CN116208286A

CN116208286A - 一种基于gps/bd通讯的双模核心时间校正器及其校时方法

Info

Publication number: CN116208286A
Application number: CN202310225945.2A
Authority: CN
Inventors: 陈少金
Original assignee: Foshan Xiaowan Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Foshan Xiaowan Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2023-06-02

Abstract

本发明涉及一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器及其校时方法，双模核心时间校正器包括，离线信号接收器：接收通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星与离线信号接收器之间的传输延时Δt，输出与国际标准时间保持同步的秒脉冲选通信号，然后输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；中心处理单元：通过双模天线接收通讯卫星下发的时间信号，并计算出对应的校时数据；经核心校时软件对校时数据进行分析处理后与服务计算机上的错误时间对比，纠正错误时间与国际标准时间同步，更新服务计算机上的错时数据。本双模核心时间校正器能保证服务计算机在无网络情况下也能保持时间准确无误。

Description

一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器及其校时方法

技术领域

本发明涉及一种离线校时器，具体是一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器及其校时方法。

背景技术

市面上现有依赖计算机工作的工业服务设备，在无网络的情况下使用一段时间后，时间数据会出现不准确，导致工业服务设备和依靠工业服务设备控制的工业系统等因时间误差出现工作失误或失效等现象；可见，在无网络的情况下，工业服务设备等存在自带时钟误差的问题和缺陷。因此有必要设计一种在无网络情况下也能保证工业服务设备上的服务计算机的时间准确无误的装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器及其校时方法，本双模核心时间校正器能保证服务计算机在无网络情况下也能保持时间准确无误，确保工业服务设备工作正常可靠。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器，所述双模核心时间校正器安装于服务计算机上；所述双模核心时间校正器包括，

离线信号接收器：接收来自通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星与离线信号接收器之间的传输延时Δt，输出与国际标准时间保持高度同步的秒脉冲选通信号，然后通过串行通讯接口输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；所述1PPS脉冲信号为通讯卫星上的时钟服务器向工业服务设备下发的时间基准信号，一秒钟对应一个脉冲；以国际标准时间为参考基准，运用GPS定位原理、GPS定时原理或GPS校频原理确定传输延时Δt；

中心处理单元：通过双模天线接收通讯卫星下发的时间信号，并对该时间信号进行数据处理以计算出对应的校时数据；所述中心处理单元通过PCI-E总线把校时数据发送给所述服务计算机，经所述服务计算机上的核心校时软件对校时数据进行分析处理后与所述服务计算机上的错误时间对比，纠正所述错误时间与国际标准时间同步，更新所述服务计算机上的控制系统的错时数据；

所述离线信号接收器数据连接所述中心处理单元；所述离线信号接收器数据连接所述服务计算机。

作为一具体方案，GPS定位原理：基于精确测定GPS信号的传输延时Δt，以得到通讯卫星到工业服务设备间的距离R＝C×Δt，即Δt＝R/C；式中C为光速；同时捕获n颗通讯卫星，解算n个联立方程得到实时时刻t和对应的坐标位置参数(x、y、z)，即R＝{(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)}1/2，式中(Xs、Ys、Zs)为通讯卫星的位置参数，(Xu、Yu、Zu)为工业服务设备的坐标位置参数；

GPS定时原理：基于工业服务设备精确测定和扣除GPS时间信号的传输延时Δt；

GPS校频原理：根据频率和周期互为倒数的关系，以GPS的秒信号为参考，采用测定时间间隔的比时法来测量本地时钟的频率准确度Δf/f，即Δf/f＝(Δt2-Δt1)/(t2-t1)，式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地时钟与国际标准时间的时差值。

作为又一具体方案，时间信号通过PCI-E总线传输，以RS232通信接口标准发送信息。

上双模核心时间校正器的校时方法，包括以下步骤，

1)软件设置，运行所述服务计算机上的核心校时软件，并设置串行通讯接口、及设置接收波特率；接收到来自通讯卫星上的时间信号后对接所述服务计算机上的控制系统，运用GPS定位原理、GPS定时原理或GPS校频原理确定传输延时Δt；

2)硬件设置，运行双模核心时间校正器，选择设置的串行通讯接口、及设置的接收波特率，设置更新比对时间查看通讯卫星是否正常勾选开机启动；

3)时间校准，工业服务设备处于无网络状态下，离线信号接收器接收来自通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星与离线信号接收器之间的传输延时Δt，输出与国际标准时间保持高度同步的秒脉冲选通信号，然后通过串行通讯接口输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；

