CN113311694A - 一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置 - Google Patents

一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置，包括主机，主机上安装显示屏，主机内部安装主控板，主控板上设置北斗及时间信号测量模块、数据采集处理及显示控制模块、电源模块、锁相及铷钟模块，本发明工作原理简单，解决了传统北斗驯服铷钟无法溯源到UTC时间，授时偏差较大的问题，同时也解决了采用北斗共视法驯服铷钟的驯服周期过长、共视设备故障或者通讯链路异常无法获取时差进行驯服的问题。

Description

一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置
技术领域
本发明涉及北斗技术领域，具体为一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置。
背景技术
使用卫星导航系统的共视时间传递，也称共视时间比对，是使用最多的远程时间传递方式，利用卫星导航系统的信号进行共视，获得异地的两台时钟之间的时差。分布各地的共视设备通过此方法，获取本地时钟与国家时间频率计量基准(原子时基准UTC(k))之间的时差，用来驯服本地铷钟，达到时间远程溯源的目的。
铷钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，但由于铷原子的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要使用参考时钟进行驯服，来提高铷钟的长期稳定度和参考时差的准确度。
目前，北斗单向授时驯服铷钟在市场上应用广泛，但是存在授时偏差较大，无法溯源到UTC的问题；而采用卫星共视技术驯服的铷钟，广泛使用GNSS通用时间传递标准(CGGTTS)传递时差，使用此标准驯服铷钟存在两个问题：1、周期过长，最短间隔时间为16分钟；2、参考时钟的共视设备故障或者通讯链路异常，无法获取时差。这两个问题导致驯服间隔过长或者无参考时钟用来驯服，使得系统可靠性降低，提高铷钟的长期稳定度和参考时差的准确度变得困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟的方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置,包括主机，所述主机上安装显示屏，所述主机内部安装主控板，所述主控板上设置北斗及时间信号测量模块、数据采集处理及显示控制模块、电源模块、锁相及铷钟模块，所述北斗及时间信号测量模块输入端通过射频信号连接北斗天线，输出端连接数据采集处理及显示控制模块，所述数据采集处理及显示控制模块连接锁相及铷钟模块，所述锁相及铷钟模块连接北斗及时间信号测量模块。
优选的，所述电源模块分别电性连接北斗及时间信号测量模块、数据采集处理及显示控制模块、锁相及铷钟模块。
优选的，所述电源模块具有多路12V、24V多路直流电源输出。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
A、过北斗卫星导航接收机，使用短周期间隔△t1，获得铷钟与北斗时间之间的钟差TD1；
B、通过北斗卫星导航接收机，使用卫星导航共视技术以及数据生成标准，时间间隔为△t2，获取铷钟与国家时间频率计量基准之间的时差TD2；
C、对时差值TD1和时差值TD2进行数字滤波，为剔除异常值，过滤噪声，计算公式如下：
TD1f＝K(G(TD1))
TD2f＝K(G(TD2))
其中，G代表格拉布斯野值剔除算法，剔除时差异常值；K代表卡尔曼滤波，滤除噪声，平滑时差值；
D、将数字过滤后的时差值TD1f和时差值TD2f进行叠加，计算公式如下：
TD＝TD1f+TD2f；
E、计算当前时刻叠加时差TD(n)和上一时刻叠加时差TD(n-1)之间的时差变化量，计算公式如下：
e(n)＝[TD(n)-TD(n-1)]/△t1；
F、使用增量式PID算法，计算当前时刻铷钟驯服调整系数，计算公式如下：
u(n)＝KPe(n)-KITD(n)+KD[e(n-1)-e(n-2)]
其中，KP，KI，KD为PID调节参数，由不同类型铷钟决定，通过试验验证获得；
e(n-1)为保存的上次时差变化量；
e(n-2)为保存的前次时差变化量；
u(n)为当前时刻计算得出的铷钟驯服调整系数；
