将本地的星地钟差数据发送出去，不具备保密性，数据容易泄露丢失，且其数据传输工作模式为多对一，所有用户的数据都需要发送到数据处理中心进行处理，增加了数据处理中心的负荷，当在线用户站多时，数据处理中心会造成不必要的延迟。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种与时间基准站实现时间同步的设备，其可以实时地进行时间同步、根据信号类型和客户的需求切换工作模式、并且具有更强数据保密性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于与时间基准站实现时间同步的设备，该设备包括：信号源模块，其设置用于生成参考频率信号和第一时间信号；卫星卡，其设置用于接入所述参考频率信号、在所述参考频率信号的驱动下实时地接收卫星信号、并且输出卫星卡数据和第二时间信号；时间间隔计数器模块，其设置为包括第一通道、第二通道和第三通道，并且用于通过所述第一通道接收所述第一时间信号、通过所述第二通道接收所述第二时间信号、通过所述第三通道接收从外部时钟源输入的外部频率信号或者从被测对象输入的第三时间信号，并且用于测量所述第一时间信号和所述第二时间信号之间的第一时差值；远程数据传输模块，其设置用于实时地接收所述时间基准站发送的基准时间的星地钟差数据；主控模块，其设置用于实时地采集所述卫星卡数据、所述第一时差值以及所述星地钟差数据，并且基于卫星共视原理从所述卫星卡数据、所述第一时差值以及所述星地钟差数据生成时差结果数据，所述信号源模块根据所述时差结果数据实时地调整所述参考频率信号，从而使得所述参考频率信号与所述时间基准站的基准时间实现同步。

根据本发明的一个实施方式，所述的调整所述参考频率信号包括：当所述设备刚开始启动时，通过调整所述参考频率信号的相位，使得所述参考频率信号与所述第二时间信号实现同步；当所述设备启动完成后，根据后续收到的所述时差结果数据，通过调整所述参考频率信号的频率，使得所述参考频率信号与所述基准站的基准时间实现同步。

根据本发明的一个实施方式，当所述主控模块检测不到所述卫星卡数据时，所述设备切换为本地模式，在所述本地模式下，所述时间间隔计数器模块设置为自动测量所述第一时间信号和所述外部频率信号之间的第二时差值，所述主控模块采集所述第二时差值、并且根据所述第二时差值生成所述时差结果数据，所述信号源模块根据所述时差结果数据调整所述参考频率信号，从而使得所述参考频率信号与所述外部频率信号实现同步。

根据本发明的一个实施方式，所述外部时钟源是一天的稳定度优于 1e-13的时钟源。

根据本发明的一个实施方式，当所述设备接收到所述第三时间信号时，所述设备切换到校准模式，在所述校准模式下，所述时间间隔计数器模块设置为测量所述第一时间信号和所述第三时间信号之间的第三时差值，所述主控模块设置为将所述第一时差值减去所述第三时差值，从而得到所述第三时间信号和所述基准站的基准时间之间的第四时差值，所述主控模块采集所述第四时差值、并且根据所述第四时差值生成所述时差结果数据，所述信号源模块根据所述时差结果数据调整所述参考频率信号，从而使得所述第三时间信号与所述时间基准站的基准时间实现同步。

根据本发明的一个实施方式，所述时间基准站是国家标准时间基准站。

根据本发明的一个实施方式，所述远程数据传输模块通过无线网络实时地接收所述时间基准站发送的基准时间的星地钟差数据。

根据本发明的一个实施方式，所述设备的共视周期可根据客户的需求进行任意设置，并且两个共视周期之间相互连续。

根据本发明的一个实施方式，所述时间间隔计数器模块基于FPGA设置。

根据本发明的一个实施方式，所述时间信号是脉冲信号。

本发明可以实时地进行时间比对及时间同步，与传统方法相比不存在测量盲区，而且能满足对被测信号进行连续监测的需求；

传统的共视时间比对方法适用于原子钟等稳定度、准确度较高的信号源比对，对数据的实时要求较低。如果将共视时间比对应用于晶振等守时性能较差的信号源，即使比对数据滞后一小时，也可能导致数十纳秒的时间漂移，且变化方向未知，难以保证信号源输出信号的纳秒级时间同步；而对于要求同步精度在几个纳秒的需求，即使是铯原子钟，数据滞后几个小时也可能难以满足要求；而本发明的共视时间比对方法，数据处理与数据观测并行执行，共视比对周期可任意设置，适应于任意类型的信号源，设备集成的灵活性更高；

