CN112034698B - 一种通用授时校时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通用授时校时方法，属于GPS/BD守时技术领域。本发明的方法首先对GPS/BD模块输出的时间信息和秒脉冲信息进行采集和处理，筛选出初始时间；然后根据初始时间和后续的时间信息和秒脉冲信息进行时间更新；在GPS/BD模块丢星时，能够利用辅助时钟在之前时间的基础上进行本地守时，并且在GPS/BD模块重新捕获星历信号后，能够进行时间修正。本方法适用于不同厂家5Hz及以上更新频率的GPS/BD模块，时间输出精度达到微秒级，不仅能够进行初始时间筛选，还能在丢星时进行本地守时，丢星重捕获后进行时间修正和防止时间跳变，保证了守时信息的精度和稳定度。

Description

一种通用授时校时方法
技术领域
本发明属于GPS/BD守时技术领域，具体涉及一种通用授时校时方法。
背景技术
目前，随着机载航电系统的不断迭代发展，各系统及设备之间的交联关系也愈加复杂，为掌握各设备在飞行过程中的状态，需要精细的事后数据分析工作，这对数据采集记录设备的时间精度提出了更高的要求。GPS/BD卫星发送的授时和定位信号，是一种可供无数用户共享的最优时间信息来源。GPS卫星信号无线接收模块，即GPS/BD模块，用于接收包含有秒脉冲信号的GPS/BD卫星授时信息，可用做机载数据采集记录设备的授时来源。
目前主要存在以下三种守时方法：1、利用GPS模块定位的时间作为初始值，后续用本地守时，这种方法可能会导致初始定位时间不准导致时间一直有偏差，或者由于守时误差导致的时间漂移。2、一直利用GPS模块输出的时间作为本地基准，但当飞机在空中做大机动或穿越山谷时，会出现丢星导致无GPS时间信息的情况。3、当GPS定位信息有效时用GPS模块输出信息守时，无效时用本地守时，重新有效后再切换回GPS模块守时，但无法应对不同厂家GPS/BD模块在恶劣环境下产生的不同故障模式，比如时间跳变、秒脉冲不准等故障。
综上，现有的GPS/BD模块守时方法，GPS/BD信号经采集处理后，到主机模块输出的时间分辨率为毫秒级或更低，精度较低；直接采用解析的GPS/BD模块的时间信息，在模块丢星时，无法保证提供准确的时间；更无法应对不同厂家GPS/BD模块在恶劣环境下产生的不同故障模式，比如时间跳变、秒脉冲不准等故障。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种通用授时校时方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通用授时校时方法，包括以下步骤：
步骤1、将GPS/BD模块接入GPS数据采集模块，并将GPS天线接到GPS/BD模块的端口；GPS数据采集模块用于通过RS-232进行定位数据的采集，采用FPGA芯片实现，GPS/BD模块的定位成功标志信号和秒脉冲信号接入FPGA芯片的I/O引脚，FPGA芯片实现对GPS/BD模块定位状态和秒脉冲信号的采集，并对数据进行编号、组包，通过双口RAM发送给计算机模块；
步骤2、FPGA芯片通过RS-232串口和I/O端口，获取GPS/BD模块输出的GPS时间、GPS/BD模块定位信号和PPS秒脉冲信号，将解析出来的GPS时间信息实时放入计算机模块的双口RAM中，其中时间信息包括年、月、日、时、分、秒、定位有效标志；并在接收到PPS秒脉冲信号的同时产生微秒信息并实时地放入所述双口RAM中；
步骤3、进行秒脉冲筛选；计算机模块实时读取双口RAM信息，GPS定位标志有效后，首先对秒脉冲进行筛选，若毫秒计数小于990就归零或者大于1000还没归零，则认为秒脉冲未通过筛选；若连续十个秒脉冲均通过筛选，则秒脉冲筛选成功进入初始时间筛选；
步骤4、进行初始时间筛选；计算机模块每秒内连续筛选5次时间，若该5次时间的年月日时分秒不变，且毫秒均在300和800之间递增，则认为该秒时间筛选通过；后一秒的时间在上一拍秒计数加1的基础上，对该秒内的时间有效性进行筛选，若连续3秒的时间均通过，则获取到GPS初始时间，后续以此时间为基准进行守时；
步骤5、进行时间戳更新；计算机模块实时记录FPGA芯片毫秒计数及计算机模块的CPU的毫秒计数，分别用于两者的守时；在符合GPS/BD模块守时条件的情况下，执行步骤6，实现通过GPS/BD模块守时，否则执行步骤7，实现本地守时；