G、计算实际频偏量值△f，△f为关于u(n)的线性函数，不同铷钟系数不同，计算公式概括为△f＝f(u(n))；
H、修正后的铷钟，再次与北斗时间和国家时间频率计量基准进行时差计算，形成闭环系统，最终逐步收敛完成驯服。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明工作原理简单，解决了传统北斗驯服铷钟无法溯源到UTC时间，授时偏差较大的问题，同时也解决了采用北斗共视法驯服铷钟的驯服周期过长、共视设备故障或者通讯链路异常无法获取时差进行驯服的问题；本发明利用北斗单向授时短期稳定度较高的特性，实时获取铷钟与北斗时间之间的钟差，将铷钟单向驯服至北斗时间，加快铷钟的驯服时间、提升驯服的短期稳定度；本发明利用北斗卫星导航共视技术，获取铷钟与国家时间频率计量基准之间的时差，联合北斗单向授时进行铷钟驯服，实现高精度、高可靠性的远程时间朔源。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明控制原理框图；
图3为本发明控制流程图；
图4为本发明卫星共视原理图；
图中：主机1、显示屏2、主控板3、北斗及时间信号测量模块4、数据采集处理及显示控制模块5、电源模块6、锁相及铷钟模块7、北斗天线8。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置,包括主机1，所述主机1上安装显示屏2，所述主机1内部安装主控板3，所述主控板3上设置北斗及时间信号测量模块4、数据采集处理及显示控制模块5、电源模块6、锁相及铷钟模块7，所述北斗及时间信号测量模块4输入端通过射频信号连接北斗天线8，输出端连接数据采集处理及显示控制模块5，所述数据采集处理及显示控制模块5连接锁相及铷钟模块7，所述锁相及铷钟模块7连接北斗及时间信号测量模块4；电源模块6分别电性连接北斗及时间信号测量模块4、数据采集处理及显示控制模块5、锁相及铷钟模块6；电源模块6具有多路12V、24V多路直流电源输出。其中北斗天线对北斗导航卫星发射的信号进行接收，通过对射频信号进行滤波、放大后，传输给北斗及时间信号测量模块；北斗及时间信号测量模块接收北斗天线传输的北斗卫星导航信号，经北斗核心模块的处理后，获得时间、位置、伪距、载波相位、多普勒等数据；再通过时差测量电路测量铷钟及北斗核心模块的时间信号的时差数据；数据采集处理及显示控制模块采集北斗导航板卡测量的原始观测量数据、铷钟和北斗导航板卡输出时间信号(1PPS，秒脉冲)之间的时间差观测量，通过处理器上的软件进行处理，生成各种钟差数据；锁相及铷钟模块由铷钟产生准确、稳定的频率和时间信号(1PPS，秒脉冲)，再通过锁相电路后，为北斗及时间信号测量模块提供频率基准和时间信号。同时，接收数据采集、处理及显示控制模块处理并反馈的相位、频差信息，对铷钟进行驾驭驯服。
本发明的使用方法包括以下步骤：
A、过北斗卫星导航接收机，使用短周期间隔△t1，获得铷钟与北斗时间之间的钟差TD1；
B、通过北斗卫星导航接收机，使用卫星导航共视技术以及数据生成标准，时间间隔为△t2，获取铷钟与国家时间频率计量基准之间的时差TD2；
C、对时差值TD1和时差值TD2进行数字滤波，为剔除异常值，过滤噪声，计算公式如下：
TD1f＝K(G(TD1))
TD2f＝K(G(TD2))
其中，G代表格拉布斯野值剔除算法，剔除时差异常值；K代表卡尔曼滤波，滤除噪声，平滑时差值；
D、将数字过滤后的时差值TD1f和时差值TD2f进行叠加，计算公式如下：
TD＝TD1f+TD2f；
E、计算当前时刻叠加时差TD(n)和上一时刻叠加时差TD(n-1)之间的时差变化量，计算公式如下：
e(n)＝[TD(n)-TD(n-1)]/△t1；
F、使用增量式PID算法，计算当前时刻铷钟驯服调整系数，计算公式如下：
u(n)＝KPe(n)-KITD(n)+KD[e(n-1)-e(n-2)]
其中，KP，KI，KD为PID调节参数，由不同类型铷钟决定，通过试验验证获得；
e(n-1)为保存的上次时差变化量；
e(n-2)为保存的前次时差变化量；
u(n)为当前时刻计算得出的铷钟驯服调整系数；
G、计算实际频偏量值△f，△f为关于u(n)的线性函数，不同铷钟系数不同，计算公式概括为△f＝f(u(n))；
H、修正后的铷钟，再次与北斗时间和国家时间频率计量基准进行时差计算，形成闭环系统，最终逐步收敛完成驯服。
