CN114296337A - 一种高精度授时授频接收机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高精度授时授频接收机，包括：信号接收模块，用于接收卫星信号，并根据卫星信号生成伪距信息；定时模块，用于根据伪距信息进行定时，得到定时信息；授时授频模块，用于根据定时信息，输出授时信号和/或授频信号；时钟模块，用于产生系统时钟并将系统时钟提供给信号接收模块、定位定时模块和授时授频模块；温度传感器模块；时钟修正模块，用于根据定时信息进行定频，得到定频信息作为时钟模块的频率偏差量，并根据定频信息、实时温度和时钟模块的参考电压的对应关系，调整参考电压，以降低频率偏差量。本申请中允许晶振不恒温，可选择低成本低精度的晶振，晶振可选择范围变广，从而授时授频接收机的成本和体积明显降低。

Description

一种高精度授时授频接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别涉及一种高精度授时授频接收机。

背景技术

当前，授时指的是通过某种方式，例如无线电波、卫星信号、电话、互联网或光纤，播发标准时间信号的工作手段。卫星导航授时方法采用通过卫星定位解算得到的系统时间作为参考生成1PPS(Pulse Per Second)授时信号。

进一步的，常用的授频方法为利用该授时信号实现的卫星驯服时钟算法，具体的，利用卫星授时接收机得到标准的1PPS授时信号作为参考标准，将其与本地晶振产生的1PPS信号同时输入高分辨率的时间间隔计数器得到时差,再将这个时差值送入主控制器，该主控制器通常选择单片机，主控制器对时差值进行处理得到一个电压控制信号，再将该电压控制信号送给压控振荡器来控制本地晶振，从而改善本地晶振的输出，调优后的本地晶振能够输出高精度任意频率信号。

可见，卫星驯服时钟算法能够提高授时、授频的精度和稳定性，但这种算法的实现需要一个高精度的恒温晶振，且需要驯服电路、单片机、授时接收机等多个模块的配合，导致整个授时系统的体积和成本较高。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低成本的高精度授时授频接收机。其具体方案如下：

一种高精度授时授频接收机，包括：

信号接收模块，用于接收卫星信号，并根据所述卫星信号生成伪距信息；

定时模块，用于根据所述伪距信息进行定时，得到定时信息；

授时授频模块，用于根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号；

时钟模块，用于产生系统时钟并将所述系统时钟提供给所述信号接收模块、所述定时模块和所述授时授频模块；

温度传感器模块，用于获取实时温度；

时钟修正模块，用于根据所述定时信息进行定频，得到定频信息作为所述时钟模块的频率偏差量，并根据所述定频信息、所述实时温度和所述时钟模块的参考电压的对应关系，调整所述参考电压，以降低所述频率偏差量。

