CN109814135B - 基于gnss设备的时间对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括：通过对源同步时钟进行AD采样，得到稳态数据的步骤；对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断是否存在噪声的步骤；获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤；读取RTC时间的步骤；在GPS时钟信号正常，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。本发明通过采样和抽样结合的方式，以较少计算量，准确检测出源同步时钟中的噪声，同时，自动选择高精度时钟进行替换，以实现对非标准时钟的自动对准。

Description

基于GNSS设备的时间对准方法

技术领域

本发明涉及时钟同步领域，尤其是一种基于GNSS设备的时间对准方法。

背景技术

在电子领域的众多方面，都涉及到工作时钟，即在时钟的上升沿或下降沿执行相应的动作。但是，在某些领域，需要保证时钟的绝对准确性，即时钟信号不能与实际时间出现偏差，例如在触发机制中，对于接收到的时钟信号，如果受到噪声干扰，就可能将噪声误判为触发电平，使得工作时钟失准，影响系统正常运行节点和结果。

在监控领域，对于众多数据源的采集需要保证传感器件时钟与系统时钟的绝对一致，否则会造成数据间的不匹配。而现有技术中，多采用同步时钟的方式，直接为各传感器件提供统一的时钟，或者通过逐步串联的方式，传递工作时钟。这些方式均易收到噪声的干扰，导致工作时钟的失准。

在GPS信号方面，其在时间上，具有高准确性和统一性，其PPS脉冲误差不超过20ns，因此，完全可以作为对时钟进行修正的基础。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于GNSS设备的时间对准方法。以对非标准时钟进行时间对准和修正，进而确保工作节点的准确性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括：

通过对源同步时钟进行AD采样，得到稳态数据的步骤；对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断是否存在噪声的步骤；获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤；读取RTC(Real-time clock，实时时钟)时间的步骤；在GPS时钟信号正常，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。

对源同步时钟进行采样，可获取源同步时钟的时间信息，进一步通过抽样的方式，以较小的数据量判断出源同步时钟是否存在噪声，即判断源同步时钟是否不准；进一步，通过选择正常的gps时间(高精准度)或RTC时间，以实现对源同步时钟的时间对准。本方案可以在源同步时钟不准时，选择准确的时钟进行替代，同时，所输出的时间为纳秒级级别的时间，属于高精度输出，准确度极高，即对准效果非常好。

进一步的，上述对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断是否存在噪声的步骤具体为：

分别对稳态数据进行高阶均值滤波和低阶均值滤波，根据对高阶均值滤波和低阶均值滤波结果的运算结果，判断是否存在噪声。

基于对稳态数据进行高阶均值滤波和低阶均值滤波结果的对比，可以同时反映出源同步时钟的总体特征和局部特征，进而保证对其的受干扰判断更为准确。

进一步的，上述分别对稳态数据进行高阶均值滤波和低阶均值滤波，根据对高阶均值滤波和低阶均值滤波结果的运算结果，判断是否存在噪声具体为：

对稳态数据中M条数据的累加和进行高阶均值滤波；

对稳态数据中N条数据的累加和进行低阶均值滤波；

所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和；

对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值；

判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号。

通过循环覆盖的方式，可以更为准确地反映出所判断时间段内的源同步时钟的总体特征，不受历史数据影响，选取的特性数据更为合适。同时，基于所选取的总体特征和具备特征间的差异度，可以快速判断源同步时钟细节上的突变节点，进而快速、准确地定位到受干扰节点。

进一步的，上述对于所述累加和的计算，还增加了延迟处理步骤。

考虑均值滤波处理中，存储数据存在滞后，因此，增加延迟可以确保高阶均值滤波中间点和低阶均值滤波中间点之间时间轴的同步，进而确保两者差异度计算的准确性。

进一步的，上述判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求具体为：判断差值是否在预定噪声阈值的K倍(K取正整数)以上。

以阈值倍数作为异常判断基准，而非以固定值作为异常判断基准，可以确保对于差值的判断为伴随噪声阈值的变换所进行的动态判断，对差值的判断规则的变化与噪声阈值的变化规则一致，保证了差异判断方案的通用性。

