CN115047749B - 一种基于卫星导航信号的守时装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星导航信号的守时装置和方法，该装置包括本地参考源、原子钟、信号接收与源差测量模块、锁相倍频源差测量模块、参数生成模块、可控分频模块；信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输入至参数生成模块产生输出频率调整值，输入到可控分频模块产生本地秒脉冲；本地参考信号和原子钟信号均输入到锁相倍频源差测量模块，测量得到视在源差值，也输入至参数生成模块，进一步得到原子钟信号的源差值，据此训练原子钟频率模型。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地秒时间的准确度，以及在接收不到卫星导航信号时也可以保持这种高准确度。

Description

一种基于卫星导航信号的守时装置和方法

技术领域

本发明属于时频测试技术领域，特别是涉及一种基于卫星导航信号的守时装置和方法。

背景技术

在现有技术中，利用卫星导航信号进行时频信号产生时，通常是使用独立的卫星授时模块接收卫星导航信号，测量本地参考频率的偏差，调整本地参考频率使输出参考频率准确，输出秒脉冲信号，同时记录本地参考源的调整信息，驯服本地参考源。

这里，由于独立的卫星授时模块与本地参考源不同源，即采用不同的参考源，主要是因为卫星授时模块使用自身所带的独立参考源。那么对本地参考信号与卫星导航信号之间的频差进行频差测量的测量部分，与调整本地参考频率的调整部分之间就是异源的。基于这种原理进行守时输出时，产生的秒定时存在较大的量化误差，精准度不高，只能达到10^-8至10^-9的量级，以及对秒脉冲的出现相位调控也是有限，存在秒脉冲的相位偏差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于卫星导航信号的守时装置和方法，解决现有技术中时频测量不同源、守时秒脉冲精度不高、相位偏差调控有限的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于卫星导航信号的守时装置，包括本地参考源、原子钟、信号接收与源差测量模块、锁相倍频源差测量模块、参数生成模块、可控分频模块；

所述本地参考源输出本地参考信号，输入至所述信号接收与源差测量模块，所述信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输出至所述参数生成模块，所述本地参考信号还输入到所述可控分频模块产生主时钟，所述参数生成模块产生输出频率调整值，对所述主时钟进行分频产生秒脉冲信号；

所述本地参考信号和原子钟产生的原子钟信号分别输入到所述锁相倍频源差测量模块，测量得到与所述原子钟信号相关的视在源差值，也输出至所述参数生成模块，进一步利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

优选的，在信号接收与源差测量模块不能够正常接收卫星导航信号时，所述参数生成模块通过之前训练的原子钟频率模型，预测后续的原子钟信号的源差预测值所述锁相倍频源差测量模块实时输出以本地参考信号为基准对所述原子钟信号测量得到的视在源差值/>所述参数生成模块计算得到本地参考信号的源差预测值/>并利用本地参考信号的源差预测值/>生成所述可控分频模块所需的频率调整值。

优选的，所述信号接收与源差测量模块包括变频子模块、解调子模块和源差计算模块，所述变频子模块基于所述本地参考信号实际频率值f′₀，进行倍频后的本地载波信号的实际频率值f_c′＝Mf₀'，其中M表示倍频值，对输入的卫星导航信号f_sz进行下变频处理，得到低中频信号输入到解调子模块，并且所述变频子模块还输出载波频差Δf_c'，所述解调子模块利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块还输出跟踪频差Δf_c″，所述载波频差和跟踪频差相加Δf_c'+Δf_c″＝f_c'-f_sz，再由源差计算模块计算得到本地参考信号的源差值其中，f₀表示本地参考源的标称频率，f₀'＝f_c'/M＝(Δf_c'+Δf_c″+f_sz)/M。

优选的，所述可控分频模块包括第一加法器和延时寄存器，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器，并且与延时寄存器存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，第一加法器对输入的频率调整值进行更新，并继续进行累加，所述第一加法器还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器，所述边沿检测器输出所述秒脉冲信号。

优选的，所述参数生成模块得到本地参考信号的源差值本地参考信号的实际频率值/>在所述可控分频模块中经过K倍频后，产生主时钟的实际频率是Kf′₀，当产生一个周期为T_x的周期脉冲输出，则所述参数生成模块对应计算得到频率调整值为2^N/Kf′₀T_x，N表示DDS的相位累加器的字长。本地参考信号的源差值