本发明的时间同步设备的远程数据传输模块只负责接收远程的星地钟差数据，所以时间同步设备的数据不容泄露，保密性高，且数据处理方式简单，降低了故障风险。

本发明可以根据客户需要和输入信号的类型切换工作模式，不限于只是与时间基准站实现时间同步，也可以与外部时钟源进行时间同步，而且还可以与本地时钟源进行校准，灵活性大，适用性强。

本发明可实现用户本地时间与基准站时间同步偏差在5ns以内。

附图说明

结合附图对本发明的示例性实施例作详细说明，本发明的上述及其它目的、特征和优点对本领域的普通技术人员将会更加显而易见。在附图中：

图1示意性地图示了根据本发明的一个实施例的用于与时间基准站实现时间同步的设备的总体组成结构图；

图2示意性地图示了根据本发明的一个实施例的卫星卡模块的组成结构图；

图3示意性地图示了根据本发明的一个实施例的进行时间间隔测量的基本原理；

图4示意性图示了根据本发明的一个实施例的细测量时间间隔的基本原理；

图5示意性地图示了根据本发明的一个实施例的主控模块的组成结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，该描述旨在更清楚地阐述本发明的发明构思，这些具体实施方式均是示例性的，不意味着本发明的保护范围限于所述具体实施方式。

根据本发明的一个实施例的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其包括卫星卡、时间间隔计数器模块、信号源模块、主控模块、远程数据传输模块和供电模块，该设备的组成结构如图1所示。所有模块例如可以集成在一块主板上，外接220V电源为各部件供电；卫星卡、时间间隔计数器模块、信号源模块例如可以通过嵌入式微处理器与主控模块通信，并交换数据。

本发明的设备所采用的卫星卡可兼容多模多频点与多模单频点等多种类型，根据本发明的一个实施例的卫星卡的组成结构例如可以如图2所示，其包括卫星卡接收模块、天线、接口转换模块以及供电电路。由于卫星卡接收模块大多采用3.3V供电的低功耗芯片，输出的驱动能力不强，无法直接与采用5V供电的主控模块对接通讯，因此需要接口转换模块进行电平转换，接口转换模块不会改变原始数据包的格式或内容。接口转换模块用于在卫星接收卡与主控模块之间采用串口转换芯片进行电平转换。嵌入式微处理器主要用于从主控模块发送各类命令到卫星卡接收模块，并获取满足需求的各项数据包，并例如通过自编写特定程序将数据以约定的共视周期发送至主控模块。本发明的卫星卡可以支持四种系统，包括GPS 系统、北斗系统、GLONASS系统、伽利略系统，可以降低对单系统的依赖性，增加空中卫星可用性，增强测量结果正确性和可靠性。

根据本发明的一个实施例的设备所用的时间间隔计数器模块例如可以包括3个测量通道，分别为1个开门通道和2个关门通道，开门通道即起始通道，关门通道即截止通道，其基本功能是测试一个开门通道的起始信号分别和两个关门通道的截止信号之间的时间间隔。在根据本发明的一个实施例中，所述起始信号和截止信号分别对应于来自于信号源模块的时间信号和来自于卫星卡的时间信号，所述时间信号例如是脉冲信号，所述脉冲信号优选地是1PPS(Pulse Per Second)信号。

本发明的时间间隔计数器模块完成来自信号源模块(即用户本地时间)的1PPS信号和从卫星卡输出的1PPS信号之间的时间间隔测量。当时间间隔计数器模块监测到开门通道的信号后开始进行测量，当监测到任意关门通道的信号之后本次测量结束，并计算两通道间的时间间隔。根据本发明的时间间隔计数器模块的原理是基于FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编辑门阵列)，可以实现量程为1s、分辨率为0.1ns的时间间隔测量模块。采用粗测量和细测量相结合的思路来分别满足量程和分辨率的要求。基本实现为粗测量部分在FPGA片内利用基准时钟直接进行脉冲计数来实现，时钟周期为T_P，N为粗计数个数，时钟周期和粗测量计数器的计数范围确定了测量的量程，要达到1s的量程，粗计数的时钟周期定为250MHz，采用28bit位宽的二进制计数器，可以实现的测量范围为1.073s。如图3所示，细测量包括两个方面，一方面测量起始信号上升沿相对于下一个基准时钟上升沿之间的时间间隔ΔT₁，另一方面测量截止信号上升沿相对于下一个基准时钟上升沿之间的时间间隔ΔT₂。因此，待测的时间间隔为T＝NT_P+ΔT₁-ΔT₂。

