CN205375018U - 基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，包括一体化天线单元和主机单元；所述一体化天线单元包括壳体、基板、天线模块、天线多工器和功率放大器，所述天线模块包括GNSS接收天线、RDSS接收天线和RDSS发射天线，所述GNSS接收天线、所述RDSS接收天线和所述RDSS发射天线采用叠层结构设置。所述主机单元包括用于进行北斗RDSS短报文通信的RDSS通信模块、对铷钟进行驯服的GNSS定位授时模块、铷钟授时模块、显示控制模块、数据交换扩展模块、1PPS/B码分路切换模块和电源模块。本实用新型可使用最优导航系统的定时信号对本机进行时间同步，产生IRIG-B码信号和1PPS同步脉冲信号，还可以进行NTP网络授时。

Description

基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备

技术领域

本实用新型涉及一种同步时钟装置，具体地说是一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备。

背景技术

卫星授时不仅在地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学测地等基础研究领域有重要的作用，而且在国防和国民经济建设中也具有普遍的应用，在当代社会中越来越需要正确的时间信息对系统的时间进行校正，例如在金融业界服务器、航天航空控制计算机等需要高精度的时间信息。随着现代数字通信网的发展和信息高速公路的高速发展，各行业对高精度时间频率提出了更高要求。

高精度授时是军事、电力、通信、交通等各行业系统运行的安全保障。高精度时钟源对国家的经济运行、通信网络是十分重要的。在各种时间同步技术中，卫星授时由于具有覆盖面广和频率基准精度高的优势而得到广泛的应用。目前基于卫星授时的同步时钟设备都是采用多套天线系统接受多种卫星信号，为了满足卫星授时系统中各个钟的精确同步还需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，现阶段的基于卫星授时的同步时钟设备时间参考源稳定性较差，影响了卫星授时的准确度。此外，既增加了成本，又造成了同步时钟设备结构的复杂化，加大了设备的维修难度。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，以解决现有的基于卫星授时的同步时钟设备中存在的卫星授时准确度低、设备成本较高和不便于维修的问题。

本实用新型是这样实现的：

一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，包括一体化天线单元和主机单元；

所述一体化天线单元包括壳体、基板、天线模块、天线多工器和功率放大器，所述基板、所述天线模块、所述天线多工器和与所述天线多工器连接的功率放大器设置在所述壳体内部，所述天线模块设置在所述基板的顶部，包括用于接收北斗B1频点导航信号和GPSL1频点导航信号的GNSS接收天线、用于接收S频段的RDSS信号的RDSS接收天线和用于发射Ｌ频段的RDSS信号的RDSS发射天线，所述GNSS接收天线、所述RDSS接收天线和所述RDSS发射天线采用叠层结构设置；所述天线多工器和所述功率放大器设置在所述基板的底部，所述天线多工器包括LNA放大器组和用于将经放大的北斗B1频点导航信号、GPSL1频点导航信号和S频段的RDSS信号汇集到同一电缆输出的多工器；

所述主机单元包括：

RDSS通信模块，用于进行北斗RDSS短报文通信，包括与所述天线多工器中的多工器电缆连接的用于将一线制送来的信号分路成多路不同频段信号通道的收发多工器、与所述收发多工器连接的射频通道单元和与所述射频通道单元连接的数字信号处理器；

GNSS定位授时模块，用于接收北斗B1频点信号和GPSL1频点信号并对铷钟进行控制和驯服，包括与所述收发多工器连接的B1/L1定位授时机和与所述B1/L1定位授时机连接的微控制器；

铷钟授时模块，与所述GNSS定位授时模块的所述微控制器连接，其内部设置有铷原子振荡器；

显示控制模块，用于显示经纬度和时间等定位结果、卫星信号强度、接收短信内容、设备自检状况和告警指示等，与所述微控制器连接，包括显示屏、指示灯、按键、开关和CPU；

数据交换扩展模块，与所述微控制器连接，用于提供NTP网络时间同步服务以及接收并转发主控或者远控串口的信号到显示控制模块中的CPU，包括接口转换器、串口模块和NTP网络模块；

