CN109856956A - 基于比对的时钟授时装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于比对的时钟授时装置，属于时钟授时技术领域，包括若干台基站时钟、统一参考源、预处理模块、接收机、钟差计算模块、模型计算模块和授时预报输出模块，若干台基站时钟输出时钟频率信号；预处理模块和所述若干台基站时钟相通，所述预处理模块和所述统一参考源相通；接收机获得卫星信号；钟差计算模块和所述预处理模块相通，所述钟差计算模块和所述接收机相通，所述钟差计算模块和所述统一参考源相通；模型计算模块和所述钟差计算模块相通；授时预报输出模块和所述模型计算模块相通，通过所述模型计算模块将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块，以作为授时预报时钟输出。本发明达到了能够实现高精度授时的技术效果。

Description

基于比对的时钟授时装置

技术领域

本发明属于时钟授时技术领域，特别涉及一种基于比对的时钟授时装置。

背景技术

时间是物理学中的七个基本物理量(长度m，时间s，质量kg，热力学温度K(开)，电流单位A(安)，光强度cd(坎德拉)，物质的量mol(摩尔))之一。时间作为一个基本的物理量，其基准所能达到的准确度和稳定度等级直接关系着一个国家基础科学研究、国民经济稳定运行和国防建设的各个方面。

在现有的基于时钟授时的技术中，时间基准被人们确认为是最精确的时间尺度，但是由于时间基准的数量是有限的，各个国家通过在研制高精度时间频率源的同时，也不断加强授时技术的研究。例如卫星导航系统作为一种新型的授时系统近年来得到了广泛而深入的研究，利用本地钟与卫星钟的钟差可计算出当前的时刻，从而进行授时。

综上所述，在现有的基于时钟授时的技术中，存在着难以进行高精度的授时的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在现有的基于时钟授时的技术中，存在着难以进行高精度的授时的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于比对的时钟授时装置，所述基于比对的时钟授时装置包括若干台基站时钟，所述若干台基站时钟输出时钟频率信号；统一参考源；预处理模块，所述预处理模块和所述若干台基站时钟相通，所述预处理模块和所述统一参考源相通，所述若干台基站时钟将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，在所述统一参考源的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号；接收机，所述接收机获得卫星信号；钟差计算模块，所述钟差计算模块和所述预处理模块相通，所述钟差计算模块和所述接收机相通，所述钟差计算模块和所述统一参考源相通，在所述统一参考源及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据；模型计算模块，所述模型计算模块和所述钟差计算模块相通，通过所述钟差计算模块将所述获得相应的钟差数据传递至所述模型计算模块，所述模型计算模块对所述获得相应的钟差数据进行分析和优化选择以获得对应的计算数据；授时预报输出模块，所述授时预报输出模块和所述模型计算模块相通，通过所述模型计算模块将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块，以作为授时预报时钟输出。

进一步地，所述预处理模块包括隔离放大器，所述隔离放大器接收所述时钟频率信号。

进一步地，所述预处理模块包括第一DDS处理模块，所述第一DDS处理模块和所述隔离放大器相通。

进一步地，所述预处理模块包括走时计数器，所述走时计数器和所述第一DDS处理模块相通，所述第一DDS处理模块位于所述走时计数器和所述隔离放大器之间。

进一步地，所述预处理模块包括锁存器，所述锁存器和所述走时计数器相通，所述走时计数器位于所述第一DDS处理模块和所述锁存器之间。

进一步地，所述预处理模块包括单片机，所述单片机和所述锁存器相通，所述锁存器位于所述单片机和所述走时计数器之间。

进一步地，所述预处理模块包括第二DDS处理模块，所述第二DDS处理模块和所述隔离放大器相通，所述第二DDS处理模块和所述单片机相通。

进一步地，所述预处理模块包括所述第二DDS处理模块位于所述隔离放大器和所述单片机之间。

进一步地，所述预处理模块包括滤波模块，所述滤波模块和所述第二DDS处理模块相通，所述第二DDS处理模块位于所述滤波模块和所述单片机之间。

进一步地，所述预处理模块包括所述滤波模块将所述时钟频率信号变为所述归一化的1MHz时钟频率信号。

有益效果：

本发明提供一种基于比对的时钟授时装置，通过预处理模块分别和若干台基站时钟、统一参考源相互连通，来使得若干台基站时钟将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，并且在所述统一参考源的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号。通过接收机获得卫星信号，将钟差计算模块分别和预处理模块、接收机、统一参考源相互连通，来使得在所述统一参考源及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据。然后通过模型计算模块和所述钟差计算模块相互连通，所述钟差计算模块将所述获得相应的钟差数据传递至所述模型计算模块中，所述模型计算模块对所述获得相应的钟差数据进行分析和优化选择以获得对应的计算数据。再通过授时预报输出模块和所述模型计算模块相互连通，来通过所述模型计算模块将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块中，以作为授时预报时钟输出。从而达到了能够实现高精度授时的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图1；

