CN111538049B - 一种基于gnss的铷钟快速锁定方法 - Google Patents

一种基于gnss的铷钟快速锁定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，包括如下步骤：S1.GNSS天线接收卫星射频信号并传输到F9T接收机；S2.F9T接收机输出信号分为两路，一路传输到处理器单元；另一路输出到FPGA逻辑处理单元；S3.使用铷钟模块输出方波信号后到FPGA逻辑处理单元；S4.FPGA逻辑处理单元进行时间间隔测量；S5.FPGA逻辑处理单元控制延迟控制单元输出秒脉冲；S6.处理器单元读取测量结果后输出控制量；S7.数模转换器将控制量转换成模拟电压值后施加到铷钟模块；S8.铷钟模块输出信号到锁相环单元，晶体振荡器输出信号到锁相环单元；S9.锁相环单元控制晶体振荡器输出信号。本发明解决目前GNSS驯服铷钟普遍采用GNSS的1PPS授时信号，驯服速度降低，驯服时间加长的问题。

Description

一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法
技术领域
本发明涉及卫星导航系统技术领域、授时系统技术领域、时间频率测控技术领域，更具体地涉及一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法。
背景技术
GPS驯服铷钟技术，涉及到导航定位卫星系统、时间频率测控技术，授时授时和时间统一技术，其基本原理就是针对GNSS接收机普遍具有授时输出信号1PPS，暨每秒发播一个脉冲，这个脉冲原理上是和卫星测控中心的多台原子钟的平均值是同步的，具有相当高的长期稳定性，但在工程中，GNSS的授时信号受传输链路、星载原子钟、电离层闪烁等因素影响，实际上，GNSS输出的秒脉冲短期稳定性很差，抖动量很大，不能直接作为参考信号，对铷钟频率进行校准调整。
现在GNSS驯服铷钟普遍采用GNSS的1PPS授时信号，每秒钟只能测量采集一个数据，要实现1000点的滤波处理至少要等待1000秒，导致驯服速度降低，驯服时间加长；单一的卡尔曼滤波、滑动平滑滤波、最小二乘法等都是针对一种状态效果较好，而铷钟驯服过程中状态不是固定不变得，用一种不变的方法不能很好适应变化的状态。
发明内容
本发明提供了一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，以解决目前GNSS驯服铷钟普遍采用GNSS的1PPS授时信号，每秒钟只能测量采集一个数据，要实现1000点的滤波处理至少要等待1000秒，导致驯服速度降低，驯服时间加长；单一的卡尔曼滤波、滑动平滑滤波、最小二乘法等都是针对一种状态效果较好，而铷钟驯服过程中状态不是固定不变得，用一种不变的方法不能很好适应变化的状态的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，包括如下步骤：
步骤S1.使用GNSS天线接收卫星射频信号并将其输入到F9T接收机；
步骤S2.所述F9T接收机输出信号分为两路，一路将导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息传输到处理器单元，所述处理器单元对接收的导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息进行解析，从而实现对所述F9T接收机工作状态的切换与控制，并通过状态信息显示单元显示；另一路输出1000Hz的授时脉冲信号1000PPS到FPGA逻辑处理单元；
步骤S3.使用铷钟模块输出10MHz信号并整形为方波信号后输入到所述FPGA逻辑处理单元；
步骤S4.所述FPGA逻辑处理单元分别将方波信号进行20倍频到200MHz和进行10000分频至1000Hz，倍频后的信号用做时间间隔测量、脉冲精确控制的工作时钟，对分频后的信号和所述F9T接收机输出的1000Hz的授时脉冲信号1000PPS进行时间间隔测量，并将测量结果传输到所述处理器单元；
