CN112713925B - 一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统 - Google Patents

一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统，北斗接收模块与GPS接收模块用于将1PPS信号输入到所述本地钟生成模块；本地钟生成模块将北斗接收模块输出的1PPS与GPS接收模块输出的1PPS用于对本地钟的时差进行调节，对本地钟的时差调节量进行卡尔曼滤波处理；共视数据处理模块用于获取可视卫星的共视数据，基于共视数据判断子站与主站是否满足共视条件，若满足共视条件，则计算主站和子站的时间偏差，并对其进行调节；共视数据交换模块用于传输可视卫星的共视数据；频标源用于调节本地钟模块的时间稳定度和准确度；本发明的有益效果为子站卫星共视时间同步装置与主站之间的时间同步可靠性高、精度好；共视比对的发起者的时间基准源更准确。

Description

一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统
技术领域
本发明涉及卫星共视技术领域，尤其涉及一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统。
背景技术
在高精度授时领域采用卫星共视是解决时间同步和溯源的有效技术手段。通过子站与主站共视同一颗导航卫星，实现子站的时间溯源到主站的时间上，并与之保持同步。通常都是采用单北斗或单GPS导航卫星实现卫星共视授时，为了提高共视的可靠性也会采用双模(北斗、GPS)或多模接收模块实现卫星共视授时。
单北斗接收模块或双模接收模块工作在北斗模式下，输出的1PPS是以北斗系统时间做参照；单GPS接收模块或双模接收模块工作在GPS模式下，输出的1PPS是以GPS系统时间做参照；如果是双模接收机工作在双模模式下，输出的1PPS是综合了北斗和GPS系统时间后得出的时间做参照，该时间与北斗系统时间或GPS系统时间的对应关系不确定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统，通过主站获取的可视卫星的共视数据发送到子站，并与子站可视卫星的共视数据做比对，通过共视卫星数据计算出子站与主站之间的时间偏差并调节子站时间，使得子站和主站的时间同步。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于双模卫星共视的时间同步装置，所述时间同步装置包括北斗接收模块、GPS接收模块、频标源、本地钟生成模块、共视数据处理模块、时间信号输出模块以及共视数据交换模块；
所述北斗接收模块用于将1PPS信号输入到所述本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与北斗接收模块处理信息输入到所述共视数据处理模块；
所述GPS接收模块用于将1PPS信号输入到所述本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与GPS接收模块处理信息输入到所述共视数据处理模块；
所述本地钟生成模块将北斗接收模块输出的1PPS与GPS接收模块输出的1PPS用于对本地钟的时差进行调节，并对本地钟的时差调节量进行卡尔曼滤波处理；
所述时间信号输出模块用于接收本地钟生成模块输出的时间信号，并生成用户所需的时间信号；
所述共视数据处理模块用于获取可视卫星的共视数据，基于共视数据判断主站和子站是否满足共视条件，若满足共视条件，则计算子站与主站的时间偏差ΔTSM，并对其进行调节；
所述共视数据交换模块用于传输可视卫星的共视数据；
所述频标源用于调节本地钟模块的时间稳定度和准确度。
传统地卫星共视的时间同步装置，采用的是双模接收机工作在双模模式下，输出1PPS是综合了北斗和GPS系统时间后得出的时间做参照，但是该时间与北斗系统时间或GPS系统时间的对应关系不能确定；本发明提供一种基于双模卫星共视的时间同步装置，采用单北斗接收模块与单GPS接收模块实现双模共视，且在主站卫星共视时间同步装置中，以北斗接收模块和GPS接收模块输出的1PPS的参照都归算到UTC(世界协调时)时间上，频标源采用铯钟或铷钟，使得时钟更稳定；在子站卫星共视时间同步装置中，采用与卫星仰角有关的加权平均算法做多星共视的子站与主站的钟差计算，使得时间同步装置的时间同步可靠性更高、精度也更高。
优选地，所述可视卫星的共视数据包括主站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure BDA0002828179910000021
卫星仰角EMi，与子站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure BDA0002828179910000022
卫星仰角ESi。
优选地，所述时间偏差ΔTSM计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000023
n为卫星数量。
最终测量得到的时间偏差ΔTSM的值，通过1ns/s步进调节的方式进行调节，最终调节的数值越小，则代表子站卫星共视时间同步装置同步到主站卫星共视时间同步装置的时间更准确以及更稳定。
优选地，所述主站可视卫星的星地钟差
Figure BDA0002828179910000024
的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000025
Figure BDA0002828179910000026
为主站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure BDA0002828179910000027
为主站卫星接收模块输出时间与卫星钟的时间偏差。
优选地，所述子站可视卫星的地钟差
Figure BDA0002828179910000028