优选的，还包括可控延时模块，所述可控分频模块向所述可控延时模块输出本地秒脉冲和相位差，所述可控延时模块利用所述相位差，延时调控本地秒脉冲与卫星时一致并输出。

优选的，所述锁相倍频源差测量模块包括第一倍频器、第二倍频器、第三倍频器、混频器、锁相环路和数据处理单元，所述第一倍频器输入所述原子钟信号，经过第一倍频后输出第一倍频信号至所述混频器，所述第二倍频器输入所述本地参考信号，经过第二倍频后输出第二倍频信号至所述混频器，所述混频器输出所述第一倍频信号和第二倍频信号相减之后的差频信号，所述第三倍频器输入所述本地参考信号，经过第三倍频后得到第三倍频信号，作为主时钟输入到所述锁相环路，所述差频信号输入到所述锁相环路，在相位锁定后，得到视在频差值，输入至所述数据处理单元，进一步计算得到对应的视在源差值。

优选的，所述差频信号对应的标称频率值为f₁-f₂，f₁为所述第一倍频信号的标称频率值；f₂为所述第二倍频信号的标称频率值，所述锁相环路锁定后的读取值为所述视在频差值为：/>计算所述视在源差值/>为：

所述锁相环路在相位锁定后，所述第一倍频信号的标称频率值f₁与所述第二倍频信号的标称频率值f₂满足关系式：

式中：为原子钟信号的源差值，/>为本地参考信号的源差值；

根据得到：

进一步计算可得所述原子钟信号的源差值

基于同一构思，本发明还提供了一种基于卫星导航信号的守时方法，包括步骤：接收卫星导航信号，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；利用所述本地参考信号的源差值进行频率调整，通过可控分频产生分频秒脉冲；对输入的原子钟信号，以所述本地参考信号为主时钟，通过锁相环路测量得到与原子钟信号相关的视在源差值；利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

优选的，卫星导航信号不能正常接收时，利用所述原子钟频率模型，预测后续所述原子钟信号的源差预测值；利用所述视在源差值，计算得到本地参考信号的源差预测值；利用所述本地参考信号的源差预测值进行频率调整，通过可控分频产生本地秒脉冲。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于卫星导航信号的守时装置和方法，该装置包括本地参考源、原子钟、信号接收与源差测量模块、锁相倍频源差测量模块、参数生成模块、可控分频模块；信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输入至参数生成模块产生输出频率调整值，输入到可控分频模块产生本地秒脉冲；本地参考信号和原子钟信号均输入到锁相倍频源差测量模块，测量得到视在源差值，也输入至参数生成模块，进一步得到原子钟信号的源差值，据此训练原子钟频率模型。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地秒时间的准确度，以及在接收不到卫星导航信号时也可以保持这种高准确度。

附图说明

图1是本发明基于卫星导航信号的守时装置一实施例的组成示意图；

图2是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中信号接收与源差测量模块组成示意图；

图3是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中可控分频模块组成示意图；

图4是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中可控分频模块的产生的波形示意图；

图5是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中秒时刻校准时序示意图；

图6是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中可控延时时序示意图；

图7是本发明基于卫星导航信号的守时装置另一实施例中锁相倍频源差测量模块组成示意图；

图8是本发明基于卫星导航信号的守时方法一实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

下面结合附图，对各实施例进行详细说明。

图1是基于卫星导航信号的守时装置一实施例的组成示意图。由图1可以看出，包括本地参考源11、原子钟17、信号接收与源差测量模块12、锁相倍频源差测量模块18、参数生成模块13、可控分频模块14和可控延时模块15，所述本地参考源11输出本地参考信号，输入至所述信号接收与源差测量模块12，所述信号接收与源差测量模块12接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输出至所述参数生成模块13，所述本地参考信号还输入到所述可控分频模块14作为主时钟，所述参数生成模块14产生输出频率调整值，对所述主时钟进行分频产生秒脉冲信号，所述本地参考信号和原子钟17产生的原子钟信号分别输入到所述锁相倍频源差测量模块18，测量得到与所述原子钟信号相关的视在源差值，也输出至所述参数生成模块13，进一步利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