步骤6、通过GPS/BD模块守时；对GPS定位标志有效性持续时间进行判断，若GPS定位标志有效持续10秒以上且秒脉冲有效时，才用GPS/BD模块秒脉冲进行守时；
步骤7、进行本地守时；具体为CPU实时读取当前毫秒计数，与上一拍CPU毫秒计数值比较得到差值，将此差值与上一拍守时的时间戳相加，即得到本地守时的最新时间戳。
优选地，步骤5中，当出现本地守时时间比GPS时间超前或变慢的情况，切换为GPS时间，在时间切换的时候，对切回的时间与上一拍守时时间进行比较，若两者相差大于700ms，就将时间加1或减1秒，后续不论是在GPS守时还是本地守时阶段，都在符合条件时执行步骤8，进行时间修正。
优选地，步骤8、时间修正；计算机模块判断GPS年月日时和守时的年月日时相等，并满足GPS时分秒连续增加3秒的情况下，才用GPS时间的分秒代替本地守时时间的分秒，进行分和秒的修正。
优选地，步骤6中，用GPS/BD模块秒脉冲进行守时；具体方法如下：设上一拍守时时间戳为t，其中毫秒数为j，CPU实时读取当前FPGA芯片秒脉冲计数m，与上一拍守时的FPGA芯片秒脉冲计数值比较n，若m<n，则更新时间戳为t-j+m+(1秒)；若m>＝n，则更新时间戳为t-j+m。
优选地，所述GPS/BD模块定位信号为PV信号。
优选地，所述定位有效标志为1代表有效，为0代表无效。
优选地，所述FPGA芯片选用赛灵思2V1000系列芯片。
优选地，所述计算机模块使用VxWorks6.9嵌入式实时系统workbench3.3开发环境，实现RS-232串口、I/O输入以及通讯接口电路。
优选地，所述FPGA芯片为RS-232的发送和接收各提供1K数据缓存，采用乒乓结构实现数据的无缝对接。
本发明还提供了一种用于所述通用授时校时方法的系统。
(三)有益效果
本发明的方法首先对GPS/BD模块输出的时间信息和秒脉冲信息进行采集和处理，筛选出初始时间；然后根据初始时间和后续的时间信息和秒脉冲信息进行时间更新；在GPS/BD模块丢星时，能够利用辅助时钟在之前时间的基础上进行本地守时，并且在GPS/BD模块重新捕获星历信号后，能够进行时间修正。本方法适用于不同厂家5Hz及以上更新频率的GPS/BD模块，时间输出精度达到微秒级，不仅能够进行初始时间筛选，还能在丢星时进行本地守时，丢星重捕获后进行时间修正和防止时间跳变，保证了守时信息的精度和稳定度。
附图说明
图1是本发明中实现基于GPS/BD模块的通用授时校时方法的系统组成框图；
图2是本发明的一种基于GPS/BD模块的通用授时校时方法中秒脉冲筛选流程图；
图3是本发明的一种基于GPS/BD模块的通用授时校时方法中初始时间筛选流程图；
图4是本发明的一种基于GPS/BD模块的通用授时校时方法中时间戳更新整体流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明针对现有授时校时方法存在的诸多问题，通过对不同厂家的多个GPS接收机授时精度、连续性和准确性的测试，本发明提供一种基于GPS/BD模块的通用授时校时方法，通过一种基于GPS/BD模块的通用授时校时系统实现，该系统包括GPS数据采集模块、GPS/BD模块和计算机模块。GPS/BD模块即GPS卫星信号无线接收模块，也即GPS接收机；
其中，GPS数据采集模块采用FPGA芯片实现，本实施例中选用赛灵思2V1000系列芯片，计算机模块使用VxWorks6.9嵌入式实时系统workbench3.3开发环境，实现RS-232串口、I/O输入以及通讯接口电路。GPS/BD模块安装在GPS数据采集模块上，GPS数据采集模块通过RS-232进行定位数据的采集，FPGA芯片为RS-232的发送和接收各提供1K数据缓存，采用乒乓结构实现数据的无缝对接；GPS/BD模块的定位成功标志信号和秒脉冲信号接入FPGA芯片的I/O引脚，FPGA芯片实现对GPS/BD模块定位状态和秒脉冲信号的采集，并对数据进行编号、组包，通过双口RAM发送给计算机模块。
该方法首先对GPS/BD模块输出的时间信息和秒脉冲信息进行采集和处理，筛选出初始时间；然后根据初始时间和后续的时间信息和秒脉冲信息进行时间更新；在GPS/BD模块丢星时，能够利用辅助时钟在之前时间的基础上进行本地守时，并且在GPS/BD模块重新捕获星历信号后，能够进行时间修正。参照图1、图2、图3、图4，具体步骤如下：