4)时间信号经中心处理单元处理转换成对应的校时数据，双模核心时间校正器把校时数据发送给所述服务计算机，经所述服务计算机上的核心校时软件对校时数据进行分析处理后与所述服务计算机上的错误时间对比，纠正错误时间与国际标准时间同步，更新所述服务计算机上的控制系统的错时数据。

作为又一具体方案，所述接收波特率为9000-115200bps。

作为又一具体方案，所述双模核心时间校正器启动时，在复位信号变高后0.001s内校正时间，保持串行通讯接口的输入管脚为恒定高电平或恒定低电平。

作为又一具体方案，所述串行通讯接口的输入/输出信号类型为LVTTL电平。

本发明的有益效果如下：

本基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器通过PC-E数据连接方式连接工业服务设备上的服务计算机，配合服务计算机上的核心校时软件，对服务计算机的时间校对年、月、日、时、分、秒等时间数据，确保工业服务设备无网络情况下授时精度优于30ns。针对应用于没有网络或者网络不稳定的特殊环境、且对时间有精准要求的工业服务设备等，应用本双模核心时间校正器可轻松解决时间存在误差的问题，授时精度校正时差优于30ns。

附图说明

图1为本发明一实施例中双模核心时间校正器的数据发送电路图。

图2为本发明一实施例中双模核心时间校正器的数据接收电路图。

图3为本发明一实施例中双模核心时间校正器的工作原理方框图。

图4为本发明一实施例中双模核心时间校正器中PCB电路板的布局示意图。

图5为本发明一实施例中校时方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图5，本实施例涉及的基于GPS/BD(GPS：全球定位系统，BD：北斗卫星定位系统)通讯的双模核心时间校正器，双模核心时间校正器安装在服务计算机中的计算机主板上；双模核心时间校正器包括，

离线信号接收器：接收来自通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星(即GPS卫星)与离线信号接收器之间的传输延时Δt，输出与国际标准时间(UTC)保持高度同步的秒脉冲选通信号，然后通过串行通讯接口输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；1PPS脉冲信号(one pulse per second)为通讯卫星上的时钟服务器向工业服务设备下发的时间基准信号，一秒钟对应一个脉冲；以国际标准时间为参考基准，运用GPS定位原理、GPS定时原理或GPS校频原理确定传输延时Δt；

中心处理单元：通过双模天线接收通讯卫星下发的时间信号，并对该时间信号进行数据处理以计算出对应的校时数据；中心处理单元通过PCI-E总线把校时数据发送给服务计算机，经服务计算机上的核心校时软件对校时数据进行分析处理后与服务计算机上的错误时间对比，纠正错误时间与国际标准时间同步(核心校时软件运行期间，服务计算机授时扩展卡)，更新服务计算机上的控制系统的错时数据；

离线信号接收器数据连接中心处理单元；离线信号接收器数据连接服务计算机。

进一步地，GPS定位原理：基于精确测定GPS信号的传输延时Δt，以得到通讯卫星到工业服务设备间的距离R＝C×Δt，即Δt＝R/C；式中C为光速，光速为已知；同时捕获四颗通讯卫星，解算四个联立方程得到实时时刻t和对应的坐标位置参数(x、y、z)，即R＝{(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)}1/2，式中(Xs、Ys、Zs)为通讯卫星的位置参数，(Xu、Yu、Zu)为工业服务设备的坐标位置参数；

GPS定时原理：基于工业服务设备精确测定和扣除GPS时间信号的传输延时Δt，达到对本地时钟的定时和校准，GPS定时原理确定传输延时Δt的准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和信号接收端所引入的误差；

GPS校频原理：根据频率和周期互为倒数的关系，以GPS的秒信号为参考，采用测定时间间隔的比时法来测量本地时钟的频率准确度Δf/f，即Δf/f＝(Δt2-Δt1)/(t2-t1)，式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地时钟与国际标准时间的时差值；

进一步提高传输延时Δt准确度的方法：①采用GPS双频、相位测量技术；②选用更高精度的GPS时间传递接收机；③采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

进一步地，1PPS脉冲信号的主要指标包括上升沿宽度、下降沿宽度、脉冲宽度、脉冲幅度；

上升沿宽度指脉冲从脉冲幅度的10％到90％所占用的时间；下降沿宽度指脉冲从脉冲幅度的90％到10％所占用的时间；脉冲宽度指脉冲前沿和后沿中点(50％幅度量值点)之间的时间间隔；脉冲幅度指顶量值与底量值的代数差。脉冲转换时，指基线以上的电压电平；

