CN201707439U - 北斗一号双向授时型用户机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种北斗一号双向授时型用户机，由天线模块、通道模块、信息处理模块、晶振模块、显示模块和电源模块组成，天线模块的输出/输入端与通道模块的输入/输出端联接，通道模块的输出/输入端接至信息处理模块的输入/输出端，信息处理模块的显示输出端与显示模块的输入端联接，晶振模块采用恒温石英晶体器件，其输出端同时接至天线模块、通道模块、信息处理模块和显示模块的晶振信号输入端。与现有技术相比，本实用新型具有成本低、功耗小，重量轻，易于推广等优点，可广泛应用于需要高精度时间统一的领域，如移动通信领域中移动基站的时间同步、实时数字图象传输、电网调度的时间同步、电网频率测量、航天试验等领域。

Description

北斗一号双向授时型用户机

技术领域

本实用新型属于卫星导航系统授时设备领域，涉及一种利用我国北斗一号卫星定位系统进行高精度授时的用户机。

背景技术

北斗一号卫星定位系统是我国建立的第一代卫星导航定位系统，具有定位、短报文通信和授时三大功能。该系统自2003年建成后，在国防建设和国民经济生产中发挥了巨大作用，尤其是其短报文通信功能，为边防、边远地区以及通信网络没有覆盖的地区提供了可靠的通信手段。但目前北斗一号的应用主要集中在定位和短报文通信方面，在授时方面还没有得到很好地推广应用，其主要原因是本领域还没有开发出性能更为先进并能够满足北斗授时精度的北斗一号授时型用户机。

利用北斗一号卫星定位系统进行授时的原理基于对卫星信号传播延迟时间的精确测量。假设北斗授时用户位于北斗一号某卫星的下行波束覆盖区，用户接收地面控制中心播发的时间帧询问信号，一方面测出第n帧出站信号参考时标与本地钟秒信号的时间间隔Δ1(见图1)，一方面向中心控制系统转发响应信号，由中心控制系统测出信号的往返时间值Δ2，并计算出该信号由中心发出至用户机收到的正向传播时延值ξ，再发给该用户及作为双向定时试验修正值，则用户可根据下式求得用户时钟与地面控制中心时钟的钟差Δε，进而得到精确时间。

Δε＝1-Δ1-ξ-nΔt

式中：Δ1为授时型用户设备实测值，nΔt＝n×31.24(ms)为帧号对应的时间，ξ为地面控制中心计算的信号正向传播时延。

北斗一号双向授时由于是立足于地面控制中心的原子钟以及对信号延迟的准确估计，因此双向授时要求的精度为20ns，高于美国GPS系统(GPS的授时精度立足于卫星钟和用户对信号延迟误差的估计，一般授时精度为50～100ns)。在地面控制中心将ξ计算出来并发送给用户时刻，用户可以得到满足精度要求的时间，并可以通过外部接口输出，一般输出信号为1PPS(每秒一脉冲)。但是对于北斗一号授时用户机来说，由于受北斗一号卫星定位系统通信带宽所限，一般授时用户机与地面控制中心之间只能一分钟通信一次，因此授时用户机只能一分钟得到一次准确的时间信息。而在1分钟的其它时间内，用户机只能根据机内的时间(频率)基准自己产生1PPS信号，因此如何如果保证时间基准的稳定，是实现高精度授时的关键。

根据地面控制中心给出的ξ计算出的时间的精度已接近20ns，因此在整分钟之间仍然要维持20ns精度的时间输出信号大约只有1～2ns的调节空间。根据分析只有时间(频率)基准的稳定度达到1×10^-11才能满足需求。一般时间(频率)基准都采用高精度石英频率标准或原子频率标准(如铷原子频率标准、铯原子频率标准)。原子频率标准的长期频率稳定度(稳定时间在1秒以上)优于任何石英频率标准，而通过优良设计的晶体振荡器的短期频率稳定度(1秒内)可以超过原子频率标准。北斗一号授时型用户机输出的标准信号为1PPS，所以稳定度为长期稳定度。

