CN111208727A - 一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法 - Google Patents

一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法，在实现同步守时过程中利用翻转鉴相实现1PPS信号的相位差检测，结合步进补偿和相移对齐，实时、精确的控制1PPS的输出相位，很好的消除了本地时钟的累积误差和卫星1PPS信号的跳变；实现了高精度同步守时，在卫星同步时，输出1PPS的同步精度优于16ns；在卫星失连时，本地守时24h，误差小于3us；同时支持输出1PPS脉宽在线配置。

Description

一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法。
背景技术
在要求高精度的时间设备中，一般都会利用卫星的秒脉冲和NMEA0183协议数据包来进行时间同步，处理系统将同步信息转换成1PPS+TOD或B(DC)码的形式用户各种设备的时间同步，因此这里就涉及到了1PPS的同步问题。目前很多技术都是在卫星连接时直接将卫星1PPS输出，在卫星失联时用本地的时钟进行守时处理，然而这种技术存在一定的局限性，不能有效的去除1PPS的跳变，同时在卫星失连时输出1PPS会出现抖动。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法解决了现有时间同步装置中不能有效去除卫星1PPS信号跳变，并在卫星失连断开是造成输出1PPS信号抖动的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置，包括时钟源、卫星接收器、同步模块、输出设备和CPU；
所述卫星接收器的输出端分别与所述时钟源的输入端和同步模块的第一输入端连接，所述时钟源的输出端与同步模块的第二输入端连接，所述同步模块的输出端与所述输出设备的输入端连接；
所述同步模块与所述CPU通信连接。
进一步地，所述时钟源为铷原子钟。
进一步地，所述同步模块包括步进补偿单元和翻转鉴相单元；
所述卫星接收器的输出端分别与所述步进补偿单元的第一输入端和翻转鉴相单元的第一输入端连接，所述步进补偿单元的输出端分别与翻转鉴相单元的第二输入端和输出设备的输入端连接，所述翻转鉴相单元的输出端与所述步进补偿单元的第二输入端连接。
进一步地，所述卫星接收器用于接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号到同步模块和时钟源中；
所述时钟源用于输出与卫星1PPS信号同步的时钟信号至同步模块；
所述步进补偿单元用于产生并输出1PPS信号，并通过相移对齐的方式实现输出1PPS信号的同步；
所述翻转鉴相单元用于计算卫星1PPS信号与输出1PPS信号的相位差；
所述输出设备用于接收信号输出设备输出的输出1PPS信号；
所述CPU用于配置同步模块输出的输出1PPS信号的脉宽。
一种高精度卫星秒脉冲同步守时方法，包括以下步骤：
S1、通过卫星接收器接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号至同步模块和铷原子钟；
S2、将铷原子钟使用PLL核倍频成125Mhz的时钟信号，并输入到同步模块中作为其内部时钟；
S3、在同步模块中，当检测到卫星1PPS信号的上升沿时，拉高输出1PPS信号，同时内部高精度守时计数器进行计数；
S4、通过翻转鉴相单元，检测输入1PPS信号与输出1PPS信号的相位差信号；
所述输入1PPS信号为对卫星1PPS信号进行上升沿检测时，延时3个时钟周期后同步模块的内部1PPS信号；
S5、根据相位差信号，通过步进补偿单元利用相移对齐的方式对输出1PPS信号进行相位调整；
S6、判断卫星是否连接；
若是，则进入步骤S7；
若否，则进入步骤S8；
S7、重复步骤S3-S5，通过精确调整输出1PPS信号的相位，使其与卫星1PPS信号同步，实现同步守时；
S8、通过铷原子钟进行输出1PPS信号的自主守时。
进一步地，所述步骤S3中，所述输出1PPS信号根据计数器的值进行拉高或拉低控制；
所述计数器使用同步模块内部的高频时钟进行计数；
当所述计数器计数到high_1PPS时，将输出1PPS信号拉高；