进一步的，上述预定噪声阈值具体为：在预定时间段内，AD采样数据的最大值，并按预定规则进行更新。

基于历史数据动态更新阈值，可以确保整个差异判断流程与系统间的自相关性，使差异判断的设置更为合理。

进一步的，上述预定噪声阈值的更新规则为：在存在噪声时不更新，否则按预定频率进行更新。

由于阈值的更新为基于历史数据的自动更新，在存在噪声时，不对阈值进行更新，可以避免阈值收到噪声的干扰，而造成设置较大的阈值，导致噪声检测不灵敏的情况。

进一步的，上述获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤具体为：

对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临的时间；

取离当前时刻最近的若干个PPS脉冲下，对时钟的计数，并对该计数进行平均，作为当前时刻的时钟频率；

将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，得到纳秒级别的时间数值。

通过基于频率计数值的关系，计算出时钟数值，可以高精度定位出噪声来临时刻的时刻，进而准确地对干扰点进行时间对准。

进一步的，考虑到对时钟计数和时钟工作方式差异性导致对计算时间的滞后，上述在将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值前，还对噪声触发信号来临时刻的计数值进行补偿。

进一步的，上述补偿的值为固定值。

系统的差异性对时间滞后的影响是特定的，因此，设置固定值可以长期稳定、准确地弥补该滞后带来的影响。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采样和抽样结合的方式，以较少计算量，准确检测出源同步时钟中的噪声，同时，自动选择高精度时钟进行替换，以实现对非标准时钟的自动对准。

2、通过对频率计数的方式，本发明可以对极其细微的噪声进行准确定位，进而对源同步时钟进行高精度地对准。

3、通过采样数据自身的高阶和低阶均值滤波，从源同步时钟自身的完整、具备特征，基于采样数据进行干扰判断，可以使得噪声判断选取的特征与其自身特征更为相关，判断结果更为准确。

4、本发明所对时间的修正达到纳秒级级别，修正精度高。

5、本发明在对准过程中，适时进行补偿，可以修正系统自身计算过程中带来的滞后影响，使得对准结果更为准确。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是时间对准方法流程的一个实施例。

图2是顶层模块引脚图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括以下步骤：

A.通过对源同步时钟进行AD采样，得到稳态数据的步骤。

具体而言，步骤执行过程为：

A-1：对源同步时钟进行AD采样，得到AD采样数据。在一个实施例中，为对源同步时钟的上升沿进行AD采样，得到AD采样数据。

A-2：对AD采样数据按预定时间间隔进行抽样，得到抽样后的稳态数据。在一个实施例中，通过每隔预定时间间隔向FIFO中写入一次AD采样数据，即可得到抽样后的稳态数据。

B.对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断(对源同步时钟的采样结果)是否存在噪声的步骤。

在一个实施例中，通过分别对稳态数据进行高阶均值滤波和低阶均值滤波，根据对高阶均值滤波和低阶均值滤波结果的运算结果，判断是否存在噪声。在一种实施方式中，计算高阶均值滤波和低阶均值滤波结果的差值(绝对值)，将差值与预定噪声阈值进行比较，在比较结果满足预定要求时，判定存在噪声。

上述预定噪声阈值具体为：在预定时间段内，AD采样数据的最大值，该预定噪声阈值在存在噪声时不更新，否则按预定频率进行更新。在一个实施例中，在不存在噪声时，预定噪声阈值每间隔2mins更新一次，每次更新取当时之前20ms所采集的AD采样数据中的最大值。

上述对比较结果的判定要求，在一个实施例中为：当差值在预定噪声阈值2倍以上时，则判定存在噪声。

具体而言，上述步骤执行的过程为：

B-1：对稳态数据中M条数据的累加和进行高阶均值滤波。在一个实施例中，M取32768(即2^15)。

B-2：对稳态数据中N条数据的累加和进行低阶均值滤波。在一个实施例中，N取8(即2^3)。

所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和。即约定AD采样数据的累加数量，将每次抽样的AD采样数据写入到累加程序中，同时丢弃最初存入的那一条采样数据，即可得到新写入的采样数据所对应的累加和。优选的，对于累加和的计算，还增加延迟，使得低阶均值滤波的结果(中间点数据)与高阶均值滤波的结果(中间点数据)时间轴对齐，进而使得修正结果更佳。

B-3：对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值。

B-4：判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号。在一个实施例中，判断差值是否在预定噪声阈值的2倍以上，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号。

C.获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤。GNSS设备为各种能够获取GPS信号的统称。GNSS设备每1秒发送一个脉冲(即PPS脉冲)。

C-1：对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟(即震动周期)进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临的时间；