细测量基于FPGA内部加法进位延迟链资源实现时间的精密内插，从而实现ΔT₁和ΔT₂的测量。图4图示了根据本发明的一个实施例的时间间隔计数器模块进行细测量的基本原理，图4中的基本延迟单元由加法进位延迟链构成，通过对每个延迟单元的校准，将所有延迟单元的校准量进行累加，即可获得ΔT₁的测量结果。FPGA的每个逻辑单元均有进位输入 carry-in到进位输出carry-out的延迟线路，carry-in到carry-out的进位延迟大多在几十ps量级，采用LUT(Look-up-Table)和逻辑门实现的延迟一般都在几百ps量级，因此采用加法进位延迟链实现内插的分辨率较高，也能满足0.1ns分辨率的要求。图4中的每个三角形代表了一个延迟单元，并且包括4个延迟单元，每个延迟单元经过校准以后会得到一个延迟，对所有延迟进行累加即可获得ΔT₁。但是，本领域的技术人员显而易见的是，该延迟单元的个数不限于四个，具体个数是根据实际情况内插的结果。

但是，由于受工艺影响，不论是FPGA中的进位链还是其它逻辑资源形成的延迟单元都不是十分稳定，不同厂家、不同型号、不同速度等级的器件中的延迟都是不同的，即使相同厂家、相同型号、相同速度等级的两片FPGA的同一延迟单元的延时量也不相同；另一方面，延迟容易受内核供电电压和温度变化的影响。因此，需要对各级进位链的延时进行实时标校，标校结果存在FPGA内部查找表中，在进行细测量结果的运算时直接从查找表中读取各级延迟链的延迟数据即可。校准频率可以通过外部软件界面进行人工设置。

根据本发明的一个实施例的时间间隔计数器的基本配置可以如下：

可根据用户参数配置，测量1pps、2.048MHz(方波)、5MHz、10MHz、 8kHz信号；

输入通道数：3，包括1个开门通道，2个关门通道；

可设置输入信号阻抗为高阻、或50(75)欧姆；

测量量程：1s；

测量间隔：可设置1s、100ms、10ms、1ms等间隔；

状态监视，能监视自身工作状态，并通过通信接口向主控模块汇报。

利用FPGA实现0.1ns分辨率的时间间隔测量系统的关键是要在 FPGA中找到稳定的、数量丰富的、延迟为几十ps量级或低于几十ps的延迟单元，利用这些延迟单元对时间间隔进行内插，从而实现高精度的时间间隔测量。基于前期大量文献资料的查阅和FPAG相关技术支持提供的资料，发现FPGA中的carry-in到carry-out的进位延迟大多在几十ps量级，采用LUT(Look-Up-Table)和逻辑门实现的延迟一般都在几百ps量级，因此可以利用加法进位链实现时间间隔测量。但是，由于受工艺影响，不论是FPGA中的进位链还是其它逻辑资源形成的延迟单元都不是十分稳定，容易随温度和供电电压等的变化而变化，因此需要对其进行在线校准。本时间间隔测量包含两个方面的关键技术，一方面是基于FPGA加法进位延迟链的时间间隔测量技术，另一方面是误差的校准技术。由于本发明的时间间隔计数器模块基于FPGA，所以可以实现量程为1s、分辨率为0.1ns 的时间间隔测量。本发明采用了粗测量和细测量相结合的思路来分别满足量程和分辨率的要求，使用该方法的好处在于在保证测量精度的基础上，可以降低设备的成本。