的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000029
Figure BDA00028281799100000210
为子站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure BDA00028281799100000211
为子站卫星接收模块输出时间与卫星钟的时间偏差。
优选地，所述本地钟的时差调节量为主站本地钟的时差调节量ΔTLT，所述主站本地钟的时差调节量ΔTLT的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000031
NBD为北斗卫星数；NGPS为GPS卫星数；ΔTLT_GM为GPS接收模块输出的1PPS与本地钟生成模块的1PPS的时差值；ΔTLT_BM为北斗接收模块输出1PPS信号与本地钟的1PPS的时差值。
优选地，所述ΔTLT_GM的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000032
ΔTGPS_UTC为通过导航电文解析出GPS导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_GPS为对GPS接收
模块输出的1PPS做去抖处理后的测量值。
所述ΔTLT_BM的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000033
ΔTBD_UTC为通过导航电文解析出北斗导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_BD为对北斗接收模块输出1PPS做去抖处理后的测量值。
优选地，所述频标源为铯钟或铷钟。
本发明还公开了一种基于双模卫星共视的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步系统包括主站和n个子站，所述主站和n个所述子站均包括如上述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，且所述主站与n个子站通过通信网络连接，n个所述子站接收所述主站传输的共视数据。
为了提高共视的可靠性，常采用多星共视，每颗共视卫星都可计算出子站、主站两个站点的时间差，多个时间差的平均作为子站时间的调节量。由于星地钟差的准确度与卫星仰角有关，仰角越大准确度越高，因此不能简单地采用算术平均，而应该采用与仰角有关的加权平均。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统，通过在子站中采用与卫星仰角有关的加权平均算法做多星共视的子站和主站之间的钟差计算，使得子站卫星共视时间同步装置与主站卫星共视时间同步装置之间的时间同步可靠性更高、精度更好；
2、本发明提供的一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统，采用单北斗接收模块和单GPS接收模块实现双模共视，主站用的双模卫星共视时间同步装置将以北斗接收模块和GPS接收模块输出的1PPS的参照都归算到UTC时间上，主站应采用铯钟或铷钟作为频标源，使得主站时钟更稳定；子站采用与卫星仰角有关的加权平均算法做多星共视的子站与主站的钟差计算，使得时间同步装置的时间同步可靠性更高、精度也更高。
3、本发明提供的一种基于双模卫星共视的时间同步装置及系统，采用对北斗和GPS接收模块输出1PPS做分频硬件滤波和卡尔曼软件滤波，使得主站本地钟和子站在单向授时状态下的本地钟的稳定性和精度更高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为双模卫星共视时间同步装置示意图
图2为卫星共视时间同步系统示意图
图3为1PPM时差测量逻辑图
图4为子站软件流程示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例公开了一种基于双模卫星共视的时间同步装置，如图1所示，时间同步装置包括北斗接收模块、GPS接收模块、频标源、本地钟生成模块、共视数据处理模块、时间信号输出模块以及共视数据交换模块；北斗接收模块用于将1PPS信号输入到本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与北斗接收模块处理信息输入到共视数据处理模块；GPS接收模块用于将1PPS信号输入到本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与GPS接收模块处理信息输入到共视数据处理模块；本地钟生成模块将北斗接收模块输出的1PPS与GPS接收模块输出的1PPS用于对本地钟的时差进行调节，并对本地钟的时差调节量进行卡尔曼滤波处理。
本地钟的时差调节量为主站本地钟的时差调节量ΔTLT，主站本地钟的时差调节量ΔTLT的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000041
NBD为北斗卫星数；NGPS为GPS卫星数；ΔTLT_GM为GPS接收模块输出的1PPS与本地钟生成模块的1PPS的时差值；ΔTLT_BM为北斗接收模块输出1PPS信号与本地钟的1PPS的时差值。
ΔTLT_GM的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000051
ΔTGPS_UTC为通过导航电文解析出GPS导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_GPS为对GPS接收模块输出的1PPS做去抖处理后的测量值。
ΔTLT_BM的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000052