C-2：取离当前时刻最近的若干(如8)个PPS脉冲下，对时钟的计数，进行平均，以作为当前时刻的时钟频率，这样，可以减少时钟频率随机变化的影响；

C-3：将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，得到纳秒级别的时间数值。此处优选将计算结果乘以10^9，这样，就可以以纳秒为单位，不出现小数，便于选用和计算。

由于对采样数据进行均值滤波处理时，存储数据导致的滞后，同时受处理器件本身时钟工作方式的影响，需要对噪声来临时间作补偿，即对对噪声来临时刻的计数值进行补偿。这个补偿值为一个固定值，可以通过仿真波形计算出来。

D.读取RTC时间。

E.在GPS时钟信号正常，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。

在一个以串口输出时钟数据的实施例中，对于纳秒级的GPS时间数值，需要先进行预处理。具体而言，为对纳秒级时间数值进行格式转换：将纳秒级时间数值转换为BCD码，再转换为ASCII码。

实施例二

如图1所示，本实施例公开了另一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括以下步骤：

S1：通过对源同步时钟进行AD采样，得到稳态数据的步骤：

S1.1：对源同步时钟进行AD采样，得到AD采样数据；

S1.2：对AD采样数据按预定时间间隔进行抽样，得到抽样后的稳态数据。

S2：对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断是否存在噪声的步骤：

S2.1：对稳态数据中M条数据的累加和进行高阶均值滤波；

S2.2：对稳态数据中N条数据的累加和进行低阶均值滤波；

所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和；还对累加和进行延迟处理；

S2.3：对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值；

S2.4：判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号。

S3：获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤：

S3.1：获取GNSS设备的GPS时钟信号，对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临时间；对噪声来临时间进行时间补偿；

S3.2：取离当前时刻最近的若干(如8)个PPS脉冲下，对时钟的计数，进行平均，以作为当前时刻的时钟频率；

S3.3：将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，乘以10^9，得到以纳秒为单位的时间数值，这样就不会出现小数，便于取用和计算。

S4：读取RTC时间。

S5：在GPS时钟信号正常，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。

实施例三

本实施例公开了另一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括以下步骤：

步骤1：对源同步时钟进行AD采样，得到AD采样数据；对AD采样数据按预定时间间隔进行抽样，得到抽样后的稳态数据；

步骤2：对稳态数据中32768条数据的累加和进行高阶均值滤波；对稳态数据中8条数据的累加和进行低阶均值滤波；所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和；

步骤3：对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值；判断差值是否在预定噪声阈值的2倍以上，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号；所述预定噪声阈值在一个实施例中，为在更新时刻前20ms采样时间段内，AD采样数据的最大值，且在不存在噪声时，每2mins更新一次，在存在噪声时，不进行更新；

步骤4：获取GNSS设备的GPS时钟信号，对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临时间，对噪声来临时间进行时间补偿；

步骤5：取离当前时刻最近的8个PPS脉冲下，对时钟的计数，进行平均，以作为当前时刻的时钟频率；

步骤6：将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，乘以10^9，得到以纳秒为单位的时间数值；

步骤7：读取RTC时间；

步骤8：在GPS时钟信号的PPS脉冲正常时，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。PPS脉冲每1秒存在1次脉冲，若检测到脉冲间隔为1秒，则PPS脉冲信号正常。至于是否存在噪声，则为步骤3中判定的结果，具体而言，为是否收到噪声触发信号。

实施例四

本实施例公开了另一种基于GNSS设备的时间对准方法，包括以下步骤：

步骤1：对源同步时钟的上升沿进行AD采样，得到AD采样数据；对AD采样数据按预定时间间隔进行抽样，得到抽样后的稳态数据；

步骤2：对稳态数据中32768条数据的累加和进行高阶均值滤波；对稳态数据中8条数据的累加和进行低阶均值滤波；所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和；

步骤3：对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值；判断差值是否在预定噪声阈值的2倍以上，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号；所述预定噪声阈值在一个实施例中，为在更新时刻前20ms采样时间段内，AD采样数据的最大值，且在不存在噪声时，每2mins更新一次，在存在噪声时，不进行更新；

步骤4：获取GNSS设备的GPS时钟信号，以160MHz的频率对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临时间；对噪声来临时间进行时间补偿；

步骤5：取离当前时刻最近的8个PPS脉冲下，对时钟的计数，进行平均，以作为当前时刻的时钟频率；

步骤6：将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，乘以10^9，得到以纳秒为单位的时间数值；并对GPS的纳秒级时间数值进行格式转换；

