CN111431650B - 一种基于fpga的卫星信号实时授时方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法及系统。所述方法包括：将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；将接收的卫星信号转换为标准的时间信息；按照PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息；对所述时间信息进行校正；将授时标志信号到来时的时间信息和对应的所述计数器CNT信息一起发送至PC端；所述系统包括：PLL模块、串口收发模块、时间校准模块、数据输出模块；本发明实施例通过采集卫星信号，设置PPS信号的更新频率，对接收的标准时间信息更新校准；同时利用控制计数器CNT校准纳秒信息；根据授时标志对连续数据进行实时授时，使KHz级别的数据块对应的采集时间被实时记录。

Description

一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法及系统。

背景技术

石油勘探、地质勘探中进行高精度的放炮时通常需要进行同步数据采集的时间校对；数据采集频率达到KHz，如何满足在KHz级实时授时的需求成为当前亟待解决的问题。

传统的卫星信号实时授时方法，由于GPS/北斗模块最高授时频率在20Hz，无法满足KHz级情况下对微秒级的连续数据进行实时授时。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明实施例提供一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法及系统，满足KHz级情况下对微秒级的连续数据进行实时授时。

一方面，一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法，包括以下步骤：

S1，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；所述工作为时钟为100MHz；

S2，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出脚PPS 信号；所述PPS信号设置成每秒更新；

S3，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII 码数据转换为标准的时间信息；

S4，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息，对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT值；

S5，将所述授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT 信息一起发送至PC端。

另一方面，一种基于FPGA的卫星信号实时授时系统，包括：

PLL模块，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；所述工作为时钟为100MHz；

双模定位模块，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出脚PPS信号；所述PPS信号设置成每秒更新；

串口收发模块，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII码数据转换为标准的时间信息；

时间校准模块，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息，对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT 值；

数据输出模块，将所述授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT信息一起发送至PC端。

本发明实施例提供一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法及系统，通过采集卫星信号，设置PPS信号的更新频率，对接收的标准时间信息更新校准；同时利用控制计数器CNT校准纳秒信息；根据授时标志到来时的准确时间，对连续数据进行实时授时。这样可以使KHz级别的数据块对应的采集时间被实时记录；同时提高了同步数据采集时间精度，实现对微秒级的连续数据进行实时授时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法流程示意图；

图2为本发明实施例100us间隔授记录图；

图3为本发明实施例一种基于FPGA的卫星信号实时授时系统结构示意图；

附图标记：

PLL模块-1 串口收发模块-2 时间校准模块-3 数据输出模块-4

双模定位模块-5。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法流程示意图；如图1所示，

包括以下步骤：

S1，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；所述工作为时钟为100MHz；

S2，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出脚PPS 信号；所述PPS信号设置成每秒更新；

S3，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII 码数据转换为标准的时间信息；

S4，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息，对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据所述授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT值；

S5，将所述授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT 信息一起发送至PC端。

具体地，先将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；工作为时钟为100MHz CLK1，CLK1用于FPGA系统内各模块的工作时钟；同时CLK1实时检测授时标志信号；接收GPS或者北斗卫星信号，结合对 NMEA-0183协议对串行数据进行相应的编码解码，得到精度比较高的时间信息，时间信息包含年月日时分秒、经纬度等；在GPS/北斗卫星信号有效范围内进行授时，能够在误差允许范围内实现高频率时间同步记录的功能；按照GPS 或者北斗卫星时钟脉冲输出脚PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息；所述PPS信号设置成每秒更新；当FPGA监测到PPS信号时，计数器CNT开始计数，同时接收该PPS信号对应的时间信息并进行校正；当收到授时标志信号时，锁存该时刻的年月日时分秒信息和对应的计数器CNT值，将该时刻的年月日时分秒和纳秒信息(即计数器CNT值)更新至当前测试数据的包头，随数据一起发送至PC端。

本发明实施例提供一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法，通过采集卫星信号，设置PPS信号的更新频率，对接收的标准时间信息更新校准；同时利用控制计数器CNT校准纳秒信息；根据授时标志信号到来时的准确时间，对连续数据进行实时授时。这样可以使KHz级别的数据块对应的采集时间被实时记录；同时提高了同步数据采集时间精度，实现对微秒级的连续数据进行实时授时。

进一步地，所述S4步骤具体包括：监测到当前所述PPS信号的上升沿时，所述计数器CNT开始计数；监测到下一次所述PPS信号上升沿时，所述计数器CNT清零并重新开始计数。