优选的，在实际应用中，信号接收与源差测量模块12和可控分频模块14可以分别包括倍频器，可以在信号接收与源差测量模块12和可控分频模块14内部，分别实现对本地参考源11输入的本地参考信号进行倍频，倍频值可以不同，以及还可以基于本地参考信号进行频率合成，产生需要的多种频率成分。但是，这些频率成分都是以本地参考信号为参考时钟，因此具有同源的特性，具有相同的同源频率精度。

优选的，对于信号接收与源差测量模块12而言，其通过卫星天线而接收卫星导航信号，完成对卫星导航信号的下变频和解调，从中得到卫星导航信号，该接收过程中利用本地参考源输出的本地参考信号进行下变频和解调中载波环路跟踪。因此，信号接收与源差测量模块12是以本地参考源11输出的本地参考信号作为源信号进行信号接收的，并且，在该装置中本地参考源11也为可控分频模块、锁相倍频源差测量模块提供信号源，由此保证了在该装置中的本地参考源11是统一的参考源，确保了产生秒脉冲的各个模块的同源性。

随着GPS、北斗等卫星导航定位模块和芯片的普及使用，具有较低的市场价格，信号接收与源差测量模块12的成本会明显降低。同时对产生本地参考信号的本地参考源的精度要求也不高，只需要是恒温晶振、温补晶振即可，而不需要价格较高的原子钟，由此也可以降低价格。

对于本发明而言，本地参考源11包括石英晶体、恒温晶振、温补晶振等低成本的常用参考源，这些参考源会存在老化和漂移的问题，也就是说存在一个随时间推移出现频率改变的问题，或者说是一个频率稳定度的问题，例如石英晶体的频率稳定度可达10^-9/日，甚至10^-11/日，对于10MHz的石英晶体，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。石英晶体的频率稳定度要比恒温晶振的频率稳定度低，表现在石英晶体的频率要比恒温晶振的频率随时间推移的变化更大或更快，那么对于参考源存在的频率动态变化问题，就需要能够准确的测量出其实际的频率值，并且还能够保持这种测量的动态性和实时性。

本发明利用接收卫星导航信号载波解调和电文星历获得准确的卫星导航信号的载波频率，其准确度在10^-13至10^-14的量级，利用该高精度等级的测量信号，可以获得的本地参考信号的源差值σ_s ^c的精度可以达到10^-11至10^-12的量级。尽管本地参考源存在频率稳定度较低的问题，这些参考源的频率会随着时间推移发生漂移，但是通过本发明的方法可以对其实际的频率进行高精度的测量，从而获得精准度非常高的实际频率测量值，并且这种测量具有实时性。

优选的，本发明中的原子钟17是作为守时的备用校正参考源，对于在信号接收与源差测量模块12能够正常接收卫星导航信号时，对来自原子钟17的原子钟信号，可以对其精度通过卫星导航信号进行测量，并且在参数生成模块13可以对该原子钟信号建立原子钟频率模型，并进行训练。其中包括，所述信号接收与源差测量模块12实时输出本地参考信号的源差值同时锁相倍频源差测量模块18实时输出对原子钟信号测量得到的视在源差值/>参数生成模块13据此可以计算得到原子钟信号的源差值/>并且根据此原子钟信号的源差值在时间上多次出现后组成的序列训练当前使用原子钟频率模型。

对于信号接收与源差测量模块12不能够正常接收卫星导航信号时，信号接收与源差测量模块无法通过接收卫星信号测量得到本地参考信号的源差值此时，参数生成模块13通过之前训练的原子钟频率模型的参数及初始状态，预测后续的原子钟信号的源差预测值/>锁相倍频源差测量模块18实时输出以本地参考信号为基准对原子钟频标信号测量得到的视在源差值/>参数生成模块13可以计算得到此时的本地参考信号的源差预测值/>并利用该本地参考信号的源差预测值/>生成可控分频模块14所需的频率调整值。

可以看出，通过本发明的这种守时方式，既可以在有卫星导航信号被接收时，一方面是对本地参考源进行精准的源差测量来产生秒脉冲，同时还对原子钟的源差进行测量，并建立原子钟的模型。而在不能接收到卫星导航信号时，则利用原子钟模型代替卫星导航信号，延续计算得到对本地参考信号的源差预测值并利用该源差预测值/>生成可控分频模块14所需的频率调整值，进而保证较高精度下延续秒脉冲输出。

