CN111221007A - 一种基于北斗共视的新型精密授时装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了时间频率技术领域的包括北斗共视设备、数据交换平台、数据通信链路以及北斗共视型授时接收机，利用北斗共视技术，实时观测高稳晶振输出时间与区域内可见北斗卫星的时差，同时在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备，也在实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，通过北斗共视设备进行每秒一个采样数据的采样，并将时差结果发送至数据交换平台，所述北斗共视型授时接收机实时通过数据通信链路，并从数据交换平台获取标准时间观测数据，基于卫星共视的高精度、实时授时信号驯服输出技术，实现了实时5～10ns的绝对授时精度的授时装置，比传统卫星授时50ns的精度提高了数倍，是目前国内市场上实时授时装置所能达到最高精度。

Description

一种基于北斗共视的新型精密授时装置

技术领域

本发明涉及时间频率技术领域，具体为一种基于北斗共视的新型精密授时装置。

背景技术

1)时钟驯服技术

时钟驯服技术，就是利用北斗卫星授时模块接收的标准时间信号驯服内部高稳晶振，使最终输出的时间相位和频率均与标准时间同步。通常，晶振的驯服主要有两种方法：一种测量高稳晶振分频后的时间与北斗授时模块输出时间的偏差，根据时间偏差数据来修正高稳晶振输出的相位和频率，从而构成一个时间差校正高稳晶振的输出频率、输出频率改变输出的秒信号相位的负反馈控制环路。另一种方案：同样测量两者时间差，然后直接对高稳晶振输出的秒信号进行移相，强行和北斗授时模块的秒信号相位对齐，相位持续对齐了，同时也就能够使输出频率保持一致。典型的控制流程图如图4所示。

高稳晶振输出10MHz频率信号，通过分频产生1pps信号。北斗授时模块通过接收卫星信号获取标准时间，并还原出1pps，利用时差测量单元，测量出两者的时间偏差。时差测量完成后，首先进行数据拟合处理，剔除粗大误差。然后对数据进行滤波处理，滤波方法可以采用窗口滑动平均，也可以采用卡尔曼滤波等方式。然后计算出高稳晶振相对于标准时间的相位偏差和频率偏差。并依据该偏差，对高稳晶振进行控制。使得最终输出的时间和频率与标准时间一致。

目前，传统的卫星授时装置均采用时钟驯服技术，该技术能够有效消除卫星单向授时接收标准时间的较大抖动，使最终设备输出的时间信号同步精度在30～50ns，频率信号准确度约1e-12量级。受卫星授时精度的制约，技术指标无法进一步提高，无法满足对绝对时间同步精度要求较高应用领域的需求。

2)卫星共视技术

北斗共视是卫星共视技术的一种，是一种高精度时间比对技术，其基本原理是：北斗地面中心站在本地时间基准的控制下定时向北斗卫星发射时间信号，该信号经卫星转发后被用户所接收，位于不同地点的A、B两个观测站，用北斗卫星共视设备异地同时接收该卫星转发的中心站发射的同一时间信号，测量本地时钟信号与该卫星时标信号的伪距/时间差，经过数据处理、各项修正，然后将观测结果通过通信链路进行数据交换、再处理，实现异地两两之间的高精度时间比对。其基本原理如图5所示，由于北斗共视过程中，很多相同路径和因素的误差可以相互抵消，如星载原子钟误差、卫星位置误差、电离层和对流层延迟改正等，因此北斗共视可以实现较高的比对精度。单星共视可以实现优于10ns的比对精度，多星共视可以实现优于5ns的比对精度，短基线甚至可以达到3ns以内的比对精度。因此北斗共视比对方法，是目前远程高精度时间比对最主要手段之一。

然而，北斗共视是一个高精度时间比对手段，比对精度可达到5～10ns，也就是说可以测出异地两个时钟之间的偏差，但其自身无法因为无参考基准，无法输出精确的时间和频率信号。因此，目前共视技术主要用于远距离时间同步比对，没有直接用来作为授时。这样就无法满足绝大部分应用场景中，需要直接获取高精度绝对时间同步精度的时间和频率信号。