进一步地，当前所述PPS信号上升沿到对应的时间信息未收完之前检测到所述授时标志，则使用上一次所述PPS信号上升沿对应的时间信息，并将秒计数加1；

当前所述PPS信号上升沿对应的时间信息接收完之后到下一次所述PPS信号上升沿到来之前检测到所述授时标志，则使用当前所述PPS信号对应的时间信息。

具体地，图2为本发明实施例100us间隔授记录图；如图2所示，T1时刻 GPS秒脉冲发送到FPGA，同时T1时刻的时间根据NMEA-0183协议向FPGA 下发，T2时刻FPGA检测到秒脉冲到来，同时计数器CNT开始以10ns为周期计数，T3时刻FPGA接收并转换完成T1时刻的时间信息，T4时刻下一秒的脉冲PPS到来，T5时刻FPGA检测到该脉冲PPS，计数器CNT清零重新开始计数。授时标志到来时锁存当前时刻PPS对应的时间信息和CNT值。例如： T1时刻GPS时间为2019年12月18日18点03分21秒000毫秒，T4时刻GPS 时间为2019年12月18日18点03分22秒000毫秒。由于T3时刻才能获取到GPS T1时刻的时间，FPGA内部T1-T3时刻实际为上一秒的GPS时间即2019 年12月18日18点03分20秒000毫秒，因此T1-T3任意时间检测到需要授时标志信号时，需要将FPGA上一次锁存的时间加1秒，然后加上纳秒计数 CNT*10ns，即得到授时标志信号到来时的准确时间信息。T3-T4任意时刻检测到授时标志信号时，直接用FPGAT3时刻锁存的时间，即2019年12月18日 18点03分21秒000毫秒，然后加上CNT*10ns，即得到授时标志信号到来时的准确时间信息。准确时间信息随当次测试的CNT信息一起发送至PC。

本发明实施例提供一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法，通过采集卫星信号，设置PPS信号的更新频率，对接收的标准时间信息更新校准；同时利用控制计数器CNT校准纳秒信息；根据授时标志信号到来时的准确时间，对连续数据进行实时授时。这样可以使KHz级别的数据块对应的采集时间被实时记录；同时提高了同步数据采集时间精度，实现对微秒级的连续数据进行实时授时。

基于上述实施例，图3为本发明实施例一种基于FPGA的卫星信号实时授时系统结构示意图；如图3所示，包括：

PLL模块1，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；所述工作为时钟为100MHz；

双模定位模块5，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出脚PPS信号；所述PPS信号设置成每秒更新；

串口收发模块2，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII码数据转换为标准的时间信息；

时间校准模块3，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息，对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT 值；

数据输出模块4，将所述授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT信息一起发送至PC端。本发明实施例提供一种基于FPGA的卫星信号实时授时系统执行上述方法，通过采集卫星信号，设置PPS信号的更新频率，对接收的标准时间信息更新校准；同时利用控制计数器CNT校准纳秒信息；根据授时标志信号到来时的准确时间，对连续数据进行实时授时。这样可以使KHz级别的数据块对应的采集时间被实时记录；同时提高了同步数据采集时间精度，实现对微秒级的连续数据进行实时授时。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的卫星信号实时授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；工作时钟为100MHz；

S2，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出PPS信号；所述PPS信号设置成每秒更新；

S3，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII码数据转换为标准的时间信息；

S4，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息，对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT值；

S5，将授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT信息一起发送至PC端；

所述S4步骤具体包括：监测到当前所述PPS信号的上升沿时，所述计数器CNT开始计数；监测到下一次所述PPS信号上升沿时，所述计数器CNT清零并重新开始计数；

当前所述PPS信号上升沿到对应的时间信息未收完之前检测到所述授时标志，则使用上一次所述PPS信号上升沿对应的时间信息，并将秒计数加1；

当前所述PPS信号上升沿对应的时间信息接收完之后到下一次所述PPS信号上升沿到来之前检测到所述授时标志，则使用当前所述PPS信号对应的时间信息。

2.一种基于FPGA的卫星信号实时授时系统，其特征在于，包括：

PLL模块(1)，将外部参考时钟分频输出一路FPGA系统用于各模块的工作时钟；所述工作时钟为100MHz；

双模定位模块(5)，采集卫星信号，发送NMEA-0183协议信息；设置时钟脉冲输出脚PPS信号；

串口收发模块(2)，接收所述NMEA-0183协议信息，将所述NMEA-0183协议信息由ASCII码数据转换为标准的时间信息；

时间校准模块(3)，按照所述PPS信号设置的更新频率，接收所述时间信息；所述PPS信号设置成每秒更新；对所述时间信息进行校正；具体地，监测所述PPS信号，控制计数器CNT开始计数；所述计数器CNT运行周期为10ns；根据授时标志信号到来时的准确时间，确认每个所述PPS信号对应的时间信息并锁存对应的所述计数器CNT值；

数据输出模块(4)，将授时标志信号到来时的所述时间信息和对应的所述计数器CNT信息一起发送至PC端；

所述时间校准模块(3)具体包括：监测到当前所述PPS信号的上升沿时，所述计数器CNT开始计数；监测到下一次所述PPS信号上升沿时，所述计数器CNT清零并重新开始计数；

当前所述PPS信号上升沿到对应的时间信息未收完之前检测到所述授时标志，则使用上一次所述PPS信号上升沿对应的时间信息，并将秒计数加1；

当前所述PPS信号上升沿对应的时间信息接收完之后到下一次所述PPS信号上升沿到来之前检测到所述授时标志，则使用当前所述PPS信号对应的时间信息。

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