优选的，参考图2，所述信号接收与源差测量模块包括变频子模121和解调子模块122，所述变频子模块121利用基于所述本地参考信号进行倍频后的本地载波信号，对输入的卫星导航信号进行下变频处理，得到低中频的基带信号输入到解调子模块122，并且所述变频子模块121还输出载波频差，所述解调子模块122利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块122还输出跟踪频差，所述载波频差和跟踪频差经过加法器123相加后，再由源差计算模块124计算得到所述源差值。

优选的，对于卫星导航信号而言载波通常在L波段，变频子模块121接收来自本地参考源11的本地参考信号的实际频率值f′₀后进行倍频，得到本地载波信号的实际频率值f_c'，则有f_c'＝Mf₀'，其中M表示倍频值，然后与卫星导航信号的载波f_sz进行混频(注意这里卫星导航信号的载波f_sz是实际值，由于卫星导航信号具有非常高的精准度，该频率值是高精准度的频率值,可以通过星历准确获得，也代表了卫星导航信号载波频率的真实值)。得到低中频的基带信号输出给解调子模块122，同时变频子模块121输出相对于标称的卫星导航信号的载波f_sz的载波频差Δf_c'，相当于粗频差，解调子模块122对输入的低中频基带信号进行解调环路跟踪处理，进一步实时获得本地载波信号与卫星导航信号载波的跟踪频差Δf_c″，相当于细频差，然后再通过加法器123将载波频差与跟踪频差相加Δf_c'+Δf_c″，相当于粗频差与细频差相加，由此就可以获得本地载波信号相对于卫星导航信号载波频率的实际频差Δf_c＝f_c'-f_sz＝Δf_c'+Δf_c″。这里的Δf_c'和Δf_c″均可以是正值也可以是负值，具体是由实际偏差情况决定。

进一步的，对于本地参考源而言，其实际输出的本地参考信号的频率值应该是f₀'＝f_c'/M＝(Δf_c'+Δf_c″+f_sz)/M，则本地参考信号的源差值即为其中，f₀表示本地参考源的标称频率。图2中，该本地参考信号的源差值/>是由源差计算模块124根据加法器123输出的实际频差计算得到并输出。

进一步的，该源差值是以秒间隔进行更新输出的，这样就可以保证可控分频模块14的秒时钟输出时也是以秒间隔进行误差调整的，由此可以保证不必进行长时间观测才能获得高精度的秒时钟输出。

进一步的，图1中的参数生成模块13根据源差值产生可控分频模块14输出秒脉冲所需的频率调整值。以下结合可控分频模块14的组成进一步说明，如何根据该源差值/>控制输出秒脉冲的。

结合图1，对于可控分频模块14，其输入的是本地参考信号经过本地倍频器倍频后作为主时钟，对该主时钟进行控制分频可以得到秒脉冲输出，但由于本地参考信号的精准度和稳定性需要根据卫星导航信号进行误差修正，因此就需要根据得到的源差值来对本地参考信号进行动态校正才能保证输出高精度的秒脉冲。

优选的，可控分频模块14是以直接数字式频率合成器(DDS，Di rect Digita lSynthes i zer)作为核心器件，该DDS对输入的主时钟进行分频来得到秒脉冲，或者该DDS以固定的相位间隔进行累加而得到一个秒周期，而该相位间隔则需要根据本地参考信号的实际频率进行调整。例如，根据前述，本地参考信号的标称频率是f₀，经过测量得到的源差值则本地参考信号的实际频率/>经过本地倍频器后，倍频值是K，则主时钟的实际频率是Kf₀'，当以该主时钟的实际频率Kf′₀进行分频时，N表示DDS的相位累加器字长，最小相位间隔就是2π/2^N，例如当要实现对主时钟的二分频时，频率调整值为2^N-1，对应的相位累加步进是π，对主时钟进行四分频时，对应的频率调整值为2^N-2，对应的相位累加步进是π/2，依次类推。