步骤1、将GPS/BD模块接入GPS数据采集模块，并将GPS天线接到GPS/BD模块的端口，系统上电；
步骤2、FPGA芯片通过RS-232串口和I/O端口，获取GPS/BD模块输出的GPS时间、PV信号(GPS接收机定位信号)和PPS秒脉冲信号，将解析出来的GPS时间信息实时放入计算机模块的双口RAM中，其中时间信息包括年、月、日、时、分、秒、定位有效标志(1有效/0无效)；并在接收到PPS秒脉冲信号的同时产生微秒信息(1～999999)并实时地放入所述双口RAM中，这种信息共享读取模式可保证计算机模块能够实时读取到最新的微秒值，时间分辨率为微秒。
步骤3、进行秒脉冲筛选，流程如图2。计算机模块实时读取双口RAM信息，GPS定位标志有效后，首先对秒脉冲进行筛选，若毫秒计数小于990就归零或者大于1000还没归零，则认为秒脉冲未通过筛选；若连续十个秒脉冲均通过筛选，则秒脉冲筛选成功进入初始时间筛选；
步骤4、进行初始时间筛选，流程如图3。计算机模块每秒内连续筛选5次时间(间隔60ms)，若该5次时间的年月日时分秒不变，且毫秒均在300和800之间递增，则认为该秒时间筛选通过；后一秒的时间在上一拍秒计数加1的基础上，对该秒内的时间有效性进行筛选，若连续3秒的时间均通过，则获取到GPS初始时间，后续以此时间为基准进行守时；
步骤5、进行时间戳更新，整体流程如图4。计算机模块实时记录FPGA芯片毫秒计数及计算机模块的CPU的毫秒计数，分别用于两者的守时；在符合GPS/BD模块守时条件的情况下，执行步骤6，实现通过GPS/BD模块守时，否则执行步骤7，实现本地守时；在长时间丢星的情况下，可能会出现本地守时时间比GPS时间超前或变慢几毫秒的情况，导致如下问题：以计算机模块每5ms更新一次时间戳为例，假如本地时间变慢6ms，恰巧遇到上一拍时间的毫秒值为995～999范围，此时切换为GPS时间，FPGA芯片毫秒值可能为6～9，此时直接用FPGA芯片毫秒替换会出现错误跳慢一秒。同理，守时时间超前6ms以上，可能会出现错误跳快一秒的情况。为防止这种错误跳变的情况，本流程在时间切换的时候，对切回的时间与上一拍守时时间进行比较，若两者相差大于700ms，就将时间加1或减1秒，先保证时间的平滑切换。后续程序不论是在GPS守时还是本地守时阶段，都可以在符合条件时执行步骤8，进行时间修正；
步骤6、通过GPS/BD模块守时；为防止GPS/BD模块在丢星重捕获后秒脉冲不准或时间不准，对GPS定位标志有效性持续时间进行判断，若GPS定位标志有效持续10秒以上且秒脉冲有效时，才用GPS/BD模块秒脉冲进行守时。具体方法如下：设上一拍守时时间戳为t，其中毫秒数为j，CPU实时读取当前FPGA芯片秒脉冲计数m，与上一拍守时的FPGA芯片秒脉冲计数值比较n，若m<n，则更新时间戳为t-j+m+(1秒)；若m>＝n，则更新时间戳为t-j+m；
步骤7、进行本地守时；具体为CPU实时读取当前毫秒计数，与上一拍CPU毫秒计数值比较得到差值，将此差值与上一拍守时的时间戳相加，即得到本地守时的最新时间戳；
步骤8、时间修正；计算机模块判断GPS年月日时和守时的年月日时相等，并满足GPS时分秒连续增加3秒的情况下，才用GPS时间的分秒代替本地守时时间的分秒，进行分和秒的修正。这种做法能够有效防止由于GPS/BD模块故障导致的年月日跳变，和GPS时间不输出的情况下，误修秒。
可以看出，本发明首先对GPS/BD模块输出的时间信息和秒脉冲信息进行采集和处理，筛选出初始时间；然后根据初始时间和后续的时间信息和秒脉冲信息进行时间更新；在GPS/BD模块丢星时，能够利用辅助时钟在之前时间的基础上进行本地守时，并且在GPS/BD模块重新捕获星历信号后，能够进行时间修正。本方法适用于不同厂家5Hz及以上更新频率的GPS/BD模块，时间输出分辨率达到微秒级，不仅能够进行初始时间筛选，还能在丢星时进行本地守时，丢星重捕获后进行时间修正和防止时间跳变，保证了守时信息的精度和稳定度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种通用授时校时方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将GPS/BD模块接入GPS数据采集模块，并将GPS天线接到GPS/BD模块的端口；GPS数据采集模块用于通过RS-232进行定位数据的采集，采用FPGA芯片实现，GPS/BD模块的定位成功标志信号和秒脉冲信号接入FPGA芯片的I/O引脚，FPGA芯片实现对GPS/BD模块定位状态和秒脉冲信号的采集，并对数据进行编号、组包，通过双口RAM发送给计算机模块；