ΔTBD_UTC为通过导航电文解析出北斗导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_BD为对北斗接收模块输出1PPS做去抖处理后的测量值。
如图3所示，由于北斗接收模块和GPS接收模块输出的1PPS的抖动有10余纳秒，为提高测量精度，将北斗接收模块和GPS接收模块输出的1PPS分频生成1PPM，接至TDC(时间数字转换器)的Start(开门)端；频标源输出的10MHz经分频生成1PPM，再延时200ns，接至TDC的Stop(关门)端。读取TDC的测量值ΔTPPM_BD和ΔTPPM_GPS。
时间信号输出模块用于接收本地钟生成模块输出的时间信号，并生成用户所需的时间信号；共视数据处理模块用于获取可视卫星的共视数据，基于共视数据判断是否满足共视条件，若满足共视条件，则计算时间偏差ΔTSM，并对时间偏差进行调节；共视数据交换模块用于传输可视卫星的共视数据；
共视的周期为5min，双模卫星共视时间同步装置每秒对可视卫星计算一次星地的钟差和卫星仰角，对共视周期内的可视卫星的星地钟差和仰角做最小二乘拟合，取中位值作为共视数据中的星地钟差和卫星仰角。
可视卫星的共视数据包括主站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure BDA0002828179910000053
卫星仰角EMi，与子站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure BDA0002828179910000054
卫星仰角ESi。
共视数据交换模块用于将主站可视卫星计算出的共视数据传输到子站；主站频标源为铯钟或铷钟，主要是为了确保主站时钟的准确度和稳定度，并将主北斗接收模块与主GPS接收模块输出的时间去抖并归算到UTC上。
由于卫星信号传输经过电离层和对流层，星地钟差的测量和计算产生的误差与卫星仰角有关，利用多颗共视卫星计算子站与主站的时间偏差需要做加权平均，误差大的数据权重要小，以sin(EMi)和sin(ESi)作为星地钟差的权重。则子站与主站的时间偏差ΔTSM的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000055
n为卫星数量；通过1ns/s步进方式对ΔTSM调节，可以使得子站同步到主站的时间更准确、更稳定。
主站星地钟差
Figure BDA0002828179910000061
的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000062
Figure BDA0002828179910000063
为主站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure BDA0002828179910000064
为主站卫星接收模块输出时间与卫星中的时间偏差。
子站星地钟差
Figure BDA0002828179910000065
的计算表达式为：
Figure BDA0002828179910000066
Figure BDA0002828179910000067
为子站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure BDA0002828179910000068
为子站的卫星接收模块输出时间与卫星中的时间偏差。
实施例二
本实施例基于实施例一的基础上，公开了一种基于双模卫星共视的时间同步系统，如图2所示，时间同步系统包括主站和n个子站，主站和n个子站均由实施例一种的卫星共视时间同步装置构成，且主站与n个子站通过通信网络连接，n个子站接收主站传输的共视数据。
子站双模卫星共视时间同步装置有3种运行状态：共视同步、单向授时和守时。共视同步状态是指收到主站发来的共视数据，用共视卫星的星地钟差计算子站与主站的时间偏差，调节子站本地钟的时间；单向授时状态是指共视不成功，但能接收到北斗和/或GPS的时间信号和数据，进入单向授时状态；守时状态是指北斗和GPS都不能提供有效的时间信号和数据，进入守时状态。
图4为子站双模卫星共视时间同步装置软件流程示意图，以下对流程示意图做具体说明。
“初始化”主要包括：(1)CPU、FPGA、存储、输入输出端口初始化；(2)关闭时间信号和信息的输出；(3)北斗和/或GPS接收模块工作正常，输出的1PPS稳定抖动小于20ns；(4)频标源驯服；(5)连续30min(3)和(4)正常工作，处于单向授时状态，开放时间信号和信息的输出，授时精度优于50ns。
“初始化”结束后，后续的主体程序每秒执行一次。
“有可视的北斗和GPS卫星”主要是接收北斗和GPS接收模块发送串口报文和1PPS，判断有无有效的可视卫星。若没有有效的可视卫星，则进入守时状态，本地钟自主运行；否则进入后续计算。
“计算可视卫星的星地钟差”主要是：解析每颗可视的北斗和GPS卫星的导航电文；接收模块测量计算的每颗卫星的伪距、仰角以及接收模块钟差；计算每颗卫星的真距、卫星钟差、电离层延时、对流层延时；测量北斗和GPS接收模块输出的1PPS与本地钟的1PPS的时间偏差；最后计算出每颗可视卫星的星地钟差。
“共视周期结束”是对一个完整的共视周期是否结束做判断。若未结束，则返回到“有可视的北斗和GPS卫星”处理部分；若结束，则进行后续计算。为达到子站与主站的时间同步精度优于10ns，共视周期需根据频标源的选择而定。若主站选用铯原子钟、子站选用铷原子钟，则共视周期可定为5min；若主站选用铷原子钟、子站选用恒温晶振，则共视周期可定为1min。
“做最小二乘拟合”主要是对共视周期内的各可视卫星的星地钟差及仰角做最小二乘拟合，取中位值作为各可视卫星的星地钟差及仰角的估计值。若在共视周期内某颗卫星的有效数据不足2/3，则该卫星不作为可视卫星。
“接收主站共视数据”是指接收主站发送来的可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差及仰角。