图2为本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置中预处理模块原理图的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图2；

图4为本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图3；

图5为本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图4。

具体实施方式

本发明公开了一种基于比对的时钟授时装置，通过预处理模块分别和若干台基站时钟100、统一参考源200相互连通，来使得若干台基站时钟100将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，并且在所述统一参考源200的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号。通过接收机400获得卫星信号，将钟差计算模块500分别和预处理模块、接收机400、统一参考源200相互连通，来使得在所述统一参考源200及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据800。然后通过模型计算模块600和所述钟差计算模块500相互连通，所述钟差计算模块500将所述获得相应的钟差数据800传递至所述模型计算模块600中，所述模型计算模块600对所述获得相应的钟差数据800进行分析和优化选择以获得对应的计算数据。再通过授时预报输出模块700和所述模型计算模块600相互连通，来通过所述模型计算模块600将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块700中，以作为授时预报时钟输出。从而达到了能够实现高精度授时的技术效果。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图1。本发明实施例提供一种基于比对的时钟授时装置，基于比对的时钟授时装置包括若干台基站时钟100、统一参考源200、预处理模块、接收机400、钟差计算模块500、模型计算模块600、授时预报输出模块700。现分别对若干台基站时钟100、统一参考源200、预处理模块、接收机400、钟差计算模块500、模型计算模块600、授时预报输出模块700进行以下详细说明：

对于若干台基站时钟100而言：

若干台基站时钟100输出时钟频率信号。

请继续参见图1，若干台基站时钟100可以是指基站时钟1、基站时钟2、基站时钟3...基站时钟N，即若干台基站时钟100可以是1台基站时钟、2台基站时钟、3台基站时钟、4台基站时钟、5台基站时钟、6台基站时钟、7台基站时钟等。若干台基站时钟100可以将输出的时钟频率信号传递至下述预处理模块中。

对于统一参考源200而言：

请继续参见图1，地面基站的N台时钟源(图1中的基站时钟1、基站时钟2……基站时钟N)输出的时钟频率信号分别送至预处理模块，在统一参考源200的参考作用下变为归一化的1MHz时钟频率信号输送至钟差计算模块500。归一化的各路基站时钟信号在统一参考源200及接收机400获得的卫星信号作用下进行钟差比对并获得相应的钟差数据800(即钟差1、钟差2、钟差3)，然后送至模型计算模块600中对这些数据进行进一步分析获得对应的计算数据，经优化选择后，将数据送至授时预报输出模块700作为输出用。

对于预处理模块而言：

预处理模块和所述若干台基站时钟100相通，所述预处理模块和所述统一参考源200相通，所述若干台基站时钟100将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，在所述统一参考源200的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号。

预处理模块可以包括隔离放大器、第一DDS处理模块900、走时计数器、锁存器、单片机、第二DDS处理模块1000和滤波模块，所述隔离放大器接收所述时钟频率信号。所述第一DDS处理模块900和所述隔离放大器相通。所述走时计数器和所述第一DDS处理模块900相通，所述第一DDS处理模块900位于所述走时计数器和所述隔离放大器之间。所述锁存器和所述走时计数器相通，所述走时计数器位于所述第一DDS处理模块900和所述锁存器之间。所述单片机和所述锁存器相通，所述锁存器位于所述单片机和所述走时计数器之间。

第二DDS处理模块1000和所述隔离放大器相通，所述第二DDS处理模块1000和所述单片机相通，所述第二DDS处理模块1000位于所述隔离放大器和所述单片机之间。所述滤波模块和所述第二DDS处理模块1000相通，所述第二DDS处理模块1000位于所述滤波模块和所述单片机之间，所述滤波模块将所述时钟频率信号变为所述归一化的1MHz时钟频率信号。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置中预处理模块原理图的示意图。第一DDS处理模块900可以是指DDS1，第二DDS处理模块1000可以是指DDS2。请参见图2，预处理模块的功能是实现将各路基站时钟频率信号归一化为统一的1MHz时钟频率信号输出。图2为某一路(如基站时钟1)信号的预处理原理，其余各路(如基站时钟2……基站时钟N)的处理方法与图2原理一致。

