CN110515102A - 一种基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法 - Google Patents

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刘娅
李孝辉
陈瑞琼
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/25—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system involving aiding data received from a cooperating element, e.g. assisted GPS
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Abstract

本发明提供了一种基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，以晶振输出的10MHz频率信号作为用户端卫星共视接收机的外部参考频率信号，与晶振同源的接收机输出1PPS时间信号就是用户端复现的时间信号。然后通过卫星共视技术，用户端复现的时间信号与国家授时中心主钟(UTC(NTSC))进行比对，交互观测时差数据，获得用户端复现的时间相对于UTC(NTSC)的观测时间偏差数据，利用该观测时间偏差数据拟合出晶振的性能参数，实现对晶振的控制，从而在用户端复现出性能与UTC(NTSC)相当的时间信号，通过这种方法复现的时间信号与UTC(NTSC)之偏差的MTIE优于5ns/1d，标准差优于0.7ns/1d。

Description

一种基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法
技术领域
本发明涉及一种低成本的ns级时间复现技术。
背景技术
共视时间传递是以卫星系统时间作为公共参考源，在两个观测站同步观测卫星，测量观测站与卫星系统时间之差，通过比较两个观测站的观测结果，从而确定两观测站时间的相对偏差。
通常用于卫星共视的接收机需要外部参考频率信号(10MHz频率信号)，参考频率信号的性能在一定程度上影响了卫星共视的观测结果，因此，选用性价比不同的参考频率信号，对卫星共视的观测结果起到了至关重要的作用。同时，共视接收机输出的时间信号(1PPS时间信号)与参考频率信号同源，输出的时间信号性能也与参考频率信号息息相关。
时间标准以铯钟和氢钟为主，由于它们昂贵的价格和对环境的高要求，大多时间用户都无法接受，而在实际应用中，许多用户需要准确度好、稳定度高的标准时间信号，因此价格便宜的晶振便成了首选。但是，晶振存在频率偏移和老化的问题，导致输出的结果逐渐偏离标准时间，不能满足时间用户的精度要求。
现有的基于卫星共视比对驾驭晶振实现的时间复现技术，因卫星共视技术本身精度(不确定度为5ns)的限制，使得复现的时间信号精度也难以提高。传统的基于卫星共视驾驭晶振，是将晶振产生的频率信号分频为时间信号，再进行测量，分频和测量过程本身存在一定的不确定性。此外，如果选择更高精度的参考频率信号作为共视接收机的外部参考频率信号，会大幅度提高用户端的成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于卫星共视实时比对技术驾驭晶振实现ns级时间复现技术，就是以晶振作为共视接收机的参考信号，通过卫星共视观测所得的时间偏差数据拟合晶振的性能参数，以此参数控制晶振，使得用户端复现的时间与标准时间(UTC(NTSC))同步。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)以晶振产生的10MHz频率信号作为共视接收机参考频率信号时，共视接收机输出的1PPS时间信号为本地复现的时间信号。
2)通过卫星共视实时比对时间间隔，用相邻两个固定时间段内获得的观测时间偏差数据作差，差值除以固定时间段时长得到晶振的频率偏移；选取当前时间段内的观测时间偏差数据作为晶振当前的相位偏差；
3)根据晶振的频率偏移和相位偏差，通过压控电压控制晶振，使得用户端复现的时间信号围绕标准时间信号上下摆动。
所述的步骤1)之前测试晶振的性能，确定一个相对稳定的晶振初始化压控电压值，所述的相对稳定是指电压值变化优于±1ns/1s。
所述的步骤1)通过接收机内部控制时间信号的指令控制接收机消除初始粗大时间偏差，从而实现初始时刻用户时间与标准时间之间的时间差不超过1μs。
所述的步骤3)对晶振进行控制时，设置门限值控制量，若晶振控制量超过门限值控制量，以门限值控制量控制晶振，若未超过，则以计算的晶振性能参数进行控制。
所述的门限值控制量为±5E-11。
本发明的有益效果是：(1)通过卫星共视技术驾驭晶振的ns级时间复现技术，使得用户端复现的时间信号与UTC(NTSC)的偏差的MTIE优于5ns/1d，标准差优于0.7ns/1d；(2)该时间复现技术，可为用户提供稳定度优于4.5E-13/10000s的10MHz频率基准信号；(3)与传统时间复现技术比较，本发明的用户端不再需要时间间隔测量技术及频率信号的分频技术，显著节省了用户的经济成本，同时用户的时间信号与频率信号性能得到了明显的提高。
附图说明
图1是本发明的技术原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种基于卫星共视实时比对技术驾驭晶振的ns级时间复现技术，原理如图1所示，晶振产生的10MHz频率信号作为接收机的参考频率信号，与参考频率信号同源的接收机输出1PPS时间信号为用户复现的时间信号，即为用户本地的时间信号；同时，晶振可以输出10MHz频率信号供用户使用。基于卫星共视比对获得的观测时间偏差数据输入到晶振，用于晶振的性能拟合和频率控制。
下面从时间信号产生与初始化和晶振性能参数的拟合与控制两个方面分析基于卫星共视比对驾驭晶振的ns级时间复现技术方案。
1)复现时间信号的产生与初始化粗同步，以晶振产生的10MHz频率信号作为接收机参考频率信号时，接收机输出的时间信号与晶振同源，即共视接收机输出的1PPS时间信号为本地复现的时间信号。
由于晶振压控电压在初始化过程中的不确定，导致以晶振作为共视接收机参考频率信号时接收机输出的1PPS时间信号有突跳(100ns)，影响共视观测结果，进而使得晶振收敛时间长，甚至是不收敛的。同时，以晶振作为共视接收机的参考频率信号，接收机输出的1PPS时间复现信号与标准时间信号(UTC(NTSC))在系统初始化时刻可能存在超过1μs的时间偏差。因此，为了有效地完成复现时间信号的初始化粗同步，需要进行两步操作。1、事先需要测试晶振的性能，确定一个相对稳定的晶振初始化压控电压值(优于±1ns/1s)。2、通过接收机内部控制时间信号的指令控制接收机消除初始粗大时间偏差，从而实现初始时刻用户时间与标准时间之间的粗同步。步骤1是步骤2的前提条件。
2)对晶振性能参数的估计方法，就是用相邻两个固定时间段(卫星共视实时比对时间间隔)内获得的观测时间偏差数据进行作差，即后一时间段的观测时间偏差减去前一时间段的观测时间偏差，该差值除以该固定时间段即可得到晶振的频率偏移；选取当前时间段内的观测时间偏差数据作为晶振当前的相位偏差；这样，就得到了晶振的相位变化与频率偏移变化参数。
晶振作为接收机外部参考频率信号产生本地时间，从相位变化来说，晶振的控制是不能超过100ns，因此，对通过压控电压控制晶振这种控制方式提出了更高的要求，要求晶振控制量不得超过5E-11量级。根据拟合出的晶振性能参数，计算出晶振频率控制量，由于环境温度变化、观测噪声及控制方式的影响，频率控制量需要进行衰减，在衰减时，相位变化计算的控制量衰减比例是频偏变化计算的控制量衰减比例的5倍，将二者相加作为最终晶振的频率控制量。
根据计算的晶振频率控制量，对晶振进行控制时，设置一定的门限值控制量(±5E-11)，若超过门限值控制量，以门限值控制量进行控制晶振，反之，以计算的晶振性能参数进行控制，使得用户端复现的时间信号围绕UTC(NTSC)标准时间信号上下摆动。
本发明以晶振输出的10MHz频率信号作为用户端卫星共视接收机的外部参考频率信号，与晶振同源的接收机输出1PPS时间信号就是用户端复现的时间信号。然后通过卫星共视技术，用户端复现的时间信号与国家授时中心主钟(UTC(NTSC))进行比对，交互观测时差数据，获得用户端复现的时间相对于UTC(NTSC)的观测时间偏差数据，利用该观测时间偏差数据拟合出晶振的性能参数，实现对晶振的控制，从而在用户端复现出性能与UTC(NTSC)相当的时间信号，通过这种方法复现的时间信号与UTC(NTSC)之偏差的MTIE优于5ns/1d，标准差优于0.7ns/1d。