信号源模块是时间同步设备的重要组成部分，一般可采用成本低的芯片级铷原子钟或者恒温压控晶振实现。该模块主要功能是负责输出10MHz 信号、输出5MHz信号和1PPS信号；为设备的卫星卡和时间间隔计数器模块提供参考频率信号；为主控模块提供工作状态信息。以信号源模块输出的参考频率信号为基准，利用来自主控模块的时差结果数据，执行设备内部编写的钟驾驭算法策略，控制信号源模块的输出，使其输出的频率信号与标准时间同步，所述标准时间例如是国家标准时间。信号源模块输出的参考频率信号的频率优选地是10MHz。然后以信号源模块产生的10MHz 频率信号为参考，通过分频和频率合成技术产生5MHz和1PPS时间信号。

主控模块是设备的最主要模块，其分为硬件部分与软件部分。主控模块硬件部分的主要功能是实现将各模块硬件进行集成，并提供物理接口与卫星卡、数据传输模块、信号源模块和时间间隔计数器模块进行通信，及监视各模块的状态，并为设备提供电源。主控模块软件部分的主要功能是支持设备的核心功能软件远距离异地时间恢复软件运行。图5图示了根据本发明的一个实施例的主控模块的硬件组成，所示主控模块硬件部分由主控板和控制芯片组成，主控板负责运行远距离异地时间恢复软件，并为其他模块提供物理通信接口。控制芯片的型号例如可以选择MCU LPC1788，其通过IIC(Inter-Integrated Circuit)接口与嵌入式计算机连接，其中注意，在嵌入式计算机中对IIC进行配置，在底板上打开IIC功能，将嵌入式计算机为主机，控制芯片作为从机，对于8位的地址，主机一次只能读写32位长度的数据，如果需要进行更长数据的读写，需要主机通过地址指针移位进行。通过EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)及中断信号线与FPGA连接，其中注意，EMC的低位地址左移一位；中断信号的判别方式，应设置为边沿触发，极性为上升沿有效。通过SPI接口与DA 连接，注意两个问题，SPI时序的设置，目前有两种方式可以实现，一种采用自定义方式，一种为片上SPI；另外，在初始化时，一定要注意在有 2.5MHz信号的前提下，对DA进行初始化才是有效的。主控模块的控制芯片其中一个主要功能是对各模块的状态监视，其中对信号源模块状态监视是使用FPGA资源，将信号源模块输出的10MHz、1PPS、5MHz一分为二，监测各路信号，控制芯片收集并判断信号是否正常，当信号源模块输出各路信号正常时，定期输出信号状态给运行在主控板的远距离异地时间恢复软件，当任何信号异常时，实时输出状态异常信息。

主控模块的软件即远距离异地时间恢复软件具备基本参数初始化功能、通信参数配置功能、数据解析处理功能、数据算法分析功能、数据存储功能、数据图形实时显示功能、状态监视功能等。另外，本发明的设备例如通过软件配置可以支持四种工作模式：1)溯源模式：时间同步设备在正常情况下应跟踪卫星卡信号；2)本地模式：在卫星卡不可用或没有可用卫星的情况下，可跟踪地面时间信号；3)校准模式：当卫星卡能正常工作、且时间间隔计数器通道3有输入外部1PPS信号时才可启用，并对外部1PPS信号进行校准；4)自保持模式：在全部时间和频率输入均不可用的情况下，可利用内部振荡器进行守时。这四种工作模式可根据接入信号情况自定切换，例如可以将溯源模式设定为默认模式。

远程数据传输模块的目的是为了通过无线网络，透明转发数据，实现异地设备的点对多和点对点通信，方便、快捷的实现异地数据传输。远程数据通信模块主要由嵌入式数据传输单元、串口服务器、数传中心服务器等硬件及数据中转软件组成。嵌入式数据传输单元例如可以集成在主控模块，通过串口实现数据传输；嵌入式数据传输单元例如可以通过4G网络接入互联网与数传中心服务器形成通信联络。数据传输模块是本设备与时间基准站之间的通信模块，通信模块相当于一个可以通过网络发布和接收数据的传输单元，其实时性高，可以实现数据的实时传输。