步骤S5.所述FPGA逻辑处理单元将1000Hz的授时脉冲信号1000PPS中的整秒时刻准时脉冲检出，并输送到延迟控制单元，所述延迟控制单元对整秒时刻准时脉冲进行精确延时控制与输出，实现秒脉冲的精确前移与后推控制与输出；
步骤S6.所述处理器单元读取所述FPGA逻辑处理单元传输的时间间隔测量的测量结果，进行滤波后输出所述铷钟模块的控制量，并将控制量传输到数模转换器；
步骤S7.所述数模转换器将控制量转换成模拟电压值，再将模拟电压值施加到所述铷钟模块的压控调整端，实现对所述铷钟模块频率的精确调控；
步骤S8.所述铷钟模块接收模拟电压值后输出10MHz信号到锁相环单元，同时晶体振荡器输出100MHz信号到所述锁相环单元；
步骤S9.所述锁相环单元接收10MHz信号和100MHz信号后进行锁相控制，控制输出电压信号到所述晶体振荡器的压控端，实现100MHz锁相控制，所述晶体振荡器将锁相后的高精度100MHz信号输出。
较佳地，步骤S1包括：
步骤S11.所述GNSS天线接收卫星射频信号后将其依次通过低噪声放大器和滤波器。
较佳地，步骤S4中，时间间隔测量的测量次数为每秒测量一千次。
较佳地，步骤S6包括：
步骤S61.所述处理器单元采用线性拟合回归方法、滑动滤波和PID控制法对测量结果进行滤波处理，消除相位抖动、频率漂移等因素影响。
较佳地，步骤S6还包括：
步骤S62.所述处理器单元计算出频率校正量对应的压控电压值，输出压控电压，即输出控制量，使时差保持稳定，并逐步趋近于零，从而实现所述铷钟模块频率和相位的准确控制。
较佳地，所述铷钟模块采用FE5650型号的铷原子钟。
较佳地，所述F9T接收机采用UBLOX-ZED-F9T-00B-00型号的GNSS接收机。
较佳地，所述处理器单元采用MAX3232IDE4型号的芯片。
进一步地，本发明还提供一种基于GNSS的铷钟快速锁定装置，包括GNSS天线、F9T接收机、处理器单元、FPGA逻辑处理单元、铷钟模块、延迟控制单元、数模转换器、锁相环单元、晶体振荡器、状态信息显示单元、低噪声放大器和滤波器，所述GNSS天线与所述低噪声放大器连接，所述低噪声放大器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述F9T接收机连接，所述F9T接收机分别与所述FPGA逻辑处理单元和所述处理器单元连接，所述FPGA逻辑处理单元分别与所述延迟控制单元、所述处理器单元和所述铷钟模块连接，所述处理器单元分别与所述状态信息显示单元和所述数模转换器连接，所述数模转换器与所述铷钟模块连接，所述铷钟模块与所述锁相环单元连接，所述锁相环单元与所述晶体振荡器相互连接，所述延迟控制单元用于延时控制与输出秒脉冲，所述晶体振荡器用于输出锁相后的高精度100MHz信号。
其中，本发明的基本原理如下：
1PPS标准时间信号是系统外输入参考信号，目前，北斗/GPS接收机的1PPS标称的时间精度是20ns(RMS)，基于1PPS长期平均无漂移的特点，用1PPS驯服铷钟的频率输出。
驯服铷钟就是铷钟频率的精密测量与控制过程，利用高精度数字锁相环实现频率偏差的检测、滤波和频率精密调整。铷钟的10MHz分频为1000PPS，实时测量其与参考1000PPS信号的时间间隔，采用线性拟合回归方法+滑动滤波+PID控制对测量数据进行滤波处理，消除GPS/北斗的1PPS信号中的相位抖动影响，计算出频率校正量对应的压控电压值，输出压控电压，使时差保持稳定，从而实现铷钟频率准确控制。
1000PPS标准时间信号数据量累积越多，就可以更好地平滑噪声，测量精度就越高，并通过精密控频和移相电路，使被锁频标越来越接近1000PPS的参考频标，从而实现精密驯服。驯服铷钟输出的10MHz信号经过10,000次分频得到1000PPS信号，相当于对GPS/北斗1PPS信号的长期统计平均，从而能够克服GPS秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，能够提供更可靠、精确的时间参考信号。当GPS/北斗出现异常或不可用时，能够根据内置铷钟继续提供高可靠性的1PPS信号和频率基准输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于GNSS的铷钟快速锁定方法，通过用1000Hz GNSS授时信号驯服铷钟，再检出、提取与还1000Hz GNSS授时信号的准时秒脉冲，使得本发明实现铷钟快速锁定，时间短、效率高，锁定准确度高，不影响其短稳特性；滤波处理采用数字算法实现，成本低；准确提取、恢复，重建1PPS准时脉冲；消除GPS/北斗的1PPS信号中的相位抖动影响，使时差保持稳定，从而实现铷钟频率准确控制。
