CN111580380B

CN111580380B - 一种提高gnss同步授时精度方法

Info

Publication number: CN111580380B
Application number: CN202010535100.XA
Authority: CN
Inventors: 崔保健; 周德海; 张占国
Original assignee: Chengdu Qiwei Frequency Control Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Qiwei Frequency Control Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-06-12
Also published as: CN111580380A

Abstract

本发明提供一种提高GNSS同步授时精度方法，包括如下步骤：1.GNSS天线接收GNSS卫星导航的无线电信号；2.将无线电信号放大滤波后输送到GNSS接收机进行解调处理；3.解调处理后，GNSS接收机输出两路信号；4.本地晶体振荡器书输出10MHz信号，10MHz信号分成两路；5.TIE测量单元测量1PPS_LOCAL和1PPS_SAT的脉冲上升沿时间间隔；6.CPU采集处理单元将控制量信号输送到数模转换器单元；7.数模转换器单元将控制量信号转换为模拟压控电压；8.CPU采集处理单元控制精细同步单元进行精细同步；9.CPU采集处理单元控制精细同步单元输出高精度秒脉冲同步信号。本发明解决了直接用GNSS接收机输出的1PPS信号作为秒信号的准时信号，抖动大，其精度只能达到几十纳秒，不能适应更高精度的授时系统的授时需求的问题。

Description

一种提高GNSS同步授时精度方法

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，更具体地涉及一种提高GNSS同步授时精度方法。

背景技术

在一系列通讯活动中，各测控站所获取、记录的测量数据和事件都必须有严格统一的同一时间标准才能对它们进行分析和处理，才具有使用价值。在时间统一系统中，时间传递通常有卫星授时、网络授时、IRIG-B授时，其基础都是依赖于一个稳定准确的1PPS秒信号。

目前，时间同一系统的授时基准秒信号主要有两种方式提供：一种通过专用的守时钟来保持高精度秒时间基准，但是，由于需要昂贵的原子钟组，成本非常高；一种是利用低成本的GNSS卫星接收机，用GNSS接收机输出1PPS信号作为秒信号的准时信号，组建系统容易，得到了广泛应用。但是，由于GNSS系统属于空-地结合的复杂传输系统，卫星地面控制中心、天空空轨道上的卫星、星载原子钟、地面的接收机等都通过无线电信号传输时间信息，并在各环节产生误差，导致GNSS接收机输出1PPS秒脉冲信号稳定性不高，通常±30纳秒(1σ)，甚至更差，这个基准源稳定性劣化，直接限制了授时精度进一步提高。

普遍采用的GNSS卫星时间同步系统，一般都是直接将GNSS输出的1PPS秒脉冲作为后级授时环节的基准秒脉冲。由于GNSS的时间发播自卫星控制中心的高精度原子钟组上，具有很高精度，经过无线链路的传输，会产生各种延迟、抖动误差，最终到达GNSS接收机，接收并还原输出1PPS信号，与基准钟输出相比，GNSS接收机输出的1PPS抖动量较大，但是，其统计平均值的稳定性较高。要实现纳秒级的信号同步，通常需要1000MHz的时钟频率信号，在FPGA逻辑电路中很难实现，或者代价非常高。

发明内容

本发明提供了一种提高GNSS同步授时精度方法，以解决现有直接利用GNSS接收机输出的1PPS信号作为秒信号的准时信号，其精度只能达到接收机给定的技术指标，不能适应更高精度的授时系统的授时需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种提高GNSS同步授时精度方法，包括如下步骤：

步骤1.使用GNSS天线接收GNSS卫星导航的无线电信号；

步骤2.将无线电信号放大滤波后输送到GNSS接收机进行解调处理；

步骤3.解调处理后，所述GNSS接收机输出两路信号，一路信号输出导航定位和授时信息到CPU采集处理单元，所述CPU采集处理单元读取授时信息和卫星接收的状态信息，从而确定系统的工作状态；另一路信号输出1PPS_SAT授时秒脉冲到TIE测量单元；

步骤4.使用本地晶体振荡器书输出10MHz信号，10MHz信号分成两路，一路进入分频单元，所述分频单元输出1PPS_LOCAL到所述TIE测量单元；另一路进入粗同步单元进行粗同步；