“共视成功”是指将子站的可视卫星和主站的可视卫星做对比，选出共视卫星。若无共视卫星，则进入单向授时状态；若有共视卫星，则计算子站与主站的时间偏差。
“计算子站与主站的钟差”是指采用与仰角相关的权重做钟差的加权平均，得出子站的时钟调节量。
“计算单向授时的调节量”与主站的时钟调节量计算方法一致。对北斗和GPS接收模块输出的1PPS做1min去抖处理，如图3所示。计算本地钟与北斗和GPS接收模块的时间偏差，两者做加权平均，再进行卡尔曼滤波，得出单向授时的调节量。
“步进调节子站时钟”是指无论是共视同步状态下，还是单向授时状态下，计算出的调节量，都按照1ns/s的步进方式调节。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述时间同步装置包括北斗接收模块、GPS接收模块、频标源、本地钟生成模块、共视数据处理模块、时间信号输出模块以及共视数据交换模块；
所述北斗接收模块用于将1PPS信号输入到所述本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与北斗接收模块处理信息输入到所述共视数据处理模块；
所述GPS接收模块用于将1PPS信号输入到所述本地钟生成模块，将TTL串口卫星导航信息与GPS接收模块处理信息输入到所述共视数据处理模块；
所述本地钟生成模块将北斗接收模块输出的1PPS与GPS接收模块输出的1PPS用于对本地钟的时差进行调节，并对本地钟的时差调节量进行卡尔曼滤波处理；
所述时间信号输出模块用于接收本地钟生成模块输出的时间信号，并生成用户所需的时间信号；
所述共视数据处理模块用于获取可视卫星的共视数据，基于共视数据判断子站与主站是否满足共视条件，若满足共视条件，则计算子站与主站的时间偏差ΔTSM，并对其进行调节；
所述共视数据交换模块用于传输可视卫星的共视数据；
所述频标源用于调节本地钟模块的时间稳定度和准确度；
所述可视卫星的共视数据包括主站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure FDA0003635758260000011
卫星仰角EMi，与子站可视卫星的导航系统编号、卫星编号、星地钟差
Figure FDA0003635758260000012
卫星仰角ESi；
所述时间偏差ΔTSM计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000013
n为卫星数量。
2.根据权利要求1所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述主站可视卫星的星地钟差
Figure FDA0003635758260000014
的计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000015
Figure FDA0003635758260000016
为主站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure FDA0003635758260000017
为主站卫星接收模块输出时间与卫星钟的时间偏差。
3.根据权利要求1所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述子站可视卫星的星地钟差
Figure FDA0003635758260000018
的计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000019
Figure FDA0003635758260000021
为子站本地钟与卫星接收模块输出时间的时间偏差，
Figure FDA0003635758260000022
为子站卫星接收模块输出时间与卫星钟的时间偏差。
4.根据权利要求1所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述本地钟的时差调节量为主站本地钟的时差调节量ΔTLT，所述主站本地钟的时差调节量ΔTLT的计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000023
NBD为北斗卫星数；NGPS为GPS卫星数；ΔTLT_GM为GPS接收模块输出的1PPS与本地钟生成模块的1PPS的时差值；ΔTLT_BM为北斗接收模块输出1PPS信号与本地钟的1PPS的时差值。
5.根据权利要求4所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述ΔTLT_GM的计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000024
ΔTGPS_UTC为通过导航电文解析出GPS导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_GPS为对GPS接收模块输出的1PPS做去抖处理后的测量值；
所述ΔTLT_BM的计算表达式为：
Figure FDA0003635758260000025
ΔTBD_UTC为通过导航电文解析出北斗导航系统与UTC的时差；ΔTPPM_BD为对北斗接收模块输出1PPS做去抖处理后的测量值。
6.根据权利要求2所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，其特征在于，所述频标源为铯钟或铷钟。
7.一种基于双模卫星共视的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步系统包括主站和n个子站，所述主站和n个所述子站均包括如权利要求1-6任一所述的一种基于双模卫星共视的时间同步装置，且所述主站与n个子站通过通信网络连接，n个所述子站接收所述主站传输的共视数据。
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