当所述计数器计数到low_1PPS时，将输出1PPS信号拉低；
所述low_1PPS作为同步模块的内部寄存器，通过CPU对low_1PPS进行配置，产生不同脉宽的输出1PPS信号。
进一步地，所述步骤S4具体为：
S41、分别为输入1PPS信号和输出1PPS信号产生对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号，并将其默认为低；
S42、当输入1PPS信号的上升沿和输出IPPS信号的上升沿到来时，将对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号翻转；
S43、通过对输入沿指示信号和输出沿指示信号进行异或处理，得到相位差信号。
进一步地，所述步骤S5中，当输入1PPS信号与卫星1PPS信号存在相位差信号时，对应的相位差指示信号产生高电平脉冲，通过步进补偿单元在每次检测到高电平脉冲时，对输出1PPS信号进行相位调整。
进一步地，对输出1PPS信号进行相位调整的方法具体为：
A1、判断输出1PPS信号是否超前于卫星1PPS信号；
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、将输出1PPS信号右移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值保持不变；
A3、将输出1PPS信号左移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值加2。
本发明的有益效果为：
本发明在实现同步守时过程中利用翻转鉴相实现1PPS信号的相位差检测，结合步进补偿和相移对齐，实时、精确的控制1PPS的输出相位，很好的消除了本地时钟的累积误差和卫星1PPS信号的跳变；实现了高精度同步守时，在卫星同步时，输出1PPS的同步精度优于16ns；在卫星失连时，本地守时24h，误差小于3us；同时支持输出1PPS脉宽在线配置。
附图说明
图1为本发明提供的高精度卫星秒脉冲同步守时装置结构图。
图2为本发明提供的高精度卫星秒脉冲同步守时方法流程图。
图3为本发明提供的翻转鉴相时序图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
如图1所示，一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置，包括时钟源、卫星接收器、同步模块、输出设备和CPU；
卫星接收器的输出端分别与时钟源的输入端和同步模块的第一输入端连接，时钟源的输出端与同步模块的第二输入端连接，同步模块的输出端与输出设备的输入端连接；
同步模块与CPU通信连接。
本实施例中的时钟源为高精度可驯服铷原子钟，卫星接收器输出的卫星1PPS信号会驯服铷原子钟，使其输出时钟与卫星1PPS信号同步，其输出时钟会作为同步模块的时钟输入；
本实施例中的同步模块包括步进补偿单元和翻转鉴相单元；其中，卫星接收器的输出端分别与步进补偿单元的第一输入端和翻转鉴相单元的第一输入端连接，步进补偿单元的输出端分别与翻转鉴相单元的第二输入端和输出设备的输入端连接，翻转鉴相单元的输出端与步进补偿单元的第二输入端连接。
本实施例中的卫星接收器用于接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号到同步模块和时钟源中；
时钟源用于输出与卫星1PPS信号同步的时钟信号至同步模块；
所述步进补偿单元用于产生并输出1PPS信号，并通过相移对齐的方式实现输出1PPS信号的同步；
翻转鉴相单元用于计算卫星1PPS信号与输出1PPS信号的相位差；
输出设备用于接收信号输出设备输出的输出1PPS信号；
CPU用于配置同步模块输出的输出1PPS信号的脉宽。
实施例2：
如图2所示，一种高精度卫星秒脉冲同步守时方法，包括以下步骤：
S1、通过卫星接收器接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号至同步模块和铷原子钟；
其中，输入到铷原子钟的卫星1PPS信号会为驯服铷原子钟，使其输出的时钟信号与卫星1PPS信号同步；
S2、将铷原子钟使用PLL核倍频成125Mhz的时钟信号，并输入到同步模块中作为其内部时钟；
S3、在同步模块中，当检测到卫星1PPS信号的上升沿时，拉高输出1PPS信号，同时内部高精度守时计数器进行计数；