步骤5.使用所述TIE测量单元测量1PPS_LOCAL和1PPS_SAT的脉冲上升沿时间间隔，并将测量结果输送到所述CPU采集处理单元；

步骤6.使用所述CPU采集处理单元根据测量结果输出所述本地晶体振荡器的控制量信号，并将控制量信号输送到数模转换器单元；

步骤7.使用所述数模转换器单元将控制量信号转换为模拟压控电压并施加到所述本地晶体振荡器的控制端，从而实现所述本地晶体振荡器输出信号频率的精细调整与控制；

步骤8.使用所述CPU采集处理单元控制所述粗同步单元输出粗同步后的秒脉冲信号到精细同步单元进行精细同步；

步骤9.使用所述CPU采集处理单元控制所述精细同步单元输出精细同步后的高精度秒脉冲同步信号。

较佳地，步骤6包括：

步骤61.所述CPU采集处理单元通过分析计算一段时间内测量结果的变化，即1PPS_LOCAL和1PPS_SAT的脉冲上升沿的时间间隔测量值的变化，从而计算出所述本地晶体振荡器输出信号的频率偏差，再通过PID算法，转换成所述本地晶体振荡器的控制量。

较佳地，所述CPU采集处理单元对时间间隔测量值进行平均值滤波，输出平均时间间隔，对于平均时间间隔为正数，则除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元；对于平均时间间隔为负数，则加上5，再除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元。

较佳地，所述GNSS天线通过50欧姆馈线连接到所述GNSS接收机。

较佳地，所述数模转换器单元采用DAC8501型号的数模转换器。

较佳地，所述分频单元为10000000分频器。

较佳地，所述CPU采集处理单元采用TM4C1294NCPTD型号的处理器。

较佳地，所述精细同步单元采用DS1023型号的延时控制芯片。

优选地，本发明还提供一种提高GNSS同步授时精度装置，包括GNSS天线、GNSS接收机、CPU采集处理单元、数模转换器单元、本地晶体振荡器、分频单元、TIE测量单元、粗同步单元、精细同步单元、50欧姆馈线、第一通讯总线、第二通讯总线、第三通讯总线、第四通讯总线、RS232串口和脉冲输出端，所述GNSS天线通过所述50欧姆馈线与所述GNSS接收机连接，所述GNSS接收机与所述TIE测量单元连接，所述GNSS接收机还通过所述RS232串口与所述CPU采集处理单元连接，所述CPU采集处理单元通过所述第一通讯总线与所述数模转换器单元连接，所述数模转换器单元与所述本地晶体振荡器连接，所述本地晶体振荡器分别与所述分频单元和所述粗同步单元连接，所述分频单元与所述TIE测量单元连接，所述TIE测量单元通过所述第二通讯总线与所述CPU采集处理单元连接，所述CPU采集处理单元通过所述第三通讯总线与所述粗同步单元连接，所述粗同步单元与所述精细同步单元连接，所述CPU采集处理单元还通过所述第四通讯总线与所述精细同步单元连接，所述精细同步单元与所述脉冲输出端连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提高GNSS同步授时精度方法，通过平滑滤波处理1PPS卫星授时信号，粗同步授时信号脉冲后再精细同步授时信号脉冲，使得本发明可以有效减小GNSS接收机输出秒脉冲的抖动误差，补偿1PPS信号传输路径的延迟，克服授时信号传输路径影响，大幅提高现有的卫星授时输出的1PPS信号的精度，提高授时精度和授时稳定性。本发明只需嵌入相应的处理模块就可实现，硬件成本增加极低；本发明的脉冲精密同步技术同步精度达0.25纳秒，能够很好地适应更高精度的授时系统的授时需求，在信号分配、时钟高精度同步，脉冲精确提前与延后控制中均可应用。