Claims (5)

1.一种基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，其特征在于包括以下步骤：
1)以晶振产生的10MHz频率信号作为共视接收机参考频率信号时，共视接收机输出的1PPS时间信号为本地复现的时间信号。
2)通过卫星共视实时比对时间间隔，用相邻两个固定时间段内获得的观测时间偏差数据作差，差值除以固定时间段时长得到晶振的频率偏移；选取当前时间段内的观测时间偏差数据作为晶振当前的相位偏差；
3)根据晶振的频率偏移和相位偏差，通过压控电压控制晶振，使得用户端复现的时间信号围绕标准时间信号上下摆动。
2.根据权利要求1所述的基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，其特征在于：所述的步骤1)之前测试晶振的性能，确定一个相对稳定的晶振初始化压控电压值，所述的相对稳定是指电压值变化优于±1ns/1s。
3.根据权利要求1所述的基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，其特征在于：所述的步骤1)通过接收机内部控制时间信号的指令控制接收机消除初始粗大时间偏差，从而实现初始时刻用户时间与标准时间之间的时间差不超过1μs。
4.根据权利要求1所述的基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，其特征在于：所述的步骤3)对晶振进行控制时，设置门限值控制量，若晶振控制量超过门限值控制量，以门限值控制量控制晶振，若未超过，则以计算的晶振性能参数进行控制。
5.根据权利要求4所述的基于卫星共视观测驾驭晶振的ns级时间复现方法，其特征在于：所述的门限值控制量为±5E-11。
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