基站时钟信号fx经过隔离放大器后分别送至两路DDS处理模块。当基站时钟信号频率为上十兆甚至上百兆赫兹时，考虑到走时计数器对被测频率范围的限制，在本发明中设计其中一路DDS1模块对基站时钟信号进行1/100分频处理。基站时钟信号经隔离放大器后直接送入DDS1的外部时钟输入端，作为DDS1工作时的参考时钟。DDS1的外部通讯端口连接至单片机，实际选用的DDS1芯片内部有2个48位频率控制寄存器(F0、F1)，对于本装置参考频率信号fx(由现有技术可知，fx信号的频率通常会大于1MHz)，48位的频率控制寄存器F0全填充1时，DDS1会有fx频率信号输出，因此为得到1/100分频时钟频率信号，需要对DDS1中频率控制寄存器F0设置相应的分频数值，具体计算的方法是如式(1)其中，D为所需要计算的具体分频数值，fx为参考信号频率(即图2中的基站时钟信号)，f为所需要1/100分频频率，对于f/fx＝1/100的情况，分频数值D应为2⁴⁸×10^-2。单片机根据式(1)得到的分频数值D通过串行通讯时序写入DDS1缓存区，经DDS1得到的1/100分频率信号后，送至走时计数器进行粗频率测量，单片机读取锁存器对走时计数器取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后便可得到基站时钟信号的粗频率值F。

图2中基站时钟信号另一路经过隔离放大器被送至DDS2的外部时钟输入端，作为DDS2工作时的参考时钟。同时DDS2的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式(1)计算得到与DDS2通讯用的分频数值：其中F为通过走时计数器计数、单片机运算得到的基站时钟信号的粗频率值，f取1MHz，并通过串行通讯时序将所得的具体分频数值写入DDS2缓存区，经DDS2后得到1MHz的频率信号，将所得的频率信号再送至低通滤波模块后得到最终的1MHz频率信号输出至图1中的钟差计算模块500。其它和路基站时钟信号2......基站时钟信号N，均通过上述方法获得归一化为统一的1MHz时钟频率信号输出至图1中的钟差计算模块500。

对于接收机400和钟差计算模块500而言：

接收机400获得卫星信号；所述钟差计算模块500和所述预处理模块相通，所述钟差计算模块500和所述接收机400相通，所述钟差计算模块500和所述统一参考源200相通，在所述统一参考源200及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据800。

请参见图3和图4，图3是本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图2；图4是本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图3。钟差计算模块500可以是指钟差计算。钟差计算，预置的卫星秒脉冲闸门信号(宽度为T＝1秒)在高电平到来时，归一化基站时钟信号第一个脉冲的上升沿(A点)，使计数器1、计数器2使能端有效，并分别对归一化基站时钟信号和统一参考源200信号计数，当T秒后，预置的卫星秒脉冲闸门信号高电平再次到来时(B点)，此时两计数器并没有停止计数，一直等到随后而至的归一化基站时钟信号的上升沿到来时两计数器同时关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于归一化基站时钟信号的完整周期数。

设归一化基站时钟信号的频率为X，统一参考源200信号的频率为fo，在闸门时间T内，计数器对归一化基站时钟信号及本地参考源信号的计数分别为N1，N2，则有式(2)：由式(2)可知，归一化基站时钟信号的频率X与本地参考源频率fo及两计数器的计数值N₁，N₂有关，结合图3理解：由于整个测量的闸门是由卫星秒脉冲信号控制的，再由式(2)获得的归一化基站时钟信号的频率X与f_o、N₁，N₂有关，所以X的数值有本地参考源信号与卫星信号的贡献，在这里X就是我们要求的钟差数据800。结合图1，基站时钟信号i(i＝1,2,......,N)经预处理模块后获得对应的归一化信号X_i(i＝1,2,......,N),通过图4的测量方法可以获得我们想要的钟差数据800X_i(i＝1,2,......,N)。按照图4的连续采样，我们将获得一系列钟差数据800组X_ij，其中i＝1,2,......,N表示第几组钟差(即图1中的钟差1、钟差2、......钟差N)，j＝1,2,......,N表示第i组钟差的第几个数据。

对于模型计算模块600而言：

模型计算模块600和所述钟差计算模块500相通，通过所述钟差计算模块500将所述获得相应的钟差数据800传递至所述模型计算模块600，所述模型计算模块600对所述获得相应的钟差数据800进行分析和优化选择以获得对应的计算数据。

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种基于比对的时钟授时装置的示意图4。模型计算模块600可以是指模型计算。模型计算，以基站时钟2经预处理后获得归一化的信号，再经钟差计算模块500后获得的钟差2数据组X_2j为例(其它各路处理方法一致)：按照图4的原理进行连续采样可以获得钟差数据800X₂₁、X₂₂、......X_2N，在本模块中，首先对上述数据进行相邻两项相减获得钟差差频数据Y₂K(K＝1，2，......N)，它的图形如图5所示。