附图说明

图1为本发明的一种提高GNSS同步授时精度方法的方法原理示意图。

图2为本发明的一种提高GNSS同步授时精度装置的连接示意图。

图3为本发明的实施例三中TIE测量单元测量原理的示意图。

图4为本发明的实施例四中粗同步单元的粗同步调整控制原理的示意图。

图5为本发明的实施例五中精细同步单元的精细同步调整控制原理的示意图。

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所示，一种提高GNSS同步授时精度方法，包括如下步骤：

步骤1.使用GNSS天线接收GNSS卫星导航的无线电信号；

较佳地，步骤6包括：

本实施例中，所述CPU采集处理单元对时间间隔测量值进行平均值滤波，输出平均时间间隔，对于平均时间间隔为正数，则除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元；对于平均时间间隔为负数，则加上5，再除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元。

进一步地，所述GNSS天线通过50欧姆馈线连接到所述GNSS接收机。

较佳地，所述数模转换器单元采用DAC8501型号的数模转换器。

优选地，所述分频单元为10000000分频器。

其中，所述CPU采集处理单元采用TM4C1294NCPTD型号的处理器。

更好地，所述精细同步单元采用DS1023型号的延时控制芯片。

更优地，如图2所示，本发明还提供一种提高GNSS同步授时精度装置，包括GNSS天线、GNSS接收机、CPU采集处理单元、数模转换器单元、本地晶体振荡器、分频单元、TIE测量单元、粗同步单元、精细同步单元、50欧姆馈线、第一通讯总线、第二通讯总线、第三通讯总线、第四通讯总线、RS232串口和脉冲输出端，所述GNSS天线通过所述50欧姆馈线与所述GNSS接收机连接，所述GNSS接收机与所述TIE测量单元连接，所述GNSS接收机还通过所述RS232串口与所述CPU采集处理单元连接，所述CPU采集处理单元通过所述第一通讯总线与所述数模转换器单元连接，所述数模转换器单元与所述本地晶体振荡器连接，所述本地晶体振荡器分别与所述分频单元和所述粗同步单元连接，所述分频单元与所述TIE测量单元连接，所述TIE测量单元通过所述第二通讯总线与所述CPU采集处理单元连接，所述CPU采集处理单元通过所述第三通讯总线与所述粗同步单元连接，所述粗同步单元与所述精细同步单元连接，所述CPU采集处理单元还通过所述第四通讯总线与所述精细同步单元连接，所述精细同步单元与所述脉冲输出端连接。

实施例二

对1PPS_SAT进行平滑滤波处理，过程如下：

首先建立一个本地高稳定的频率源，所述频率源包括所述CPU采集处理单元、所述数模转换器单元、所述粗同步单元、所述分频单元、所述本地晶体振荡器和所述TIE测量单元，所述本地晶体振荡器为高稳压控晶振，所述频率源能够将所述本地晶体振荡器的频率准确度提高到5E-11,同时所述分频单元对所述本地晶体振荡器输出的10MHz信号进行10000000分频，产生高精度、高稳定的1PPS_LOCAL信号，作为1PPS_SAT信号平滑滤波测量的参考信号。

所述本地晶体振荡器输出10MHz信号分频算法如下：

实施例三

如图3所示，所述TIE测量单元测量1PPS_SAT和1PPS_LOCAL的时间间隔的过程如下：

所述分频单元将10MHz信号通过其内部锁相环倍频到200MHz，并将其作为时间间隔测量的填充脉冲，1PPS_SAT上升沿作为开门信号，启动计数器对200MHz计数，1PPS_LOCAL作为关门信号，停止计数，计数值乘以5就是1PPS_SAT和1PPS_LOCAL两个脉冲上升沿的时间差。这个时间差由所述CPU采集处理单元通过所述第二通讯总线从所述TIE测量单元中读取，并进行累加计算、野值剔除，每100秒计算一次平均值等。

所述TIE测量单元测量算法如下：

实施例四

如图4所示，所述粗同步单元的粗同步调整控制过程如下：

频率驯服后的所述本地晶体振荡器输出的10MHz信号，在所述分频单元内部锁相环倍频到200MHz，初始状态通过所述GNSS接收机的1PPS授时秒脉冲上升沿对分频计数器清零，实现基本同步。然后启动这两个秒脉冲的时间间隔的测量，并由所述CPU采集处理单元进行平均，根据平均结果TIE_AVER，对要输出的1PPS_LOCAL信号进行提前和后移。同时，由于GNSS信号从所述GNSS天线到所述GNSS接收机、所述分频单元、所述TIE测量单元、所述粗同步单元输出，以及各模块内部信号处理均会有固定的时间延迟设为DELTA，这个延迟数值可以实现标定出来，DELAY＝TIE_AVER+DELTA就是秒脉冲输出要调整的数值。