目前北斗一号授时用户机维持时间基准常用的方法有两种。一种是方法采用原子频率标准，即采用原子钟作为本机的时间基准。北斗一号授时用户机首先通过双向定时确定整分钟时刻的满足精度要求的时间，在整分钟之间则利用原子钟维持时间，输出1PPS时间信号。由于原子频率标准的长期稳定度很高(一般为1×10^-11或更高)，所以这种方法可以满足北斗一号双向授时精度要求，但是这种方法的缺点是原子频率标准的价格昂贵，最低也不少于7万元，导致北斗一号授时用户机整机价格较高(目前价格在10万元左右)，不利于推广使用。

另外一种方法就是采用高精度恒温石英晶体频率标准，其优势是价格低。由于一般高精度恒温石英频率标准的稳定度为1×10^-9，无法满足北斗一号授时用户机中维持时间基准精度要求，为了提高频率标准的稳定度，常采用一种称为晶体驯服的技术，就是根据准确的时间，如北斗一号双向授时给出的整秒时刻的时间，经过一段时间的对比统计，推断出以恒温石英晶体频率标准为基准的时钟的钟差、钟速和钟漂等参数，然后采用一定的算法对恒温石英晶体频率标准进行校准，从而提高其稳定度。在北斗一号双向型授时用户机中，由于校准后的稳定度比原来稳定度提高两个数量级(从1×10^-9提高到1×10^-11)，所以难度非常大。这些都是目前国内还没有开发出更多技术成熟的北斗一号双向授时用户机的主要原因。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种结构合理、价格低、功耗小、重量轻、时间基准精度高、易于推广使用的北斗一号双向授时型用户机。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的北斗一号双向授时型用户机由天线模块、通道模块、信息处理模块、(石英)晶振模块、显示模块和电源模块组成，天线模块的输出/输入端与通道模块的输入/输出端联接，通道模块的输出/输入端接至信息处理模块的输入/输出端，信息处理模块的显示输出端与显示模块的输入端联接，晶振模块采用型号为MV26-CIF-Y19-SIN恒温石英晶体器件，其输出端同时接至天线模块、通道模块、信息处理模块和显示模块的晶振信号输入端。电源模块用于给所有的模块电路提供工作所需的电源。该授时型用户机中的晶振模块和信息处理模块是实现高精度授时的核心模块。

本实用新型技术方案的实现还在于：授时型用户机中的天线模块由低噪声放大器和功率放大器构成，低噪声放大器的输出端与通道模块的输入端联接，功率放大器的输入端与通道模块的输出端联接。

本实用新型技术方案的实现还在于：授时型用户机中的信息处理模块由A/D转换采样电路、FPGA电路、CPU电路和串口电路组成，A/D转换采样电路的输出端依次经FPGA电路和CPU电路后与串口电路的输入端联接，CPU电路的显示输出端和通道输出端分别接至显示模块和通道模块的输入端。

本实用新型技术方案的实现还在于：授时型用户机中的显示模块由显示与接收控制电路、显示电路和红外接收电路组成，显示与接收控制电路的信息接收输入端和红外接收输出端分别与信息处理模块的显示输出端和红外接收电路的输出端联接，显示与接收控制电路的输出端与显示电路的输入端联接。

本实用新型所述北斗一号双向授时型用户机的工作流程分为信号接收和发射两部分。

一、信号接收过程

天线模块接收北斗卫星发射的导航信号，由低噪声放大器放大以后送往通道模块。通道模块将天线模块送来的信号经滤波、放大，再进行下变频成为中频信号，然后送往信息处理模块。信息处理模块中A/D转换器对通道送来的中频信号进行量化，然后送往FPGA。FPGA负责载波跟踪、伪码产生、伪码跟踪、数据解调、译码等信号处理，DSP辅助FPGA进行信号处理，同时还负责提取导航信号数据、进行各种计算(定时计算、各种误差估计等)，计算结果送往显示模块，也可通过串口芯片输出。显示模块最后将定时结果进行显示，同时还可以显示用户机工作状态信息等。