S4、通过翻转鉴相单元，检测输入1PPS信号与输出1PPS信号的相位差信号；
输入1PPS信号为对卫星1PPS信号进行上升沿检测时，延时3个时钟周期后同步模块的内部1PPS信号；
S5、根据相位差信号，通过步进补偿单元利用相移对齐的方式对输出1PPS信号进行相位调整；
S6、判断卫星是否连接；
若是，则进入步骤S7；
若否，则进入步骤S8；
S7、重复步骤S3-S5，通过精确调整输出1PPS信号的相位，使其与卫星1PPS信号同步，实现同步守时；
S8、通过铷原子钟进行输出1PPS信号的自主守时。
上述步骤S3中，输出1PPS信号根据计数器的值进行拉高或拉低控制；
计数器使用同步模块内部的高频时钟进行计数(满1s清零)；
当计数器计数到high_1PPS时，将输出1PPS信号拉高；
当计数器计数到low_1PPS时，将输出1PPS信号拉低；
low_1PPS作为同步模块的内部寄存器，通过CPU对low_1PPS进行配置，产生不同脉宽的输出1PPS信号(一般脉宽默认为500ms)。
为了得到输入1PPS信号与输出1PPS信号的相位差信号，本实施例中使用一种翻转鉴相的方法计算两个1PPS信号上升沿之间的相位差，因此上述步骤S4具体为：
S41、分别为输入1PPS信号和输出1PPS信号产生对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号，并将其默认为低；
S42、当输入1PPS信号的上升沿和输出IPPS信号的上升沿到来时，将对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号翻转；
S43、通过对输入沿指示信号和输出沿指示信号进行异或处理，得到相位差信号。
在上述步骤S5中，如图3所示，当输入1PPS信号与卫星1PPS信号存在相位差信号时，对应的相位差指示信号产生高电平脉冲，通过步进补偿单元在每次检测到高电平脉冲时，对输出1PPS信号进行相位调整。
每次步进补偿时，都会利用相移对齐方式来进行输出1PPS信号的相位调整，对输出1PPS信号进行固定的相移(相移均与内部系统时钟为单位，例如相移90°，就移动125Mhz时钟的90°相位长度)，从而稳定、精确的将输出1PPS与卫星1PPS信号实现对齐；因此，对输出1PPS信号进行相位调整的方法具体为：
A1、判断输出1PPS信号是否超前于卫星1PPS信号；
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、将输出1PPS信号右移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值保持不变；
A3、将输出1PPS信号左移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值加2。
在上述步骤S6中，判断卫星是否处于连接状态后，当卫星从连接状态断开时，步进补偿单元不使能，此时不对输出1PPS信息进行补偿，固定计数到1S，输出1PPS的精度完全取决于原子钟的精确度，本装置中铷原子钟自主守时24h，误差小于3us；当卫星从失连状态连接时，会将相关的信号进行初始化：输出1PPS拉低；计数器初始化；两个1PPS沿指示信号拉低，初始化后等待卫星1PPS，重新进行同步的处理，并通过铷原子钟进行输出1PPS信号的自主守时。
本发明的有益效果为：
本发明提供的高精度卫星秒脉冲同步守时装置及方法，在实现同步守时过程中利用翻转鉴相实现1PPS信号的相位差检测，结合步进补偿和相移对齐，实时、精确的控制1PPS的输出相位，很好的消除了本地时钟的累积误差和卫星1PPS信号的跳变；实现了高精度同步守时，在卫星同步时，输出1PPS的同步精度优于16ns；在卫星失连时，本地守时24h，误差小于3us；同时支持输出1PPS脉宽在线配置。

Claims (9)

1.一种高精度卫星秒脉冲同步守时装置，其特征在于，包括时钟源、卫星接收器、同步模块、输出设备和CPU；
所述卫星接收器的输出端分别与所述时钟源的输入端和同步模块的第一输入端连接，所述时钟源的输出端与同步模块的第二输入端连接，所述同步模块的输出端与所述输出设备的输入端连接；
所述同步模块与所述CPU通信连接。
2.根据权利要求1所述的高精度卫星秒脉冲同步守时装置，其特征在于，所述时钟源为铷原子钟。