因此，当获得准确的主时钟的实际频率Kf′₀后，要产生一个周期为T_x的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为2^N/Kf′₀T_x，对应的相位累加步进是2π/Kf′₀T_x。

因此，以该主时钟为时钟源，当每一个主时钟周期累积一个步长那么经过/>个主时钟就可以输出一个秒脉冲。但是由于本地参考信号的实际频率f′₀的偏差存在，就需要不断进行偏差测量，也就是每一秒钟测量输出一次源差值/>通过每秒不断更新该源差值/>来动态调整累积的步长间隔/>图1中的参数生成模块13就是要把/>转换为可控分频模块14中的DDS的频率调整值，并保持很高的数值精度，例如用16位至32位的二进制数来表示该频率调整值，其中/>中N值就是代表不同二进制位数。

实际应用中，会存在值较小的情况，也即是2^N取值有限，而取值较大，这种情况下并不是直接产生输出秒脉冲，而是产生输出周期较短的周期脉冲，即前述的产生一个周期为T_x的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为2^N/Kf′₀T_x，例如10ms周期的FTF(Fundamental time frame基本时帧)脉冲，然后每100个FTF脉冲中选取一个序号的脉冲作为秒脉冲输出。

图3和图4进一步显示了可控分频模块14的内部组成及内部波形生成示意图。优选的，所述可控分频模块包括第一加法器141和延时寄存器142，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器141，并且与延时寄存器142存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，所述延时寄存器142自然溢出，然后第一加法器141对输入的频率调整值更新并继续累加，所述第一加法器141还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器144，所述边沿检测器144输出所述秒脉冲信号。

进一步优选的，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器141与所述边沿检测器144之间的级联的第二加法器143，所述第二加法器143接收来自所述信号接收与源差测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器141输出的结果相加后再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。

优选的，来自参数生成模块的频率调整值输入到第一加法器141，并且在主时钟的推动下，不断的与在延时寄存器142中累积的数值相加输出。正常情况下，累加到一个秒周期后正好输出一个秒脉冲，然后延时寄存器142中的累加值继续对输入的频率调整值进行周期累加。而在每一个秒周期内，由于在信号接收与源差测量模块中的源差值σ_s不断的得到校正，相应的也会使得频率调整值得到误差修正，使得输出的秒脉冲更加精准。由此克服了现有技术中测量时长与测量精度之间存在无法调和的矛盾。

在图4中显示出经过第一加法器141后输出的累加值的信号波形示意图T141，可以看出波形T141为周期累加的三角波，该周期即为一个秒周期，如果对该波形T141直接通过后面的边沿检测器144进行边沿检测，就可以输出秒脉冲信号。

进一步优选的，在图3中的第一加法器141后面还设置有第二加法器143，第二加法器143将第一加法器141输出的累加值又进一步与信号接收与源差测量模块输出的相位调整值进行累加，从而进一步修正秒脉冲输出的相位误差。该相位调整值主要是针对本地参考信号与卫星载波信号进行源差测量时出现的相位抖动情况进行检测而得到的相位调整值，对应的，在图4中显示了经过第二加法器143后输出的波形T143，可以看出该波形T143在波形T141基础上进行相位调整的示意图，波形T143比波形T141的相位稍有超前。图4中还进一步显示了通过边沿检测器144后对波形T143的边沿检测波形T144。通过加入相位调整值，可以进一步对输出的秒脉冲的相位进行误差修正，有利于对本地参考信号中出现的相位抖动问题进行消除，提高输出秒脉冲的准确度。

优选的，对于可控分频模块在具体实现时，以频率调整值为步长，以主时钟进行累计，自然溢出产生10ms周期的FTF脉冲，再对FTF脉冲以模100的方式进行计数，即FTF脉冲以编号0-99进行循环输出，其中编号为0的FTF脉冲指定为秒时刻对应的脉冲。这样，相邻的两个秒时刻之间就有100个FTF脉冲。

优选的，通过解调卫星导航信号中的星历信息，可以得到标准的卫星时，即导航电文中的TOD信息和卫星时刻，然后用本地恢复产生的本地时拍信号接收与源差测量模块所恢复的卫星时，得到本地时与卫星时之间的差值即钟差值。以该钟差值为依据，输入可控分频模块的相位调整值，直至钟差值接近0认为本地时刻与卫星时刻的相位同步已建立。