二、信号发射过程

信息处理模块中DSP生成发射数据送往FPGA，FPGA将发射数据调制到扩频码上，然后送往通道模块。通道模块将信息处理模块送来的扩频码进行BPSK调制，调制后的信号经滤波、放大后送往天线模块。天线模块将调制后的信号由功率放大器放大后再发射出去。

在以上过程中，晶振模块的功能是给所有硬件电路提供时钟信号，同时也是用户机守时的时钟，在北斗一号系统两次时间服务期间作为时间输出信号的基础。晶振模块采用恒温石英晶体频率标准。

本实用新型在北斗一号双向授时型用户机的设计中，采用了下列方法：

1)高精度基准时间建立

基准时间就是根据地面控制中心发来的卫星信号时间延迟数据计算出来的时间。直接根据这个时间计算出的时间虽然能够满足授时精度要求，但其精度已接近精度误差限制，给恒温石英晶体频率标准的调整留下的调整空间很小，因此增大了恒温石英晶体频率标准调整的难度。为了减小恒温石英晶体频率标准调整的难度，就需要提高时间基准的精度，为此采取了递归方法解决离散数据线性滤波方式，即用卡尔曼滤波方式对数据进行处理。假设我们用1分钟的频度进行双向授时，首先利用得到的每分钟时延值累计5分钟的数据建立模型，然后用模型再推算出下一秒中北斗系统与设备的时间延迟数据，对实际接收到的时间延迟数据进行改正，然后再利用新的1秒的数据加入5分钟模型中继续计算，算出下一秒的数据，这样可以保证时间延迟数据不会出现大的跳动，数据相对平滑稳定，提高了时间基准的精度。

2)动态恒温石英晶体频率标准的调整

调整恒温晶体频率标准是为了提高其稳定度，但常规的晶体驯服法尚不能完全满足要求。为了满足北斗一号授时用户机对晶体频率标准稳定度的要求，在产品设计方案中采用了动态监测法，就是将双向授时给出的准确时间，与晶体频率标准输出的时间进行比对，统计其时间差，经过一段时间的对比统计，推断出以石英频率标准为基准的时钟的钟差、钟速和钟漂等参数，建立起石英频率标准的一元二次方程的时钟变化模型，然后利用此模型对石英频率标准进行调整。与一般做法不同的是，本机在调整过程中还要继续用准确时间对石英频率标准进行比对，对时钟变化模型进行不断地修正，即对建立的时钟变化模型进行动态修正，从而提高其稳定度。除此之外，实施方案中还采取了其它一些措施，如：a)对石英频率标准进行老化；b)对产品进行长期拷机，归纳总结北斗一号双向授时型用户机中使用的石英频率标准的长期变化规律，进一步提高时钟变化模型的精度等。

综合采用上述设计结构和方法后，即可使北斗一号双向授时型用户机在没有采用原子频率标准的情况下，授时精度达到了指标要求的20ns，实际测试的日平均授时精度为17ns。

与迄今已有的采用原子频率标准的北斗一号双向授时型用户机相比，采用恒温石英晶体频率标准的北斗一号双向授时型用户机具有成本低、功耗小，重量轻，易于推广等优点，可广泛应用于需要高精度时间统一的领域，如移动通信领域中移动基站的时间同步、实时数字图象传输、电网调度的时间同步、电网频率测量、航天试验及武器试验等领域。

附图说明

图1为北斗一号双向授时原理图。

图2为该北斗一号双向授时型用户机的原理结构示意图。

图3为图2中天线模块部分的结构示意图。

图4为图2中信息处理模块部分的结构示意图。

图5为图2中显示模块部分的结构示意图。

图6为图2中电源模块部分的结构示意图。

附图中各标号名称分别为：1-天线模块，2-通道模块，3-信息处理模块，4-晶振模块，5-显示模块，6-电源模块，11-低噪声放大器，12-功率放大器，31-A/D转换采样电路，32-FPGA电路，33-CPU电路，34-串口电路，51-显示与接收控制电路，52-显示电路，53-红外接收电路。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型内容做进一步说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见图2，本实用新型所述的北斗一号双向授时型用户机由天线模块1、通道模块2、信息处理模块3、晶振模块4、显示模块5和电源模块6组成，其中，天线模块1的输出/输入端与通道模块2的输入/输出端联接，通道模块2的输出/输入端接至信息处理模块3的输入/输出端，信息处理模块3的显示输出端与显示模块5的输入端联接，晶振模块5采用型号为MV26-CIF-Y19-SIN恒温石英晶体器件，其输出端同时接至天线模块1、通道模块2、信息处理模块3和显示模块4的晶振信号输入端。