1PPS脉冲信号测试时，可采用S2000-GNR时钟服务器(已通过北京无线计量测试研究所测试)作为时间基准参考，用示波器测试其他接收机或设备输出的信号指标；

设置测试场景，启动待测终端，使终端接收测试信号，进入授时工作模式，正常输出1PPS脉冲信号；

上升沿宽度：

(1)将待测接收机的1PPSOUT输出端接入数字荧光示波器通道；

(2)设置触发方式为上升沿触发、触发电平50％，关闭增强触发功能；

(3)调整数字示波器垂直偏转系数和偏置(offset)使波形尽可能充满屏幕；

(4)调整数字示波器水平偏转系数，并使上升沿位于屏幕中心；

(5)测出脉冲幅度从10％上升到90％所对应的时间间隔即为秒脉冲上升时间；

下降沿宽度：

(1)将待测接收机的1PPSOUT输出端接入数字荧光示波器通道；

(4)调整数字示波器水平偏转系数，并使下降沿位于屏幕中心；

(5)测出脉冲幅度从90％下降到10％所对应的时间间隔即为秒脉冲上升时间；

脉冲宽度：

(1)将待测接收机的1PPSOUT输出端接入数字荧光示波器通道；

(5)示波器的输入阻抗选为50Ω，调节示波器，使屏幕上显示稳定的脉冲波形，直接测量输入秒脉冲信号的宽度；

脉冲幅度：

(1)将待测接收机的1PPSOUT输出端接入数字荧光示波器通道；

(5)示波器的输入阻抗选为50Ω，调节示波器，使屏幕上显示稳定的脉冲波形，直接测量输入秒脉冲信号的幅度；

多次测试(一般为3～5次)取平均。

进一步地，时间信号通过PCI-E总线传输，以RS232通信接口标准发送信息。双模核心时间校正器还包括数据连接PCI-E总线的PCI-E接头；服务计算机的服务计算机主板上设置有PCI-E接口，PCI-E接头与PCI-E接口插接，实现中心处理单元与服务计算机的数据连接；PCI-E接口是计算机主板上常用的接口，双模核心时间校正器应用PCI-E接头与计算机主板连接，使其可适应市面上大部分计算机主板，增强其通用性和适应性。

进一步地，双模核心时间校正器还包括通讯连接通讯卫星的通讯电路、及用于消除干扰杂讯的滤波电路，通讯卫星上的时间信号依次经过通讯电路和滤波电路到达离线信号接收器；其中通讯电路和滤波电路分别为现有电路。双模核心时间校正器还包括实时时间与服务计算机同步的计时模块，计时模块与离线信号接收器数据连接。

进一步地，双模核心时间校正器还包括用于储存电能和供给电能的供电模块、及用于为供电模块充电的充电电路，供电模块选用可充电的充电电池，如：锂电池等，充电电路为现有电路；供电模块电连接离线信号接收器和中心处理单元；充电电路电连接服务计算机上的总电源；通过设置供电模块，当出现停电等情况时，供电模块可对双模核心时间校正器持续供电，进而保证双模核心时间校正器不受停电影响，进一步保证服务计算机的时间的准确性。

上双模核心时间校正器的校时方法，包括以下步骤，

1)软件设置，运行服务计算机上的核心校时软件，并设置串行通讯接口、及设置接收波特率；接收到来自通讯卫星上的时间信号后对接服务计算机上的控制系统，运用GPS定位原理、GPS定时原理或GPS校频原理确定传输延时Δt；

2)硬件设置，运行双模核心时间校正器，选择设置的串行通讯接口、及设置的接收波特率(因双模核心时间校正器上有多个串行通讯接口，因此需要选择对应的串口才能设置双模核心时间校正器的接收频段，以保证其能够收发对应的数据源；为了保证有效通讯，根据电、传输介质等的物理特性结合串口设备使用的要求，确定RS232最大传输速率只能是115200，然后逐级二分得到57600，28800，19200……为适应这些速率，设计相应的晶振频率。这是由电信线路特性决定的电话线路的带通是300--3KHz，当时hayes先搞的modem，所以用的2400HZ信号，对应波特率是2400。由于基本频率确定了，以后采用的提高通讯速率的方法都是在2400基础上倍频的，所以形成了9600.19200……不管哪种说法，都是先有波特率再有晶振频率)，设置更新比对时间查看通讯卫星是否正常勾选开机(服务计算机)启动；