下面对根据本发明的用于与时间基准站实现时间同步的设备的四种工作模式的工作原理进行描述。

溯源模式：参照附图1，卫星卡在信号源模块提供的10MHz参考频率信号驱动下，例如接收GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)导航信号，并输出1PPS信号和卫星卡数据(卫星卡数据例如包括星历数据以及伪距数据)，分别将其实时地输出给时间间隔计数器模块和主控模块。本发明的卫星卡在参考频率信号的驱动下，可以使得卫星卡的频率源精度更高。时间间隔计数器测量卫星卡输出的1PPS信号与信号源模块输出的1PPS信号之间的时差值，并实时将该时差值输出到主控模块。主控模块软件结合相同时刻的计数器测量的时差值，以及来自于卫星卡的星历数据和伪距数据，分析计算得到本地星地钟差数据。图1中的时差结果数据为本设备的星地钟差与时间基准站的星地钟差数据共视后的时差结果。

根据卫星共视原理，本设备例如可以定义为A站，基准站(例如是国家标准时间站、或者是其他时间基准源)可以定义为B站，以可视卫星S 为例，一个完整的共视周期为：

A站卫星S星地钟差数据:T_REFSVB＝T_ticB+(ρ_BS-r_BS-I_BS-T_BS)/c+δt^(s) _B-ε_BS-Δt_B

B站卫星S星地钟差数据:T_REFSVA＝T_ticA+(ρ_AS-r_AS-I_AS-T_AS)/c+δt^(s) _A-ε_AS-Δt_A

A站时间间隔计数器测量值T_ticA，B站时间间隔计数器测量值T_ticB，ρ_AS、ρ_BS分别为A站卫星S的伪距与B站卫星S的伪距，r_AS、r_BS分别为A站卫星S的真距与B站卫星S的真距，I_AS、I_BS分别为A站卫星S的电离层延迟与B站卫星S的电离层延迟，T_AS、T_BS分别为A站卫星S的对流层延迟与B站卫星S的对流层延迟，ε_AS、ε_BS分别为A站伪距测量噪声与B 站伪距测量噪声，δt^(s) _A、δt^(s) _B分别为A站卫星钟误差修正项与B站卫星钟误差修正项，Δt_A、Δt_B分别为A站设备延迟与B站设备延迟。

其中对流层延迟及电离层延迟以及卫星钟误差修正项是从卫星卡星历数据中解算得到，设备延迟在设备出厂前已经精确标定。

以上T_REFSVA与T_REFSVB计算频度为每秒，一个共视周期结束时两站分别对各自周期内所有的T_REFSVA和T_REFSVB进行最小二乘拟合，拟合后中点值即为该周期内的星地钟差数据分别为T_REFSVA'和T_REFSVB'，那么对于卫星S 来说，A站与B站的时差结果为：

TimeDiff_S＝T_REFSVA'-T_REFSVB'

其他共视卫星计算方法与卫星S相同，最后将所有卫星计算的时差结果进行平均得出TimeDiff，即为A站与B站的时差结果数据。

同时，主控模块会通过远程数据传输模块实时地接收来自国家标准时间基准站发送来的星地钟差数据，并根据卫星共视原理继而得到本设备信号源与国家标准时间时频信号的时差结果数据，根据该结果从而调整设备信号源模块的10MHz信号的输出。

根据本发明的一个实施例，调整信号源模块的10MHz信号的步骤例如可以细分为两步：当设备刚开始启动时，会对其进行一次粗同步，具体是通过调整10MHz信号的相位实现，从而使信号源模块的1PPS与卫星卡模块的1PPS尽可能保持同步，偏差在1微妙以内；当设备启动完成后，根据后续收到的时差结果，来调整10MHz信号的频率来实现细同步，使其保持与国家标准时间同步。粗同步可以使得参考频率信号快速收敛，细同步可以使得输出的参考频率信号与基准站的基准时间的时间偏差保持在5ns以内。

本发明所采用的共视周期不采用标准的共视周期，而是采用一种实时连续的卫星共视比对方法，解决传统卫星共视存在18.75％的测量盲区，且不能满足对被测信号连续监测的需求的问题。

对于用户来说，只需要在本地安装一台该时间同步设备，通过实时连续的卫星共视比对方法来实现时间比对，其次通过远程数据传输模块来实现实时的数据传输，最后通过对信号源模块的控制策略来实现时间同步，即可实时获得与国家标准时间同步的时间频率信号，其偏差可保持在5ns 以内。