因此，结合图1和图5，当可控分频模块根据频率调整值产生FTF脉冲后，再将该FTF脉冲反馈输入到信号接收与源差测量模块，由信号接收与源差测量模块对本地时与卫星时之间的差值即钟差值，输入到可控分频模块，作为相位调整值，来调控FTF脉冲对应计数的本地秒时刻的输出相位，主要是基于FTF脉冲是由主时钟推动DDS方式产生，其输出时刻为本地主时钟时刻，当落后于卫星时的真实时刻(精度为1个主时钟周期)，通过DDS跳变沿的尾数可以对该时延进行修正，即在DDS跳变沿的尾数通过修改其中累积的步长的数值来进行相位调控。通过图5显示内容，可以示意性的看出本地时相对于卫星时的修正过程。

因此，对于参数生成模块输出的频率调整值，决定了输出秒脉冲频率(或者周期)的准确性；通过信号接收与源差测量模块输出的相位调整值决定了输出秒脉冲的时刻准确性。

进一步的，如图6所示，由于可控分频模块的是由主时钟进行分频得到秒脉冲，因此秒脉冲的输出最小精度是由主时钟的一个周期长度决定的，如果本地秒脉冲时刻相对于卫星时时刻的钟差值或相位差小于一个主时钟的周期时，就会产生栅栏效应而难以调控本地秒时刻接近卫星时时刻，对应的由可控延时模块来解决。

结合图1和6，可控分频模块输出的秒脉冲PPS是由FTF脉冲周期产生输出，而可控分频模块输出的相位差，这是本地秒时刻相对于卫星时小于一个主时钟周期的钟差，则通过可控延时模块延时后，输出延时可控的秒脉冲输出。

优选的，如图7所示，所述锁相倍频源差测量模块30包括第一倍频器301、第二倍频器302、第三倍频器303、混频器304、锁相环路305和数据处理单元306，所述第一倍频器301输入原子钟信号，经过第一倍频后输出第一倍频信号至所述混频器304，所述第二倍频器302输入本地参考信号，经过第二倍频后输出第二倍频信号至所述混频器304，所述混频器304输出所述第一倍频信号和第二倍频信号相减之后的差频信号，所述第三倍频器303输入所述本地参考信号，经过第三倍频后得到第三倍频信号，作为主时钟输入到所述锁相环路305，所述差频信号输入到所述锁相环路305，在相位锁定后，得到视在频差值，输入至所述数据处理单元306，进一步计算得到对应的视在源差值。

优选的，混频器输出的差频信号对应的标称频率值为f₁-f₂，f₁为所述第一倍频信号的标称频率值；f₂为所述第二倍频信号的标称频率值，所述锁相环路305锁定后的读取值为则视在频差值为：/>计算对应的视在源差值/>为：

进一步得到：

由此可见，锁相环路的主时钟也是来源于本地参考信号，因此锁相环路的源差也受到本地参考信号的源差影响。优选的，当原子钟信号和本地参考信号均经过倍频处理后再进行混频，所述差频信号对应的标称频率值为f₁-f₂，f₁为第一倍频信号的标称频率值；f₂为第二倍频信号的标称频率值，所述锁相环路305锁定后的读取值为则视在频差值为：这里的视在频差值，是指锁相环路锁定后读取的锁定频率值，减去输入到锁相环路中被锁定频率的标称值后得到的差值。

注意锁相环路锁定后的读取值为也是受到本地参考信号的源差的影响，/>通过锁相环路单位时间相位增量得到，其代表了锁相环路对输入的差频信号进行锁定后，锁相环路对应的锁定频率，显然由于源差的存在，该锁定频率与差频信号对应的标称频率值为f₁-f₂并不相等，对应可以计算得到视在频差值为：/>因此锁相环路可以基于读取的/>和已知标称频率值为f₁-f₂，计算输出视在频差值/>

举例说明，本地参考信号的标称频率值f₀为10MHz，经过倍频后的第二倍频信号的标称频率值f₂为1800MHz，而对于原子钟信号f_u＝10MHz和第一倍频186获得的第一倍频信号的标称频率值f₁＝1860MHz。