优选的，所述信号接收模块包括：

信号接收天线，用于接收所述卫星信号；

射频单元，用于对所述卫星信号进行预处理后转换为数字形式；

捕获单元，用于对数字形式的所述卫星信号进行初步三维搜索，以捕获所述卫星信号；

跟踪单元，用于对捕获到的所述卫星信号进行跟踪，并将利用跟踪到的所述卫星信号确定所述伪距信息发送到所述定时模块。

优选的，所述射频单元包括：

依次连接的SAW电路、LNA电路、下变频器、放大器、滤波器和数模转换电路。

优选的，所述定时模块具体用于：

根据至少四个所述卫星信息对应的所述伪距信息进行定时，得到定时信息。

优选的，所述时钟模块包括：

晶振单元，用于根据所述参考电压提供基准时钟；

分频单元，用于根据所述基准时钟产生一个或多个所述系统时钟，分别提供给所述信号接收模块、所述定时模块和所述授时授频模块。

优选的，所述授时授频模块具体用于：

基于直接数字频率合成技术，根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号。

优选的，所述授时授频模块包括控制器、加法器和相位寄存器，其中：

所述控制器根据所述定时信息在所述相位寄存器中写入初始相位，以使所述相位寄存器输出第一电平；

所述加法器在所述系统时钟的每个时钟周期对所述相位寄存器增加预设频率控制字；

当所述相位寄存器溢出，则所述相位寄存器输出第二电平；

当所述第二电平的保持时间达到预设时间长度，所述控制器将所述相位寄存器再次设为所述初始相位。

优选的，所述时钟修正模块还用于：

调整所述参考电压和/或所述实时温度，并获取对应所述参考电压的所述定频信息，以确定所述定频信息和所述参考电压的对应关系。

优选的，所述时钟修正模块具体为MCU。

本申请公开了一种高精度授时授频接收机，该高精度授时授频接收机中对时钟模块的调优，具体由时钟修正模块根据所述定频信息、所述实时温度和所述时钟模块的参考电压的对应关系，调整所述参考电压，以降低所述频率偏差量。由于调整参考电压的依据为定频信息、实时温度和参考电压的对应关系，在时钟模块中晶振不恒温的情况下，依然能够实现时钟修正，也即本申请中授时授频接收机允许晶振不恒温，可选择低成本低精度的晶振，晶振可选择范围变广，从而授时授频接收机的成本和体积明显降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种高精度授时授频接收机的结构分布图；

图2为本发明实施例中一种授时授频模块的结构分布图；

图3为本发明实施例中一种高精度授时授频接收机的工作流程图。

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。

卫星驯服时钟算法能够提高授时、授频的精度和稳定性，但这种算法的实现需要一个高精度的恒温晶振，且需要驯服电路、单片机、授时接收机等多个模块的配合，导致整个授时系统的体积和成本较高。

本发明实施例公开了一种高精度授时授频接收机，参见图1所示，包括：

信号接收模块1，用于接收卫星信号，并根据所述卫星信号生成伪距信息；

定时模块2，用于根据所述伪距信息进行定时，得到定时信息；

授时授频模块3，用于根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号；

时钟模块4，用于产生系统时钟并将所述系统时钟提供给所述信号接收模块1、所述定时模块2和所述授时授频模块3；

温度传感器模块5，用于获取实时温度；

时钟修正模块6，用于根据所述定时信息进行定频，得到定频信息作为所述时钟模块4的频率偏差量，并根据所述定频信息、所述实时温度和所述时钟模块4的参考电压的对应关系，调整所述参考电压，以降低所述频率偏差量。

其中，所述信号接收模块1包括：

信号接收天线11，用于接收所述卫星信号；

射频单元12，用于对所述卫星信号进行预处理后转换为数字形式；

捕获单元13，用于对数字形式的所述卫星信号进行初步三维搜索，以捕获所述卫星信号；

跟踪单元14，用于对捕获到的所述卫星信号进行跟踪，并将利用跟踪到的所述卫星信号确定所述伪距信息发送到所述定时模块2。

可以理解的是，捕获单元13只对卫星信号进行粗略的三维搜索，一旦捕获成功，将由跟踪单元14对该卫星信号进行精确、稳定地跟踪，并利用跟踪到的卫星信号确定伪距信息，将伪距信息发送到定时模块2作下一步处理。

进一步的，所述射频单元12包括：依次连接的SAW电路、LNA电路、下变频器、放大器、滤波器和数模转换电路。具体的电路结构可参照常规设计方案，此处不再赘述。

进一步的，所述定时模块2具体用于：根据至少四个所述卫星信息对应的所述伪距信息进行定时，得到定时信息。可以理解的是，定时模块2在获取定时信息时，根据信号接收模块1上报信息的时间间隔(通常为1秒/次)进行定位和定时工作，然后得到当前整个高精度授时授频接收机的瞬间坐标和时间，为了让定位和定时更为准确，定时模块2的计算数据应当包括至少4颗卫星的伪距信息。