3)时间校准，工业服务设备处于无网络状态下，离线信号接收器接收来自通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星与离线信号接收器之间的传输延时，输出与国际标准时间保持高度同步的秒脉冲选通信号，然后通过串行通讯接口输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；

4)时间信号经中心处理单元处理转换成对应的校时数据，双模核心时间校正器把校时数据发送给工业服务设备上的服务计算机，经服务计算机上的核心校时软件对校时数据进行分析处理后与服务计算机上的错误时间对比，纠正错误时间与国际标准时间同步，更新服务计算机上的控制系统的错时数据。

进一步地，接收波特率为9000-115200bps，优选9600bps。

进一步地，双模核心时间校正器启动时，在复位信号变高后0.001s内校正时间，保持串行通讯接口的输入管脚为恒定高电平或恒定低电平，可根据设备需求设定刷新频率。

进一步地，所述串行通讯接口的输入/输出信号类型为LVTTL电平。

进一步地，针对服务计算机无网路授时应用设计出GPS、BDS、GLONASS、GALILEO等系统授时模组；采用自主应用设计的低功耗GNSSSOC芯片，低功耗GNSSSOC芯片是目前市场上完全国产化的多模授时模块，授时精度优于20ns，稳定度和可靠性高，适合卫星授时规模应用；具体优点如下：①精密授时，1PPS脉冲信号精度优于20ns；②支持单星授时模式，即使只有一颗可见通讯卫星仍能保持可靠授时；③支持专门的授时数据协议、指令控制；④设计紧凑，体积小巧。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器，其特征在于：所述双模核心时间校正器安装于服务计算机上，所述双模核心时间校正器包括，

2.根据权利要求1所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器，其特征在于：

GPS定位原理：基于精确测定GPS信号的传输延时Δt，以得到通讯卫星到工业服务设备间的距离R=C×Δt，即Δt=R/C；式中C为光速；同时捕获n颗通讯卫星，解算n个联立方程得到实时时刻t和对应的坐标位置参数（x、y、z），即R={（Xs-Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2，式中（Xs、Ys、Zs）为通讯卫星的位置参数，（Xu、Yu、Zu）为工业服务设备的坐标位置参数；

GPS校频原理：根据频率和周期互为倒数的关系，以GPS的秒信号为参考，采用测定时间间隔的比时法来测量本地时钟的频率准确度Δf/f，即Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1)，式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地时钟与国际标准时间的时差值。

3.根据权利要求1所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器，其特征在于：时间信号通过PCI-E总线传输，以RS232通信接口标准发送信息。

4.如权利要求1所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器的校时方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）软件设置，运行所述服务计算机上的核心校时软件，并设置串行通讯接口、及设置接收波特率；接收到来自通讯卫星上的时间信号后对接所述服务计算机上的控制系统，运用GPS定位原理、GPS定时原理或GPS校频原理确定传输延时Δt；

2）硬件设置，运行双模核心时间校正器，选择设置的串行通讯接口、及设置的接收波特率，设置更新比对时间查看通讯卫星是否正常勾选开机启动；

3）时间校准，工业服务设备处于无网络状态下，离线信号接收器接收来自通讯卫星上的时间信号，并补偿时间信号在通讯卫星与离线信号接收器之间的传输延时Δt，输出与国际标准时间保持高度同步的秒脉冲选通信号，然后通过串行通讯接口输出与1PPS脉冲信号相对应的国际标准时间、日期及离线信号接收器所处方位信息；

4）时间信号经中心处理单元处理转换成对应的校时数据，双模核心时间校正器把校时数据发送给工业服务设备上的服务计算机，经所述服务计算机上的核心校时软件对校时数据进行分析处理后与所述服务计算机上的错误时间对比，纠正错误时间与国际标准时间同步，更新所述服务计算机上的控制系统的错时数据。

5.根据权利要求4所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器的校时方法，其特征在于：所述接收波特率为9000-115200bps。

6.根据权利要求4所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器的校时方法，其特征在于：所述双模核心时间校正器启动时，在复位信号变高后0.001s内校正时间，保持串行通讯接口的输入管脚为恒定高电平或恒定低电平。

7.根据权利要求4所述基于GPS/BD通讯的双模核心时间校正器的校时方法，其特征在于：所述串行通讯接口的输入/输出信号类型为LVTTL电平。