优选的，由所述视在频差值计算输出所述视在源差值所述视在源差值/>的计算式为：

优选的，当锁相环路锁定时，混频器产生的差频信号的实际值是f′₁-f′₂，f′₁为第一倍频信号的实际频率值，f′₂为第二倍频信号的实际频率值，而锁相环路锁定的频率实际值是显然锁定后这两个实际频率相等，即：/>因此有所述第一倍频信号的标称频率值与所述第二倍频信号的标称频率值满足关系式：

式中：为原子钟信号的源差值，/>为本地参考信号的源差值；

由视在源差值变形得出：

进一步对所述第一倍频信号的标称频率值与所述第二倍频信号的标称频率值的关系式进行变换得出：

由于和/>均为小于10^-6量级的数，故他们之间的相乘量为高阶量可以忽略，忽略式中的相乘量/>由图1中的参数生成模块13可得：

因此，当本地参考信号的源差值通过前述图3实施例获得，视在源差值/>可以通过本申请的方法计算得到后，那么原子钟信号的源差/>就可以计算得到，再由原子钟信号的标称频率值f_u，可以计算得到原子钟信号的实际频率值/>

优选的，结合前述内容，当信号接收与源差测量模块12不能够正常接收卫星导航信号时，结合图7所示实施例，这种条件下，锁相倍频源差测量模块18继续实时输出以本地参考信号为基准对原子钟频标信号测量得到的视在源差值而参数生成模块13通过之前训练的原子钟频率模型参数及初始状态，预测后续的原子钟频标信号的源差预测值/>参考前述的关系式/>参数生成模块13可以计算得到此时的本地参考信号的源差预测值/>由此再利用该实时源差预测值/>生成可控分频模块14所需的频率调整值，可参考前述对可控分频模块14实施例的具体说明。

优选的，当使用原子钟频率模型进行守时，控分频模块14中有关“相位调整”值保持固定不动。

基于同一构思，本发明还提供了一种基于卫星导航信号的守时方法，包括步骤：

步骤S1：接收卫星导航信号，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；

步骤S2：利用所述本地参考信号的源差值进行频率调整，通过可控分频产生分频秒脉冲；

步骤S3：对输入的原子钟信号，以所述本地参考信号为主时钟，通过锁相环路测量得到与原子钟信号相关的视在源差值；

步骤S4：利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

优选的，还包括步骤S5：卫星导航信号不能正常接收时，利用所述原子钟频率模型，预测后续所述原子钟信号的源差预测值；

利用所述视在源差值，计算得到本地参考信号的源差预测值；利用所述本地参考信号的源差预测值进行频率调整，通过可控分频产生本地秒脉冲。具体内容可以参考前述对基于卫星导航信号的守时装置实施例的说明，这里不再赘述。

基于上述实施例说明，本发明公开了一种基于卫星导航信号的守时装置和方法，该装置包括本地参考源、原子钟、信号接收与源差测量模块、锁相倍频源差测量模块、参数生成模块、可控分频模块；信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输入至参数生成模块产生输出频率调整值，输入到可控分频模块产生本地秒脉冲；本地参考信号和原子钟信号均输入到锁相倍频源差测量模块，测量得到视在源差值，也输入至参数生成模块，进一步得到原子钟信号的源差值，据此训练原子钟频率模型。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地秒时间的准确度，以及在接收不到卫星导航信号时也可以保持这种高准确度。

以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，包括本地参考源、原子钟、信号接收与源差测量模块、锁相倍频源差测量模块、参数生成模块、可控分频模块；

所述本地参考源输出本地参考信号，输入至所述信号接收与源差测量模块，所述信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输出至所述参数生成模块，所述本地参考信号还输入到所述可控分频模块产生主时钟，所述参数生成模块产生输出频率调整值，对所述主时钟进行分频产生秒脉冲信号；

所述本地参考信号和原子钟产生的原子钟信号分别输入到所述锁相倍频源差测量模块，测量得到与所述原子钟信号相关的视在源差值，也输出至所述参数生成模块，进一步利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