附图说明
图1为本发明的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法的方法原理示意图。
图2为本发明的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法的方法步骤示意图。
图3为本发明的实施例二中一种基于GNSS的铷钟快速锁定装置的连接示意图。
图4为本发明的实施例三中F9T接收机和处理器单元连接的连接示意图。
图5为本发明的实施例四中提取秒脉冲的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
请参阅图1至图5，图中所示者为本发明所选用的实施例结构，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。
实施例一
如图1和图2所示，一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，包括如下步骤：
步骤S1.使用GNSS天线接收卫星射频信号并将其输入到F9T接收机；
步骤S2.所述F9T接收机输出信号分为两路，一路将导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息传输到处理器单元，所述处理器单元对接收的导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息进行解析，从而实现对所述F9T接收机工作状态的切换与控制，并通过状态信息显示单元显示；另一路输出1000Hz的授时脉冲信号1000PPS到FPGA逻辑处理单元；
步骤S3.使用铷钟模块输出10MHz信号并整形为方波信号后输入到所述FPGA逻辑处理单元；
步骤S4.所述FPGA逻辑处理单元分别将方波信号进行20倍频到200MHz和进行10000分频至1000Hz，倍频后的信号用做时间间隔测量、脉冲精确控制的工作时钟，对分频后的信号和所述F9T接收机输出的1000Hz的授时脉冲信号1000PPS进行时间间隔测量，并将测量结果传输到所述处理器单元；
步骤S5.所述FPGA逻辑处理单元将1000Hz的授时脉冲信号1000PPS中的整秒时刻准时脉冲检出，并输送到延迟控制单元，所述延迟控制单元对整秒时刻准时脉冲进行精确延时控制与输出，实现秒脉冲的精确前移与后推控制与输出；
步骤S6.所述处理器单元读取所述FPGA逻辑处理单元传输的时间间隔测量的测量结果，进行滤波后输出所述铷钟模块的控制量，并将控制量传输到数模转换器；
步骤S7.所述数模转换器将控制量转换成模拟电压值，再将模拟电压值施加到所述铷钟模块的压控调整端，实现对所述铷钟模块频率的精确调控；
步骤S8.所述铷钟模块接收模拟电压值后输出10MHz信号到锁相环单元，同时晶体振荡器输出100MHz信号到所述锁相环单元；
步骤S9.所述锁相环单元接收10MHz信号和100MHz信号后进行锁相控制，控制输出电压信号到所述晶体振荡器的压控端，实现100MHz锁相控制，所述晶体振荡器将锁相后的高精度100MHz信号输出。
较佳地，步骤S1包括：
步骤S11.所述GNSS天线接收卫星射频信号后将其依次通过低噪声放大器和滤波器。
更好地，步骤S4中，时间间隔测量的测量次数为每秒测量一千次。
本实施例中，步骤S6包括：
步骤S61.所述处理器单元采用线性拟合回归方法、滑动滤波和PID控制法对测量结果进行滤波处理，消除相位抖动、频率漂移等因素影响。