3.根据权利要求1所述的高精度卫星秒脉冲同步守时装置，其特征在于，所述同步模块包括步进补偿单元和翻转鉴相单元；
所述卫星接收器的输出端分别与所述步进补偿单元的第一输入端和翻转鉴相单元的第一输入端连接，所述步进补偿单元的输出端分别与翻转鉴相单元的第二输入端和输出设备的输入端连接，所述翻转鉴相单元的输出端与所述步进补偿单元的第二输入端连接。
4.根据权利要求3所述的高精度卫星秒脉冲同步守时装置，其特征在于，所述卫星接收器用于接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号到同步模块和时钟源中；
所述时钟源用于输出与卫星1PPS信号同步的时钟信号至同步模块；
所述步进补偿单元用于产生并输出1PPS信号，并通过相移对齐的方式实现输出1PPS信号的同步；
所述翻转鉴相单元用于计算卫星1PPS信号与输出1PPS信号的相位差；
所述输出设备用于接收信号输出设备输出的输出1PPS信号；
所述CPU用于配置同步模块输出的输出1PPS信号的脉宽。
5.一种高精度卫星秒脉冲同步守时方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过卫星接收器接收卫星信号，并输出卫星1PPS信号至同步模块和铷原子钟；
S2、将铷原子钟使用PLL核倍频成125Mhz的时钟信号，并输入到同步模块中作为其内部时钟；
S3、在同步模块中，当检测到卫星1PPS信号的上升沿时，拉高输出1PPS信号，同时内部高精度守时计数器进行计数；
S4、通过翻转鉴相单元，检测输入1PPS信号与输出1PPS信号的相位差信号；
所述输入1PPS信号为对卫星1PPS信号进行上升沿检测时，延时3个时钟周期后同步模块的内部1PPS信号；
S5、根据相位差信号，通过步进补偿单元利用相移对齐的方式对输出1PPS信号进行相位调整；
S6、判断卫星是否连接；
若是，则进入步骤S7；
若否，则进入步骤S8；
S7、重复步骤S3-S5，通过精确调整输出1PPS信号的相位，使其与卫星1PPS信号同步，实现同步守时；
S8、通过铷原子钟进行输出1PPS信号的自主守时。
6.根据权利要求5所述的高精度卫星秒脉冲同步守时方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述输出1PPS信号根据计数器的值进行拉高或拉低控制；
所述计数器使用同步模块内部的高频时钟进行计数；
当所述计数器计数到high_1PPS时，将输出1PPS信号拉高；
当所述计数器计数到low_1PPS时，将输出1PPS信号拉低；
所述low_1PPS作为同步模块的内部寄存器，通过CPU对low_1PPS进行配置，产生不同脉宽的输出1PPS信号。
7.根据权利要求5所述的高精度秒脉冲同步守时方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S41、分别为输入1PPS信号和输出1PPS信号产生对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号，并将其默认为低；
S42、当输入1PPS信号的上升沿和输出IPPS信号的上升沿到来时，将对应的输入沿指示信号和输出沿指示信号翻转；
S43、通过对输入沿指示信号和输出沿指示信号进行异或处理，得到相位差信号。
8.根据权利要求5所述的高精度卫星秒脉冲同步守时方法，其特征在于，所述步骤S5中，当输入1PPS信号与卫星1PPS信号存在相位差信号时，对应的相位差指示信号产生高电平脉冲，通过步进补偿单元在每次检测到高电平脉冲时，对输出1PPS信号进行相位调整。
9.根据权利要求8所述的高精度卫星秒脉冲同步守时方法，其特征在于，对输出1PPS信号进行相位调整的方法具体为：
A1、判断输出1PPS信号是否超前于卫星1PPS信号；
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、将输出1PPS信号右移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值保持不变；
A3、将输出1PPS信号左移对应的相位长度，并在下个时钟周期内使计数器值加2。
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