在实际应用中，通过最小二乘法，对上述钟差差频数据Y2K进行一次曲线拟合来得到具体的漂移量。最小二乘法中因变量Y与自变量X之间的关系可以用如下式(3)的数学模型表示：Y＝a+bX+ε。其中a，b是未知常数，ε是随机误差。X表征测量数据的个数(j)，Y表征测试的差频数据，而b就是我们所需要的漂移，具体计算公式如下式(4)：式中，x_i表征具体的第j个数据点，为所有数据点累加后的平均值，y_i为第j个点差频测试值，表征所有差频测试值累加后的平均值。得到漂移值b后，再用钟差差频数据Y₂K分别减去漂移值获得扣除漂移后的钟差差频率修正数据Z₂K。然后再用下述公式(5)：来求得在图4采样时间T＝1秒的频率稳定度数据。根据实际授时的需要，我们有时会用到T＝10秒、T＝1小时等的结果，处理方法是：因为Z₂K表征T＝1秒的数据，我们将每10个Z₂K数据(即10秒)或每3600个Z₂K数据(即1小时)进行累加平均后，再依照式(5)求得频率稳定度数据或

对于授时预报输出模块700而言：

授时预报输出模块700和所述模型计算模块600相通，通过所述模型计算模块600将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块700，以作为授时预报时钟输出。

具体而言，授时预报输出模块700可以是指授时预报输出。以某一特地环境实际授时要求(T＝1小时)为例(即每1小时要求地面基站输出准确的授时信号)：按照上述方法我们可以获得N组频率稳定度数据它表征了图1中地面基站时钟1、地面基站时钟2、......地面基站时钟N的在以T＝1小时为间隔的频率特性，我们选择其中最小的频率稳定度数据(如：)，即对应的地面基站时钟2作为授时预报时钟输出。

本发明提供一种基于比对的时钟授时装置，通过预处理模块分别和若干台基站时钟100、统一参考源200相互连通，来使得若干台基站时钟100将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，并且在所述统一参考源200的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号。通过接收机400获得卫星信号，将钟差计算模块500分别和预处理模块、接收机400、统一参考源200相互连通，来使得在所述统一参考源200及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据800。然后通过模型计算模块600和所述钟差计算模块500相互连通，所述钟差计算模块500将所述获得相应的钟差数据800传递至所述模型计算模块600中，所述模型计算模块600对所述获得相应的钟差数据800进行分析和优化选择以获得对应的计算数据。再通过授时预报输出模块700和所述模型计算模块600相互连通，来通过所述模型计算模块600将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块700中，以作为授时预报时钟输出。从而达到了能够实现高精度授时的技术效果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述基于比对的时钟授时装置包括：

若干台基站时钟，所述若干台基站时钟输出时钟频率信号；

统一参考源；

预处理模块，所述预处理模块和所述若干台基站时钟相通，所述预处理模块和所述统一参考源相通，所述若干台基站时钟将所述时钟频率信号传递至所述预处理模块，在所述统一参考源的参考作用下将所述时钟频率信号变为归一化的1MHz时钟频率信号；

接收机，所述接收机获得卫星信号；

钟差计算模块，所述钟差计算模块和所述预处理模块相通，所述钟差计算模块和所述接收机相通，所述钟差计算模块和所述统一参考源相通，在所述统一参考源及所述卫星信号的作用下，通过将各路所述归一化的1MHz时钟频率信号进行钟差比对以获得相应的钟差数据；

模型计算模块，所述模型计算模块和所述钟差计算模块相通，通过所述钟差计算模块将所述获得相应的钟差数据传递至所述模型计算模块，所述模型计算模块对所述获得相应的钟差数据进行分析和优化选择以获得对应的计算数据；

授时预报输出模块，所述授时预报输出模块和所述模型计算模块相通，通过所述模型计算模块将所述计算数据传递至所述授时预报输出模块，以作为授时预报时钟输出。

2.如权利要求1所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

隔离放大器，所述隔离放大器接收所述时钟频率信号。

3.如权利要求2所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

第一DDS处理模块，所述第一DDS处理模块和所述隔离放大器相通。

4.如权利要求3所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

走时计数器，所述走时计数器和所述第一DDS处理模块相通，所述第一DDS处理模块位于所述走时计数器和所述隔离放大器之间。

5.如权利要求4所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

锁存器，所述锁存器和所述走时计数器相通，所述走时计数器位于所述第一DDS处理模块和所述锁存器之间。

6.如权利要求5所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

单片机，所述单片机和所述锁存器相通，所述锁存器位于所述单片机和所述走时计数器之间。

7.如权利要求6所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

第二DDS处理模块，所述第二DDS处理模块和所述隔离放大器相通，所述第二DDS处理模块和所述单片机相通。

8.如权利要求7所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

所述第二DDS处理模块位于所述隔离放大器和所述单片机之间。

9.如权利要求8所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

滤波模块，所述滤波模块和所述第二DDS处理模块相通，所述第二DDS处理模块位于所述滤波模块和所述单片机之间。

10.如权利要求9所述的基于比对的时钟授时装置，其特征在于，所述预处理模块包括：

所述滤波模块将所述时钟频率信号变为所述归一化的1MHz时钟频率信号。