基于此，本发明设计了一种基于北斗共视的新型精密授时装置，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗共视的新型精密授时装置，基于卫星共视的高精度、实时授时信号驯服输出技术，实现了实时5～10ns的绝对授时精度的授时装置，比传统卫星授时50ns的精度提高了数倍，是目前国内市场上实时授时装置所能达到最高精度，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案的基本原理是：将北斗共视技术和时钟驯服技术相结合，研制北斗共视型授时装置，实现高精度授时和时频信号输出。本发明提供如下技术方案：一种基于北斗共视的新型精密授时装置，包括北斗共视设备、数据交换平台、数据通信链路以及北斗共视型授时接收机，利用北斗共视技术，实时观测高稳晶振输出时间与区域内可见北斗卫星的时差，同时在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备，也在实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，通过北斗共视设备进行每秒一个采样数据的采样，并将时差结果发送至数据交换平台，所述北斗共视型授时接收机实时通过数据通信链路，并从数据交换平台获取标准时间观测数据。

优选的，所述北斗共视型授时接收机包括共视处理模块和时钟驯服模块。

优选的，所述共视处理模块利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，并计算出内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差。

优选的，所述时钟驯服模块利用共视处理模块计算出来的偏差，对对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致

优选的，所述北斗共视型授时接收机还包括信号输出端，用于将驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

优选的，还包括基于北斗共视和驯服技术的精密授时装置的具体实现步骤如下：

(1)首先是基准时间的建立，在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备，该设备实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据，并将时差结果发送至数据交换平台；

(2)利用北斗共视精密授时技术，研发北斗共视型授时接收机，接收机实时观测区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据。

(3)接收机实时通过数据交换模块，通过通信链路，从数据交换平台获取步骤(1)中的标准时间观测数据；

(4)共视处理模块利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，计算出接收机内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差；

(5)时钟驯服模块利用上一步骤计算出来的偏差，对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致；

(6)接收机以驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明所研制的北斗共视型授时装置具有广阔的市场应用前景。移动通信5G基站的时间同步精度要求是13ns，该设备指标正好满足要求；在航空航天中，众多地面卫星站都需要高精度时间同步，时间同步精度越高，卫星测控精度也就越高；国防领域武器装备精确打击对时间同步精度要求也是越高越好，时间同步精度越高，打击精度也就越高。另外，该设备输出的频率准确度已经达到一般铯原子钟输出的频率准确度，而铯原子钟价格极其昂贵，该设备的推出将在很多应用场合可以取代铯原子钟，作为高精度频率源使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明结构示意图；

图2为本发明北斗共视型授时接收机结构示意图；

图3为本发明具体原理示意图；

图4为本发明现有技术中时钟驯服的原理示意图；

图5为本发明现有技术中北斗共视方法实现时间同步示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、北斗共视设备；2、数据交换平台；3、数据通信链路；4、北斗共视型授时接收机；5、共视处理模块；6、时钟驯服模块；7、信号输出端。

具体实施方式

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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

传统卫星授时装置，是利用设备内部的时差测量模块，实时测量高稳晶振输出时间与北斗授时模块之间的时差，然后据此对高稳晶振进行时钟驯服，授时精度一般。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于北斗共视的新型精密授时装置，包括北斗共视设备1、数据交换平台2、数据通信链路3以及北斗共视型授时接收机4，利用北斗共视技术，实时观测高稳晶振输出时间与区域内可见北斗卫星的时差，同时在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备1，也在实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，通过北斗共视设备1进行每秒一个采样数据的采样，并将时差结果发送至数据交换平台2，所述北斗共视型授时接收机4实时通过数据通信链路3，并从数据交换平台2获取标准时间观测数据。

其中，所述北斗共视型授时接收机4包括共视处理模块5和时钟驯服模块6。所述共视处理模块5利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，并计算出内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差。所述时钟驯服模块6利用共视处理模块5计算出来的偏差，对对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致。所述北斗共视型授时接收机4还包括信号输出端7，用于将驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