步骤S62.所述处理器单元计算出频率校正量对应的压控电压值，输出压控电压，即输出控制量，使时差保持稳定，并逐步趋近于零，从而实现所述铷钟模块频率和相位的准确控制。
其中，所述铷钟模块采用FE5650型号的铷原子钟。所述F9T接收机采用UBLOX-ZED-F9T-00B-00型号的GNSS接收机。所述处理器单元采用MAX3232IDE4型号的芯片。
实施例二
如图3所示，本发明还提供一种基于GNSS的铷钟快速锁定装置，包括GNSS天线、F9T接收机、处理器单元、FPGA逻辑处理单元、铷钟模块、延迟控制单元、数模转换器、锁相环单元、晶体振荡器、状态信息显示单元、低噪声放大器和滤波器，所述GNSS天线与所述低噪声放大器连接，所述低噪声放大器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述F9T接收机连接，所述F9T接收机分别与所述FPGA逻辑处理单元和所述处理器单元连接，所述FPGA逻辑处理单元分别与所述延迟控制单元、所述处理器单元和所述铷钟模块连接，所述处理器单元分别与所述状态信息显示单元和所述数模转换器连接，所述数模转换器与所述铷钟模块连接，所述铷钟模块与所述锁相环单元连接，所述锁相环单元与所述晶体振荡器相互连接，所述延迟控制单元用于延时控制与输出秒脉冲，所述晶体振荡器用于输出锁相后的高精度100MHz信号。
实施例三
用1000Hz GNSS授时信号驯服铷钟，所述F9T接收机与所述处理器单元的连接关系如图4所示，支持授时信号输出频率配置功能，既可以配置1PPS，也可以配置1000PPS，配置的实现方法由所述处理器单元通过所述F9T接收机的RS232串口，向所述F9T接收机发送配置命令，完成配置。
实施例四
检出、提取与还原1000Hz GNSS授时信号分类准时秒脉冲，所述F9T接收机每秒输出1000个脉冲，采样速率提高1000倍，可以有效缩短采样等待时间，这1000个脉冲不完全等宽，准时秒脉冲要宽，准时沿秒脉冲的宽度是500微秒，其他999个脉冲的宽度是200微秒要区分出UTC秒的准时脉冲，在所述FPGA逻辑处理单元中完成秒脉冲准时沿的提取，如图5所示，利用所述铷钟模块输出的10MHz频率作为所述FPGA逻辑处理单元的工作频率，也就是系统时钟，设计以计数器用来计算1000PPS脉冲的宽度，1000PPS上升沿启动计数器，下降沿作为判断触发条件，当下降沿到来时，如果计数值小于400，说明当前脉冲是窄脉冲，计数器清零，从新检测下一个脉冲；如果技术值大于400(实际是499或者500或者501)表明当前脉冲是准时脉冲，下一个准时脉冲将在1秒后到来，计数器不清零，继续计数，一直计数到9999999，门控信号输出高电平，延时500微秒门控信号输出低电平，门控信号与1000PPS信号相“与”逻辑操作，其输出就是检出的准时秒脉冲信号。实现了秒脉冲的提取、重建。
实施例五
本发明还提供一种“多步法”铷钟快速驯服算法，算法如下：
第一步：预热阶段，检测F9T接收机是否定位，检测铷钟是否完成内部锁定；
第二步：快速捕获阶段
平均值滤波方法，滤波窗口为WINDOW；
铷钟控制电压值V_ADJUST,CONST是常数，为铷钟理论中间电压，OFFSET是中间调整值:
V_ADJUST＝CONST+OFFSET+TIE*50/WINDOW；
第三步：精密跟踪阶段
滤波窗口为WINDOW；
在采样点数未达到WINDOW时：
V_ADJUST＝CONST+OFFSET+TIE*50/WINDOW；
采样点达到WINDOW时：
长度为WINDOW的数组保存时间间隔测量值，最旧测量值移出窗口，最新测量值加进数组末尾；
对WINDOW个数据采用最小二乘法进行一元线性拟合回归，拟合直线的斜率，就是平均频率偏差；
Figure BDA0002536996750000091
Delta_Adjust_Data＝Delta_Adjust_Data+k*1.0E9*32768./20000.；
Adjust_Data＝(int)Delta_Adjust_Data；
V_ADJUST＝PWM_CONST-pwm_offset--Adjust_Data；