本地模式：当卫星卡不可用或是卫星共视不具备条件(比如没有共视卫星)时，且监测到时间间隔计数器模块的通道3有输入时可自动切换为本地模式。在本地模式下，以外部时钟源(通常为铯原子钟、或者是一天的稳定度优于1e-13的其他时钟源)输入的外部频率信号(例如10MHz) 为参考信号，该参考信号默认被接入时间间隔计数器模块的第3输入通道，主控模块软件在监测到卫星卡不能正常工作时，时间间隔计数器模块设置为自动测量信号源模块输出的1PPS与外部频率信号的时差值，并将计数器模块的测量值代替该周期的星地钟差数据，然后生成时差结果数据，该时差结果数据用于控制信号源模块的输出，从而使其输出信号与外部时钟源同步。

校准模式：时间间隔计数器模块设置有三个测量通道，其中通道1输入信号源模块的1PPS信号，通道2输入卫星卡输出的1PPS信号，通道3 有两种类型的输入的信号，一种是在本地模式时，输入作为本地参考信号的外部频率信号；一种是在校准模式时，输入作为被测对象的1PPS信号或是其它频率信号。

当卫星卡能正常工作、且时间间隔计数器模块的通道3有输入1PPS 信号时才可启用校准模式，校准模式可以设置为由用户手动切换。校准模式下，工作流程如下：

步骤1，与溯源模式工作原理相同，最终生成时差结果数据，用于控制信号源模块的输出信号；

步骤2，在步骤1执行的同时，读取时间间隔计数器模块测量的通道 1与通道3的时差值，并利用步骤1中的时差结果数据减去通道1与通道 3的时差值，抵消后最终得到通道3的输入信号相对于时间基准站的时差值，从而对通道3的输入信号进行校准。

自保持模式：在失去溯源模式下的时差比对结果后，无法进行同步，让信号源模块保持自由运行。

为了本领域的技术人员更清楚理解本发明的工作原理，以一个实例描述本发明的时间同步设备的具体操作：

在用户所在地安装一台本设备，将卫星卡外置天线固定好之后，接通电源启动设备，首先对天线坐标进行精确定位(一般需至少定位24小时)，定位完成之后，本设备自动进入正常工作模式，所述正常工作模式默认为溯源模式，当溯源模式不可用时，根据接入信号类型自动切换至其他工作模式。用户可根据设备所配备的信号源的特性来设置共视周期。一个完整的周期可以描述为：主控模块软件实时采集来自于卫星卡的星历数据及伪距数据，以及时间间隔计数器模块测量的时差值，采样频率为每秒，通过卫星卡星历数据及伪距数据解算出卫星钟差，并同时结合计数器测量值及设备延迟(出厂前已对设备标定)，在共视周期结束时刻，计算该周期内各颗可视卫星的星地钟差(星地钟差＝卫星钟差+计数器测量值-设备延迟)，与此同时，远程数据传输模块会收到国家标准时间基准站发送的星地钟差数据，主控模块软件根据两地的星地钟差数据，将相同的卫星进行比对计算，最终得到用户与国家标准时间的时差结果数据，根据控制信号源的策略，将该结果置入信号源，对其输出信号进行调整，使其与国家标准时间保持同步，继而进入下一个周期。两个周期之间无缝连接，是一种实时连续的卫星共视比对方法，解决了传统卫星共视方法存在18.75％的测量盲区，且不能满足对被测信号连续监测的需求。

当然，本领域的普通技术人员容易理解的是，本设备并不局限于只与国家标准时间同步，当用户安装有两台或多台设备(设备支持远距离异地安装)，其设备之间也可以实现时间同步，从而实现用户内部时间网内同步。

根据本发明的一个实施例的时间同步设备，所有的模块可以集成在一块主板上，主板的大小决定了其体积大小，由于各部件都是小模块化集成，目前设计其最大体积为33×16×3cm，优化后会更小，所以可以使得时间同步设备的体积很小。而且由于各个模块成本都非常低，将其集成起来价格远远低于一台双频授时接收机价格，但是可实现精度与其相当。

进一步地，根据本发明的时间同步设备的各个模块可以根据不同用户需求不同来配置，比如选择卫星卡、信号源模块或者时间间隔计数器模块都可根据用户需求来配置，从而实现不同的功能，所以系统组成灵活，设备安装方便，用户易操作。