步骤7：读取RTC时间；

步骤8：在GPS时钟信号的PPS脉冲正常时，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。PPS脉冲每1秒存在1次脉冲，若检测到脉冲间隔为1秒，则PPS脉冲信号正常。至于是否存在噪声，则为步骤3中判定的结果，具体而言，为是否收到噪声触发信号。

实施例五

基于上述任一实施例，本实施例五公开了一种基于GNSS设备的时间对准方法，如图2所示，利用FPGA技术，顶层模块为ad9268，ad模块：ad9268\u1_ad，GPS模块：ad9268\u3_gps，RTC模块：ad9268\u4_rtc，其具体引脚信息如下：

Gps_addr：高电平时读取四种格式的gps数据，包括时间和地理位置信息；低电平时只读取一种格式的时间信息；

Data_noise_flag：高电平有效，表示有噪声触发，持续200ns；

Pps_out：原始的PPS信号；

Ad_data_out1：采样ad采样数据，频率为10MHz；

Data_5m_out1：抽样稳态数据，频率为1KHz；

Trans_vld：高电平有效，表示串口发送的时间数据有效；

Gps_time：发送时间数据的串口，一位起始位，八位数据位，一位终止位，数据位低位先发送；

Sclk_rtc，sio_rtc：rtc的接口；

方法在输出GPS时间数值前，还包括以下步骤：

将46.07MHz作25分频，得到1.84MHz作为串口的时钟，其为波特率115.2KHz的16倍；

根据时序接收串口信息，串口接收数据包格式为：一位起始位，八位数据位，一位终止位；

将接收到四种格式的gps数据分别存储到ram不同的地址空间中,格式通过标示字符判定，时间信息在两段地址空间中轮流存储，以便写入ram的同时读出另一个地址空间的时间数据；

读取出ram中的时间信息，并通过GNSS设备自身获取地理位置信息；

复位后，控制GPS模块向RTC写入一次时间数据，并且在PPS信号正常时，若有噪声触发，则控制GPS模块的时间处理模块读取ram中时间数据，并通过本身定位模块读取地理位置信息；

从ram读取时间信息，并进行加法运算，然后通过串口发送模块发送时间信息。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种基于GNSS设备的时间对准方法，其特征在于，包括：

通过对源同步时钟进行AD采样，得到稳态数据的步骤；

对稳态数据进行均值滤波，根据滤波结果，判断是否存在噪声的步骤：对稳态数据中M条数据的累加和进行高阶均值滤波；对稳态数据中N条数据的累加和进行低阶均值滤波；所述累加和的计算方式为：以循环覆盖的方式，对每次抽取的AD采样数据进行累加，得到累加和；对高阶均值滤波和低阶均值滤波的结果进行作差，取绝对值作为差值；判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求，若是，则判定存在噪声，产生噪声触发信号；

获取GNSS设备的GPS时钟信号，基于GPS时钟信号，计算出纳秒级时间数值的步骤：对GPS时钟信号的任意两个PPS脉冲间的时钟进行计数，以测定当前时钟的时钟频率；并记录噪声触发信号来临时刻的计数值，以测定噪声来临的时间；取离当前时刻最近的若干个PPS脉冲下，对时钟的计数，并对该计数进行平均，作为当前时刻的时钟频率；将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值，得到纳秒级别的时间数值；

读取RTC时间的步骤；

在GPS时钟信号正常，且不存在噪声时，输出RTC时间，否则，输出GPS时间数值。

2.如权利要求1所述的时间对准方法，其特征在于，对于所述累加和的计算，还增加了延迟处理步骤。

3.如权利要求1或2所述的时间对准方法，其特征在于，所述判断差值与预定噪声阈值的关系是否满足预定要求具体为：判断差值是否在预定噪声阈值的K倍以上，K取正整数。

4.如权利要求1或2所述的时间对准方法，其特征在于，所述预定噪声阈值具体为：在预定时间段内，AD采样数据的最大值，并按预定规则进行更新。

5.如权利要求4所述的时间对准方法，其特征在于，所述预定噪声阈值的更新规则为：在存在噪声时不更新，否则按预定频率进行更新。

6.如权利要求1所述的时间对准方法，其特征在于，在将噪声来临时刻的计数值除以当前时刻的时钟计数平均值前，还对噪声触发信号来临时刻的计数值进行补偿。

7.如权利要求6所述的时间对准方法，其特征在于，所述补偿的值为固定值。

Images