2.根据权利要求1所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，在信号接收与源差测量模块不能够正常接收卫星导航信号时，所述参数生成模块通过之前训练的原子钟频率模型，预测后续的原子钟信号的源差预测值所述锁相倍频源差测量模块实时输出以本地参考信号为基准对所述原子钟信号测量得到的视在源差值/>所述参数生成模块计算得到本地参考信号的源差预测值/>并利用本地参考信号的源差预测值/>生成所述可控分频模块所需的频率调整值。

3.根据权利要求2所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，所述信号接收与源差测量模块包括变频子模块、解调子模块和源差计算模块，所述变频子模块基于所述本地参考信号的实际频率值f'₀,进行倍频后的本地载波信号的实际频率值f_c'＝Mf₀'，其中M表示倍频值，对输入的卫星导航信号f_sz进行下变频处理，得到低中频信号输入到解调子模块，并且所述变频子模块还输出载波频差Δf_c'，所述解调子模块利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块还输出跟踪频差Δf_c”，所述载波频差和跟踪频差相加Δf_c'+Δf_c”＝f_c'-f_sz，再由源差计算模块计算得到本地参考信号的源差值其中，f₀表示本地参考源的标称频率，f₀'＝f_c'/M＝(Δf_c'+Δf_c”+f_sz)/M。

4.根据权利要求3所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，所述可控分频模块包括第一加法器和延时寄存器，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器，并且与延时寄存器存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，第一加法器对输入的频率调整值进行更新，并继续进行累加，所述第一加法器还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器，所述边沿检测器输出所述秒脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，所述参数生成模块得到本地参考信号的源差值本地参考信号的实际频率值/>在所述可控分频模块中经过K倍频后，产生主时钟的实际频率是Kf'₀，当产生一个周期为T_x的周期脉冲输出，则所述参数生成模块对应计算得到频率调整值为2^N/Kf'₀T_x，N表示DDS的相位累加器的字长。

6.根据权利要求5所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，还包括可控延时模块，所述可控分频模块向所述可控延时模块输出本地秒脉冲和相位差，所述可控延时模块利用所述相位差，延时调控本地秒脉冲与卫星时一致并输出。

7.根据权利要求6所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，所述锁相倍频源差测量模块包括第一倍频器、第二倍频器、第三倍频器、混频器、锁相环路和数据处理单元，所述第一倍频器输入所述原子钟信号，经过第一倍频后输出第一倍频信号至所述混频器，所述第二倍频器输入所述本地参考信号，经过第二倍频后输出第二倍频信号至所述混频器，所述混频器输出所述第一倍频信号和第二倍频信号相减之后的差频信号，所述第三倍频器输入所述本地参考信号，经过第三倍频后得到第三倍频信号，作为主时钟输入到所述锁相环路，所述差频信号输入到所述锁相环路，在相位锁定后，得到视在频差值，输入至所述数据处理单元，进一步计算得到对应的视在源差值。

8.根据权利要求7所述的基于卫星导航信号的守时装置，其特征在于，所述差频信号对应的标称频率值为f₁-f₂，f₁为所述第一倍频信号的标称频率值；f₂为所述第二倍频信号的标称频率值，所述锁相环路锁定后的读取值为所述视在频差值为：计算所述视在源差值/>为：

所述锁相环路在相位锁定后，所述第一倍频信号的标称频率值f₁与所述第二倍频信号的标称频率值f₂满足关系式：

式中：为原子钟信号的源差值，/>为本地参考信号的源差值；

根据得到：

进一步计算可得所述原子钟信号的源差值

9.一种基于卫星导航信号的守时方法，其特征在于，包括步骤：

接收卫星导航信号，利用所述卫星导航信号对本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；

利用所述本地参考信号的源差值进行频率调整，通过可控分频产生分频秒脉冲；

对输入的原子钟信号，以所述本地参考信号为主时钟，通过锁相环路测量得到与原子钟信号相关的视在源差值；

利用所述本地参考信号的源差值，对所述视在源差值进行修正，得到所述原子钟信号的源差值，据此训练当前使用的原子钟频率模型。

10.根据权利要求9所述的基于卫星导航信号的守时方法，其特征在于，卫星导航信号不能正常接收时，利用所述原子钟频率模型，预测后续所述原子钟信号的源差预测值；

利用所述视在源差值，计算得到本地参考信号的源差预测值；

利用所述本地参考信号的源差预测值进行频率调整，通过可控分频产生本地秒脉冲。