进一步地，由于本发明利用连续的卫星共视法进行时间比对，以及可以进行实时时间传递，并且还可以对信号源输出信号进行驾驭，所以本发明的时间同步设备的精度高，可实现异地恢复的时频信号与国家标准时间频率信号偏差在5ns以内。

本发明提供的基于卫星共视的时间同步设备，可以解决基准源的远距离高精度时间、高性能参考源的选取等问题，可实现远程测量不确定度小于5ns，可直接用于实现基站间的时间高精度同步比对，并且该技术较传统技术具有成本低、性能符合要求、系统组成灵活等特点，是一个卫星共视技术在通信行业应用的重要发展方向，预期将会为下一代移动通信时间同步技术，具有产业化应用前景。

本领域的普通技术人员容易理解的是，在本发明的发明构思下，可以对本发明的时间同步设备的构成元素进行任何等同替换和变形，这些等同替换和变形都在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述设备包括：

信号源模块，其设置用于生成参考频率信号和第一时间信号；

卫星卡，其设置用于接入所述参考频率信号、在所述参考频率信号的驱动下实时地接收卫星信号、并且输出卫星卡数据和第二时间信号；

时间间隔计数器模块，其设置为包括第一通道、第二通道和第三通道，并且用于通过所述第一通道接收所述第一时间信号、通过所述第二通道接收所述第二时间信号、通过所述第三通道接收从外部时钟源输入的外部频率信号或者从被测对象输入的第三时间信号，并且用于测量所述第一时间信号和所述第二时间信号之间的第一时差值；

远程数据传输模块，其设置用于实时地接收所述时间基准站发送的基准时间的星地钟差数据；

主控模块，其设置用于实时地采集所述卫星卡数据、所述第一时差值以及所述星地钟差数据，并且基于卫星共视原理从所述卫星卡数据、所述第一时差值以及所述星地钟差数据生成时差结果数据，

所述信号源模块根据所述时差结果数据实时地调整所述参考频率信号，从而使得所述参考频率信号与所述时间基准站的基准时间实现同步；

所述的调整所述参考频率信号包括：

当所述设备刚开始启动时，通过调整所述参考频率信号的相位，使得所述参考频率信号与所述第二时间信号实现同步；

当所述设备启动完成后，根据后续收到的所述时差结果数据，通过调整所述参考频率信号的频率，使得所述参考频率信号与所述基准站的基准时间实现同步。

2.根据权利要求1所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，当所述主控模块检测不到所述卫星卡数据时，所述设备切换为本地模式，在所述本地模式下，所述时间间隔计数器模块设置为自动测量所述第一时间信号和所述外部频率信号之间的第二时差值，所述主控模块采集所述第二时差值、并且根据所述第二时差值生成所述时差结果数据，所述信号源模块根据所述时差结果数据调整所述参考频率信号，从而使得所述参考频率信号与所述外部频率信号实现同步。

3.根据权利要求2所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述外部时钟源是一天的稳定度优于1e-13的时钟源。

4.根据权利要求1所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，当所述设备接收到所述第三时间信号时，所述设备切换到校准模式，在所述校准模式下，所述时间间隔计数器模块设置为测量所述第一时间信号和所述第三时间信号之间的第三时差值，所述主控模块设置为将所述第一时差值减去所述第三时差值，从而得到所述第三时间信号和所述基准站的基准时间之间的第四时差值，所述主控模块采集所述第四时差值、并且根据所述第四时差值生成所述时差结果数据，所述信号源模块根据所述时差结果数据调整所述参考频率信号，从而使得所述第三时间信号与所述时间基准站的基准时间实现同步。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述时间基准站是国家标准时间基准站。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述远程数据传输模块通过无线网络实时地接收所述时间基准站发送的基准时间的星地钟差数据。

7.根据权利要求1～4中的任一项所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述设备的共视周期可根据客户的需求进行任意设置，并且两个共视周期之间相互连续。

8.根据权利要求1～4中的任一项所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述时间间隔计数器模块基于FPGA设置。

9.根据权利要求1～4中的任一项所述的用于与时间基准站实现时间同步的设备，其特征在于，所述时间信号是脉冲信号。

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