本发明主要是基于卫星共视技术，其原理如下：高精度卫星导航接收机A可测量客户端的铷原子钟(Tru)的与北斗导航卫星钟(Tsat)之间的钟差，记作△TA＝Tru-Tsat，其中的钟差中包含了诸多误差，如导航卫星的轨道及星钟误差、传播链路的时间延迟误差及导航接收机带来的误差。同一个时刻，我们也可通过高精度卫星导航接收机B也可测量参考端的国家标准原子时UTC(k)与导航卫星钟(Tsat)之间的钟差，记作△TB＝Tutc-Tsat。
通过网络通信，客户端的数据采集及处理模块A可下载到参考端的数据采集及处理模块B生成的共视数据，通过两个时差的相减，可获得客户端铷原子钟与国家标准原子时UTC(k)之间的钟差。记作:
△T＝△TA-△TAB＝(Tru-Tsat)-(Tutc-Tsat)＝Tru-Tutc
通过卫星共视方法，可计算出一段时间内的铷原子钟相对于标准原子时的相位偏差和频率偏差及频率漂移；基于卫星共视的原理，可以获取到铷钟与北斗时间、铷钟与国家时间频率计量基准(UTC(k))之间的时差，运用本发明方法，达到使用卫星共视和北斗单向授时联合驯服铷钟的目的。
综上所述，本发明工作原理简单，解决了传统北斗驯服铷钟无法溯源到UTC时间，授时偏差较大的问题，同时也解决了采用北斗共视法驯服铷钟的驯服周期过长、共视设备故障或者通讯链路异常无法获取时差进行驯服的问题；本发明利用北斗单向授时短期稳定度较高的特性，实时获取铷钟与北斗时间之间的钟差，将铷钟单向驯服至北斗时间，加快铷钟的驯服时间、提升驯服的短期稳定度；本发明利用北斗卫星导航共视技术，获取铷钟与国家时间频率计量基准之间的时差，联合北斗单向授时进行铷钟驯服，实现高精度、高可靠性的远程时间朔源。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置,包括主机(1)，其特征在于：所述主机(1)上安装显示屏(2)，所述主机(1)内部安装主控板(3)，所述主控板(3)上设置北斗及时间信号测量模块(4)、数据采集处理及显示控制模块(5)、电源模块(6)、锁相及铷钟模块(7)，所述北斗及时间信号测量模块(4)输入端通过射频信号连接北斗天线(8)，输出端连接数据采集处理及显示控制模块(5)，所述数据采集处理及显示控制模块(5)连接锁相及铷钟模块(7)，所述锁相及铷钟模块(7)连接北斗及时间信号测量模块(4)。
2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置，其特征在于：所述电源模块(6)分别电性连接北斗及时间信号测量模块(4)、数据采集处理及显示控制模块(5)、锁相及铷钟模块(7)。
3.根据权利要求2所述的一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置，其特征在于：所述电源模块(6)具有多路12V、24V多路直流电源输出。
4.实现权利要求1所述的一种北斗卫星共视和单向授时联合驯服铷钟装置的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
A、过北斗卫星导航接收机，使用短周期间隔△t1，获得铷钟与北斗时间之间的钟差TD1；
B、通过北斗卫星导航接收机，使用卫星导航共视技术以及数据生成标准，时间间隔为△t2，获取铷钟与国家时间频率计量基准之间的时差TD2；
C、对时差值TD1和时差值TD2进行数字滤波，为剔除异常值，过滤噪声，计算公式如下：
TD1f＝K(G(TD1))
TD2f＝K(G(TD2))
其中，G代表格拉布斯野值剔除算法，剔除时差异常值；K代表卡尔曼滤波，滤除噪声，平滑时差值；
D、将数字过滤后的时差值TD1f和时差值TD2f进行叠加，计算公式如下：
TD＝TD1f+TD2f；
E、计算当前时刻叠加时差TD(n)和上一时刻叠加时差TD(n-1)之间的时差变化量，计算公式如下：
e(n)＝[TD(n)-TD(n-1)]/△t1；
F、使用增量式PID算法，计算当前时刻铷钟驯服调整系数，计算公式如下：
u(n)＝KPe(n)-KITD(n)+KD[e(n-1)-e(n-2)]
其中，KP，KI，KD为PID调节参数，由不同类型铷钟决定，通过试验验证获得；
e(n-1)为保存的上次时差变化量；
e(n-2)为保存的前次时差变化量；
u(n)为当前时刻计算得出的铷钟驯服调整系数；
G、计算实际频偏量值△f，△f为关于u(n)的线性函数，不同铷钟系数不同，计算公式概括为△f＝f(u(n))；
H、修正后的铷钟，再次与北斗时间和国家时间频率计量基准进行时差计算，形成闭环系统，最终逐步收敛完成驯服。
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