其中算法如下：

实施例五如图5所示，所述精细同步单元的精细同步调整控制过程如下：

所述精细同步单元采用可编程延迟线实现精确同步脉冲调整控制，DS1023型号的延时控制芯片是一个8位256步进的可编程延时线，步长0.25纳秒，每一个芯片可以实现最大64纳秒的信号延迟调整范围，更大范围的延迟可以通过多片级联的方式实现，为节省成本，将超过5纳秒的大范围的延迟调整放在所述粗同步单元实现，5纳秒以下的延迟调整由所述精细同步单元来实现。

由于DS1023型号的延时控制芯片只具有信号的延迟与推后功能，没有信号提前功能，脉冲推后，纳秒数为X正值，所述粗同步单元对5纳秒整数倍的信号的延迟推后或提前，X/5取整的数值Y送给所述粗同步单元，剩余的不足5纳秒的余数Z＝X％5，将Z/0.25直接写进DS1023型号的延时控制芯片，就实现了脉冲推后的精确控制；如果X是负值，秒脉冲提前，(X+5)/5取整的数值Y送给所述粗同步单元,剩余的不足5纳秒的余数Z＝(5+X)％5，将Z/0.25直接写进DS1023型号的延时控制芯片，就实现了脉冲提前的精确控制。

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

1.一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.使用GNSS天线接收GNSS卫星导航的无线电信号；

步骤4.使用本地晶体振荡器输出10MHz信号，10MHz信号分成两路，一路进入分频单元，所述分频单元输出1PPS_LOCAL到所述TIE测量单元；另一路进入粗同步单元进行粗同步；

步骤9.使用所述CPU采集处理单元控制所述精细同步单元输出精细同步后的高精度秒脉冲同步信号；

其中，对1PPS_SAT进行平滑滤波处理，过程如下：

首先建立一个本地高稳定的频率源，所述频率源包括所述CPU采集处理单元、所述数模转换器单元、所述粗同步单元、所述分频单元、所述本地晶体振荡器和所述TIE测量单元，所述本地晶体振荡器为高稳压控晶振，所述频率源能够将所述本地晶体振荡器的频率准确度提高到5E-11,同时所述分频单元对所述本地晶体振荡器输出的10MHz信号进行10000000分频，产生高精度、高稳定的1PPS_LOCAL信号，作为1PPS_SAT信号平滑滤波测量的参考信号；

所述TIE测量单元测量1PPS_SAT和1PPS_LOCAL的时间间隔的过程如下：

所述分频单元将10MHz信号通过其内部锁相环倍频到200MHz，并将其作为时间间隔测量的填充脉冲，1PPS_SAT上升沿作为开门信号，启动计数器对200MHz计数，1PPS_LOCAL作为关门信号，停止计数，计数值乘以5就是1PPS_SAT和1PPS_LOCAL两个脉冲上升沿的时间差；这个时间差由所述CPU采集处理单元通过第二通讯总线从所述TIE测量单元中读取，并进行累加计算、野值剔除，每100秒计算一次平均值。

2.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，步骤6包括：

3.如权利要求2所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述CPU采集处理单元对时间间隔测量值进行平均值滤波，输出平均时间间隔，对于平均时间间隔为正数，则除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元；对于平均时间间隔为负数，则加上5，再除以5，整数部分输出到所述粗同步单元，余数部分输出到所述精细同步单元。

4.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述GNSS天线通过50欧姆馈线连接到所述GNSS接收机。

5.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述数模转换器单元采用DAC8501型号的数模转换器。

6.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述分频单元为10000000分频器。

7.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述CPU采集处理单元采用TM4C1294NCPTD型号的处理器。

8.如权利要求1所述的一种提高GNSS同步授时精度方法，其特征在于，所述精细同步单元采用DS1023型号的延时控制芯片。