在图3～图5给出的实施例结构中，天线模块1由型号为YHJGF01的低噪声放大器11和型号为PA1615-30W功率放大器12组成，低噪声放大器11的输出端与通道模块2的输入端联接，功率放大器12的输入端与通道模块2的输出端联接(图3)；信息处理模块3)由型号为AD9288BST-100的A/D转换采样电路31、型号为XC3S1500-4FG456I的FPGA电路32、型号为AM186CU-40KI/W的CPU电路33以及型号为MAX3222EEUPA/D的串口电路34组成，A/D转换采样电路31的输出端依次经FPGA电路32和CPU电路33后与串口电路34的输入端联接，CPU电路33的显示输出端和通道输出端分别接至显示模块5和通道模块2的输入端(图4)；显示模块5由型号为ADuC812的显示与接收控制电路51、型号为FJ5261CH的数码管显示电路52和型号为ZLG7289BS的红外接收电路53组成，显示与接收控制电路51的信息接收输入端和红外接收输出端分别与信息处理模块3的显示输出端和红外接收电路53的输出端联接，显示与接收控制电路51的输出端与显示电路52的输入端联接。此外，通道模块2采用型号为YHGCZA03的器件构成；晶振模块4采用型号为MV26-CIF-Y19-SIN恒温石英晶体器件，其输出端同时接至天线模块1、通道模块2、信息处理模块3和显示模块5的晶振信号输入端。

本实用新型中的电源模块6配置有GZM-H25S12和GZT-H100S28两个电源组件，GZT-H100S28电源为天线模块提供28V直流电压，GZM-H25S12电源为晶振模块、通道模块、信息处理模块、显示模块提供12V直流电压。

Claims (4)

1.一种北斗一号双向授时型用户机，其特征在于由天线模块(1)、通道模块(2)、信息处理模块(3)、晶振模块(4)、显示模块(5)和电源模块(6)组成，天线模块(1)的输出/输入端与通道模块(2)的输入/输出端联接，通道模块(2)的输出/输入端接至信息处理模块(3)的输入/输出端，信息处理模块(3)的显示输出端与显示模块(5)的输入端联接，晶振模块(4)采用型号为MV26-CIF-Y19-SIN恒温石英晶体器件，其输出端同时接至天线模块(1)、通道模块(2)、信息处理模块(3)和显示模块(5)的晶振信号输入端。

2.根据权利要求1所述的北斗一号双向授时型用户机，其特征在于天线模块(1)由低噪声放大器(11)和功率放大器(12)构成，低噪声放大器(11)的输出端与通道模块(2)的输入端联接，功率放大器(12)的输入端与通道模块(2)的输出端联接。

3.根据权利要求1所述的北斗一号双向授时型用户机，其特征在于信息处理模块(3)由A/D转换采样电路(31)、FPGA电路(32)、CPU电路(33)和串口电路(34)组成，A/D转换采样电路(31)的输出端依次经FPGA电路(32)和CPU电路(33)后与串口电路(34)的输入端联接，CPU电路(33)的显示输出端和通道输出端分别接至显示模块(5)和通道模块(2)的输入端。

4.根据权利要求1所述的北斗一号双向授时型用户机，其特征在于显示模块(5)由显示与接收控制电路(51)、显示电路(52)和红外接收电路(53)组成，显示与接收控制电路(51)的信息接收输入端和红外接收输出端分别与信息处理模块(3)的显示输出端和红外接收电路(53)的输出端联接，显示与接收控制电路(51)的输出端与显示电路(52)的输入端联接。

Images