进一步的，所述授时授频模块3具体用于：

基于直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号。

可以理解的是，在以DDS来确定授时信号和/或授频信号时，所述授时授频模块3包括控制器31、加法器32和相位寄存器33，参见图2所示，其中：

所述控制器31根据所述定时信息在所述相位寄存器33中写入初始相位，以使所述相位寄存器33输出第一电平；

所述加法器32在所述系统时钟的每个时钟周期对所述相位寄存器33增加预设频率控制字；

当所述相位寄存器33溢出，则所述相位寄存器33输出第二电平；

当所述第二电平的保持时间达到预设时间长度，所述控制器31将所述相位寄存器再次设为所述初始相位。

可以理解的是，DDS方法的核心是相位累加器，也即加法器32和相位寄存器33的组成，相位寄存器33以初始相位为起点，以预设频率控制字作为步长逐渐增加，该预设频率控制字通常设为1，相位寄存器33溢出之前输出为第一电平，当相位寄存器溢出即输出第二电平，由控制器31对第二电平进行时钟周期统计，当第二电平的时钟周期达到阈值，也即第二电平的脉冲宽度值，则将相位寄存器33调回初始状态，从而完成一个周期输出。

可以理解的是，根据第一电平和第二电平的电压值，可在第一电平和第二电平这两个电平中区分出低电平和高电平，通常情况下，第一电平为低电平，第二电平为高电平。

进一步的，假设授时授频模块3的系统时钟的频率为fc，周期为Tc，相位寄存器位宽为N，初始相位为0，频率控制字为M，则相位寄存器每经过2^N/M个fc时钟后回到初始状态，也即一个周期，该周期To具体为：

相应的，其频率为：

可以理解的是，常规的授时授频流程由信号接收模块1、定时模块2、授时授频模块3、时钟模块4即可完成，首先信号可靠性进行判断，包括但不限于接收卫星的模式、信号的强度、卫星的数量和卫星的仰角等，具体为依次确定射频信号(预处理并转换为数字形式的卫星信号)是否正常、捕获是否正常、跟踪是否正常、定位定时是否正常，一旦某一步骤为否，则重新获取与之相关的射频单元12、捕获单元13、跟踪单元14、定时模块2的输出信息，定时模块2之后每隔一秒输出一次定时信息，该定时信息包括定位结果和时间值，控制器31在收到定时信息后，计算第一个脉冲的初始相位值，之后将根据最近两次定时信息的绝对时间值和时间间隔，计算预设频率控制字并更新配置，授时授频模块3内利用配置好的信息实现1PPS授时信号或授频信号的生成，具体的工作流程图如图3所示。

进一步的，所述时钟模块4包括：

晶振单元，用于根据所述参考电压提供基准时钟；

分频单元，用于根据所述基准时钟产生一个或多个所述系统时钟，分别提供给所述信号接收模块1、所述定时模块2和所述授时授频模块3。

可以理解的是，在已知所述定频信息、所述实时温度和所述时钟模块的参考电压的对应关系的前提下，时钟修正模块6能够对参考电压进行调整，进而降低之后的频率偏差量，提高本地晶振单元的基准稳定度。

进一步的，分频单元的具体电路，可参照常规设计方案，此处不再赘述。通常，分配单元与上文中射频单元12存在部分电路相同的情况，可对这些相同的电路结构进行复用，以节省元件成本和系统体积，同时进一步降低了晶振单元的频率要求，任一低频时钟产品均可作为晶振单元。

进一步的，所述时钟修正模块6还可用于：

调整所述参考电压和/或所述实时温度，并获取对应所述参考电压的所述定频信息，以确定所述定频信息和所述参考电压的对应关系。

可以理解的是，此处获取的对应关系属于前期试验数据，按照某一调整规律，例如预设步长调整参考电压和/或实时温度，以获取对应的定频信息，将这些参考电压、实时温度、定频信息作为前期试验数据，对前期试验数据进行误数据过滤和筛查、数据拟合，最后可确定后续正式应用时的对应关系，该对应关系预存于时钟修正模块6中，以实时调整当前定时模块4的准确度，预存形式包括但不限于偏差多项式的关系式或关系表。