步骤2、FPGA芯片通过RS-232串口和I/O端口，获取GPS/BD模块输出的GPS时间、GPS/BD模块定位信号和PPS秒脉冲信号，将解析出来的GPS时间信息实时放入计算机模块的双口RAM中，其中时间信息包括年、月、日、时、分、秒、定位有效标志；并在接收到PPS秒脉冲信号的同时产生微秒信息并实时地放入所述双口RAM中；
步骤3、进行秒脉冲筛选；计算机模块实时读取双口RAM信息，GPS定位标志有效后，首先对秒脉冲进行筛选，若FPGA芯片毫秒计数小于990就归零或者大于1000还没归零，则认为秒脉冲未通过筛选；若连续十个秒脉冲均通过筛选，则秒脉冲筛选成功进入初始时间筛选；
步骤4、进行初始时间筛选；计算机模块每秒内连续筛选5次时间，若该5次时间的年月日时分秒不变，且毫秒均在300和800之间递增，则认为该秒时间筛选通过；后一秒的时间在上一拍秒计数加1的基础上，对该秒内的时间有效性进行筛选，若连续3秒的时间均通过，则获取到GPS初始时间，后续以此时间为基准进行守时；
步骤5、进行时间戳更新；计算机模块实时记录FPGA芯片毫秒计数及计算机模块的CPU的毫秒计数，分别用于两者的守时；在符合GPS/BD模块守时条件的情况下，执行步骤6，实现通过GPS/BD模块守时，否则执行步骤7，实现本地守时；
步骤6、通过GPS/BD模块守时；对GPS定位标志有效性持续时间进行判断，若GPS定位标志有效持续10秒以上且秒脉冲有效时，才用GPS/BD模块秒脉冲进行守时；
步骤7、进行本地守时；具体为CPU实时读取当前毫秒计数，与上一拍CPU毫秒计数值比较得到差值，将此差值与上一拍守时的时间戳相加，即得到本地守时的最新时间戳；
步骤6中，用GPS/BD模块秒脉冲进行守时；具体方法如下：设上一拍守时时间戳为t，其中毫秒数为j，CPU实时读取当前FPGA芯片秒脉冲计数m，与上一拍守时的FPGA芯片秒脉冲计数值n比较，若m<n，则更新时间戳为t-j+m+1；若m>＝n，则更新时间戳为t-j+m。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，当出现本地守时时间比GPS时间超前或变慢的情况，切换为GPS时间，在时间切换的时候，对切回的时间与上一拍守时时间进行比较，若两者相差大于700ms，就将时间加1或减1秒，后续不论是在GPS守时还是本地守时阶段，都在符合条件时执行步骤8，进行时间修正。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤8、时间修正；计算机模块判断GPS年月日时和守时的年月日时相等，并满足GPS时分秒连续增加3秒的情况下，才用GPS时间的分秒代替本地守时时间的分秒，进行分和秒的修正。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GPS/BD模块定位信号为PV信号。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位有效标志为1代表有效，为0代表无效。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA芯片选用赛灵思2V1000系列芯片。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所示计算机模块使用VxWorks6.9嵌入式实时系统workbench3.3开发环境，实现RS-232串口、I/O输入以及通讯接口电路。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA芯片为RS-232的发送和接收各提供1K数据缓存，采用乒乓结构实现数据的无缝对接。
9.一种用于实现如权利要求1至8中任一项所述通用授时校时方法的系统。
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