以上所述实施例是用以说明本发明，并非用以限制本发明，所以举例数值的变更或等效元件的置换仍应隶属本发明的范畴。
由以上详细说明，可使本领域普通技术人员明了本发明的确可达成前述目的，实已符合专利法的规定，现提出专利申请。

Claims (8)

1.一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.使用GNSS天线接收卫星射频信号并将其输入到F9T接收机；
步骤S2.所述F9T接收机输出信号分为两路，一路将导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息传输到处理器单元，所述处理器单元对接收的导航定位GGA语句和ZDA授时语句信息进行解析，从而实现对所述F9T接收机工作状态的切换与控制，并通过状态信息显示单元显示；另一路输出1000Hz的授时脉冲信号1000PPS到FPGA逻辑处理单元；
步骤S3.使用铷钟模块输出10MHz信号并整形为方波信号后输入到所述FPGA逻辑处理单元；
步骤S4.所述FPGA逻辑处理单元分别将方波信号进行20倍频到200MHz和进行10000分频至1000Hz，倍频后的信号用做时间间隔测量、脉冲精确控制的工作时钟，对分频后的信号和所述F9T接收机输出的1000Hz的授时脉冲信号1000PPS进行时间间隔测量，并将测量结果传输到所述处理器单元；
步骤S5.所述FPGA逻辑处理单元将1000Hz的授时脉冲信号1000PPS中的整秒时刻准时脉冲检出，并输送到延迟控制单元，所述延迟控制单元对整秒时刻准时脉冲进行精确延时控制与输出，实现秒脉冲的精确前移与后推控制与输出；
步骤S6.所述处理器单元读取所述FPGA逻辑处理单元传输的时间间隔测量的测量结果，进行滤波后输出所述铷钟模块的控制量，并将控制量传输到数模转换器；
步骤S7.所述数模转换器将控制量转换成模拟电压值，再将模拟电压值施加到所述铷钟模块的压控调整端，实现对所述铷钟模块频率的精确调控；
步骤S8.所述铷钟模块接收模拟电压值后输出10MHz信号到锁相环单元，同时晶体振荡器输出100MHz信号到所述锁相环单元；
步骤S9.所述锁相环单元接收10MHz信号和100MHz信号后进行锁相控制，控制输出电压信号到所述晶体振荡器的压控端，实现100MHz锁相控制，所述晶体振荡器将锁相后的高精度100MHz信号输出。
2.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，步骤S1包括：
步骤S11.所述GNSS天线接收卫星射频信号后将其依次通过低噪声放大器和滤波器。
3.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，步骤S4中，时间间隔测量的测量次数为每秒测量一千次。
4.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，步骤S6包括：
步骤S61.所述处理器单元采用线性拟合回归方法、滑动滤波和PID控制法对测量结果进行滤波处理，消除相位抖动、频率漂移等因素影响。
5.如权利要求4所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，步骤S6还包括：
步骤S62.所述处理器单元计算出频率校正量对应的压控电压值，输出压控电压，即输出控制量，使时差保持稳定，并逐步趋近于零，从而实现所述铷钟模块频率和相位的准确控制。
6.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，所述铷钟模块采用FE5650型号的铷原子钟。
7.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，所述F9T接收机采用UBLOX-ZED-F9T-00B-00型号的GNSS接收机。
8.如权利要求1所述的一种基于GNSS的铷钟快速锁定方法，其特征在于，所述处理器单元采用MAX3232IDE4型号的芯片。
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