进一步的，本实施例中所述时钟修正模块6具体可通过MCU实现，上文中其他多个模块涉及到计算或软件程序的内容，也可通过复用该MCU来完成。

可见，本实施例中时钟模块4提供系统时钟，时钟修正模块6来调整时钟模块4的参考电压进而控制系统时钟，从而实现了频率的闭环控制。由此，本实施例在时频信号生成领域实现了通过单一的授时接收机完成高精度频率信号生成的目标，从而降低了系统成本和系统面积，而且本实施例中允许时钟模块中晶振低频率、低精度、低成本、不恒温，同样能够实现高精度的授时授频、高精度授时授频接收机的时钟频率的同步。

本申请公开了一种高精度授时授频接收机，包括：信号接收模块，用于接收卫星信号，并根据卫星信号生成伪距信息；定时模块，用于根据伪距信息进行定时，得到定时信息；授时授频模块，用于根据定时信息，输出授时信号和/或授频信号；时钟模块，用于产生系统时钟并将系统时钟提供给信号接收模块、定位定时模块和授时授频模块；温度传感器模块；时钟修正模块，用于根据定时信息进行定频，得到定频信息作为时钟模块的频率偏差量，并根据定频信息、实时温度和时钟模块的参考电压的对应关系，调整参考电压，以降低频率偏差量。本申请中允许晶振不恒温，可选择低成本低精度的晶振，晶振可选择范围变广，从而授时授频接收机的成本和体积明显降低。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种高精度授时授频接收机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种高精度授时授频接收机，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收卫星信号，并根据所述卫星信号生成伪距信息；

定时模块，用于根据所述伪距信息进行定时，得到定时信息；

授时授频模块，用于根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号；

时钟模块，用于产生系统时钟并将所述系统时钟提供给所述信号接收模块、所述定时模块和所述授时授频模块；

温度传感器模块，用于获取实时温度；

时钟修正模块，用于根据所述定时信息进行定频，得到定频信息作为所述时钟模块的频率偏差量，并根据所述定频信息、所述实时温度和所述时钟模块的参考电压的对应关系，调整所述参考电压，以降低所述频率偏差量。

2.根据权利要求1所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述信号接收模块包括：

信号接收天线，用于接收所述卫星信号；

射频单元，用于对所述卫星信号进行预处理后转换为数字形式；

捕获单元，用于对数字形式的所述卫星信号进行初步三维搜索，以捕获所述卫星信号；

跟踪单元，用于对捕获到的所述卫星信号进行跟踪，并将利用跟踪到的所述卫星信号确定所述伪距信息发送到所述定时模块。

3.根据权利要求2所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述射频单元包括：

依次连接的SAW电路、LNA电路、下变频器、放大器、滤波器和数模转换电路。

4.根据权利要求1所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述定时模块具体用于：

根据至少四个所述卫星信息对应的所述伪距信息进行定时，得到定时信息。

5.根据权利要求1所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述时钟模块包括：

晶振单元，用于根据所述参考电压提供基准时钟；

分频单元，用于根据所述基准时钟产生一个或多个所述系统时钟，分别提供给所述信号接收模块、所述定时模块和所述授时授频模块。

6.根据权利要求1所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述授时授频模块具体用于：

基于直接数字频率合成技术，根据所述定时信息，输出授时信号和/或授频信号。

7.根据权利要求6所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述授时授频模块包括控制器、加法器和相位寄存器，其中：

所述控制器根据所述定时信息在所述相位寄存器中写入初始相位，以使所述相位寄存器输出第一电平；

所述加法器在所述系统时钟的每个时钟周期对所述相位寄存器增加预设频率控制字；

当所述相位寄存器溢出，则所述相位寄存器输出第二电平；

当所述第二电平的保持时间达到预设时间长度，所述控制器将所述相位寄存器再次设为所述初始相位。

8.根据权利要求1至7任一项所述高精度授时授频接收机，其特征在于，所述时钟修正模块还用于：

调整所述参考电压和/或所述实时温度，并获取对应所述参考电压的所述定频信息，以确定所述定频信息和所述参考电压的对应关系。

9.根据权利要求8高精度授时授频接收机，其特征在于，所述时钟修正模块具体为MCU。

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