本方案虽然采用北斗共视技术的基本原理，但仍然有一些差异。通用的共视技术，由国际计量局指定了一个通用的规范，各共视接收机按照约定的共视表计划进行共视跟踪，每个共视跟踪周期为16分钟，其中前2分钟为准备时间，此后13分钟为观测时间，最后1分钟为计算时间，每天包含89个16分钟共视跟踪段；在每个跟踪周期的观测时段中，连续跟踪13分钟，每秒观测一次，13分钟共观测780个数据，并将结果归算至整个观测时间780s的中间时刻。在本方案中，仍然利用共视技术的原理获取原始卫星观测数据，但不在按照国际通用规范进行处理，而是每秒钟输出一个观测数据，并将每秒的观测数据通过通信链路进行数据交换，从而能够实时获取授时装置和标准时间的精确偏差。

由于传统北斗卫星授时装置，通过卫星单向授时，获取的标准时间的精度为50ns以内，也就是说接收的标准时间抖动较大，利用该时差作为驯服的参考，最终设备稳定输出的1pps和标准时间1pps偏差约为30ns～50ns，且呈现无规律性抖动。而通过北斗共视技术的时间比对方法来进行时差测量，可以将测量精度控制在5～10ns，利用该时差作为驯服的参考，因为抖动更小，所以驯服的更加精确和稳定，不仅可以大大提高设备的授时精度，而且提高了授时的准确度和稳定度，具体传统卫星授时装置和北斗共视型授时装置性能比较如表1。

表1传统卫星授时装置和北斗共视型授时装置性能比较

基于北斗共视和驯服技术的精密授时装置的具体实施方式与步骤如下：

(1)首先是基准时间的建立。在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备1，该设备实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据，并将时差结果发送至数据交换平台2。

(2)利用北斗共视精密授时技术，研发北斗共视型授时接收机4。接收机实时观测区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据。

(3)接收机实时通过数据交换模块，通过通信链路(可以是网络，也可以是北斗短报文)，从数据交换平台2获取(1)中的标准时间观测数据。

(4)共视处理模块5利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，计算出接收机内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差。

(5)时钟驯服模块6利用上一步骤计算出来的偏差，对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致。

(6)接收机以驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

本发明将北斗共视技术和时钟驯服技术相结合，研制出的北斗共视型授时装置，能够实现绝对精度优于5的高精度授时和时频信号输出。解决传统卫星授时精度较低的问题，以及传统共视技术无法直接输出高精度同步授时信号的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：包括北斗共视设备、数据交换平台、数据通信链路以及北斗共视型授时接收机，利用北斗共视技术，实时观测高稳晶振输出时间与区域内可见北斗卫星的时差，同时在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备，也在实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，通过北斗共视设备进行每秒一个采样数据的采样，并将时差结果发送至数据交换平台，所述北斗共视型授时接收机实时通过数据通信链路，并从数据交换平台获取标准时间观测数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：所述北斗共视型授时接收机包括共视处理模块和时钟驯服模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：所述共视处理模块利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，并计算出内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：所述时钟驯服模块利用共视处理模块计算出来的偏差，对对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：所述北斗共视型授时接收机还包括信号输出端，用于将驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于北斗共视的新型精密授时装置，其特征在于：还包括基于北斗共视和驯服技术的精密授时装置的具体实现步骤如下：

(1)首先是基准时间的建立，在标准时间频率中心也放置一台同型号的北斗共视设备，该设备实时观测标准时间与区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据，并将时差结果发送至数据交换平台；

(2)利用北斗共视精密授时技术，研发北斗共视型授时接收机，接收机实时观测区域内可见卫星的时差，每秒一个采样数据。

(3)接收机实时通过数据交换模块，通过通信链路，从数据交换平台获取步骤(1)中的标准时间观测数据；

(4)共视处理模块利用北斗共视数据处理方法，在原始观测数据中，选择共同可视的卫星作为参考，计算出接收机内部高稳晶振时间和标准时间之间的时差；

(5)时钟驯服模块利用上一步骤计算出来的偏差，对高稳晶振进行驯服，使高稳晶振的相位和频率逐步与标准时间保持一致；

(6)接收机以驯服后的高稳晶振作为频率源，输出10MHz、1pps、NTP/PTP、B码等各类信号，提供用户使用。

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