1PPS/B码分路切换模块，与所述铷钟授时模块连接，用于接收经GNSS定位授时模块校准后的1PPS或者直流B码并通过数据交换扩展模块送至各路外部接口；以及

电源模块，用于为所述主机单元的工作提供电源。

所述串口模块的串口电平转换芯片均采用RS422电平转换芯片。

所述RDSS通信模块通过串行数据接口与显示控制模块通信连接。

所述LNA放大器组包括用于接收并放大所述GNSS接收天线输出信号的第一LNA放大器、用于接收并放大所述RDSS接收天线输出信号的第二LNA放大器。

本实用新型中用于发射Ｌ频段的RDSS信号的RDSS发射天线，所述GNSS接收天线、所述RDSS接收天线和所述RDSS发射天线采用叠层结构设置，其结构紧密，重量较轻，能够在占用体积较小的情况下增大天线的覆盖面积。GNSS定位授时模块具有本控和远控两种控制模式，其输出的1PPS脉冲和IRIG-B码可以通过本控或远控进行切换以驯服铷钟。铷钟授时模块与GNSS定位授时模块的微控制器连接，GNSS定位授时模块接收北斗B1频点信号和GPSL1频点信号并输出的1PPS脉冲作为本地铷钟的参考信号，驯服本地铷钟，通过驯服环路使得本地1pps信号与外参考1pps信号同步。另外，RDSS通信模块能够实现与其他具有北斗RDSS功能的用户机互相通信。本实用新型的主机单元采用现代闭环控制守时理论和卡尔曼数字滤波技术，利用外部时间基准对铷钟进行控制和驯服。系统输出的1PPS信号由内部时钟源分频得到，使输出的1PPS信号同步于外部时间基准输出的1PPS信号的长期稳定值，克服了由于外部时间基准的秒脉冲信号跳变所带来的影响，因此，输出的时间信号不但与外部时间基准信号保持同步而且更加稳定。采用了闭环控制守时技术，系统具有自我学习功能，记住恒温晶振的老化等漂移特性，即便授时模块参考信号中断或出现干扰故障后，仍能在一定时间内输出精确的时间同步信号和频率标准信号，实现高精度的守时。

通过本实用新型可以实现多种功能：独特的跟踪及守时算法，使设备具有优良的输出性能和可靠性；采用高精度TIE测量技术，分辨率达0.1ns，系统精度1ns；能够实现卫星完好性监测、时基卫星可用性监控、时基绝对相差监测、相位跳变监控、本地振荡器性能监控和输出信号性能降质监控。

本实用新型结构简单紧凑，具有高精度和高可靠性的优点，其输出的定位结果和授时结果的稳定度和准确度较高。此外，主机单元中的各模块之间工作相对独立，其接口关系简捷明了、便于维护，有助于提高整机的可靠性和可维修性。本实用新型通过对北斗导航系统和GPS导航系统的信号强度进行比较后选择最优的卫星导航信号，使用最优导航系统的定时信号对本机进行时间同步，产生IRIG-B码信号和1PPS同步脉冲信号，还可以进行NTP网络授时，既提高了定位精度和授时能力，又延长了设备的工作时间。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的主机壳体前面板的结构示意图。

图3是本实用新型的工作原理框架图。

图4是本实用新型的RDSS通信模块的工作原理图。

图5是本实用新型GNSS定位授时模块的工作原理图。

图中：1、一体化天线单元；2、主机单元；3、壳体；4、基板；5、天线模块；6、天线多工器；7、功率放大器；8-1、第一LNA放大器；8-2、第二LNA放大器；9、多工器；10、RDSS通信模块；10-1、收发多工器；10-2、射频通道单元；10-3、数字信号处理器；11、GNSS定位授时模块；11-1、B1/L1定位授时机；11-2、微控制器；12、铷钟授时模块；13、显示控制模块；13-1、显示屏；13-201、电源指示灯；13-202、1PPS指示灯；13-203、锁定指示灯；13-204、告警指示灯；13-3、电源开关；14、数据交换扩展模块；14-1接口转换器；14-201、定位数据端口；14-202、远控监控端口；14-203、IRIG-B/1PPS端口；14-3、NTP网络模块；15、1PPS/B码分路切换模块；16、电源模块；17、串行数据接口。

具体实施方式

如图1和图3所示，一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，包括一体化天线单元1和主机单元2；一体化天线单元1包括壳体3、基板4、天线模块5、天线多工器6和功率放大器7，基板4、天线模块5、天线多工器6和与天线多工器6连接的功率放大器7设置在壳体3内部，天线模块5设置在基板4的顶部，包括用于接收北斗B1频点导航信号和GPSL1频点导航信号的GNSS接收天线、用于接收S频段的RDSS信号的RDSS接收天线和用于发射Ｌ频段的RDSS信号的RDSS发射天线，GNSS接收天线、RDSS接收天线和RDSS发射天线采用叠层结构设置；天线多工器6和功率放大器7设置在基板4的底部，天线多工器7包括LNA放大器组和用于将经放大的北斗B1频点导航信号、GPSL1频点导航信号和S频段的RDSS信号汇集到同一电缆输出的多工器9，LNA放大器组包括用于接收并放大GNSS接收天线输出信号的第一LNA放大器8-1、用于接收并放大RDSS接收天线输出信号的第二LNA放大器8-2。

如图1、图2和图3所示，主机单元2包括RDSS通信模块10、GNSS定位授时模块11、铷钟授时模块12、显示控制模块13、数据交换扩展模块14、1PPS/B码分路切换模块15和电源模块16。主机单元2还包括主机壳体，主机单元2的各模块都设置在主机壳体内。显示控制模块13用于显示经纬度和时间等定位结果、卫星信号强度、接收短信内容、设备自检状况和告警指示等，与微控制器连接，包括显示屏13-1、指示灯、按键、电源开关13-3和CPU，显示屏13-1、指示灯、按键、电源开关13-3都设置在主机壳体的前面板上。其中，按键主要控制时区设置和置钟等内容。指示灯包括电源指示灯01、1PPS指示灯02、锁定指示灯03和告警指示灯04。在开启本主机后，电源指示灯01有两种状态，电源正常时电源指示灯01显示为绿色，电源异常时电源指示灯01熄灭；在开启本主机后，1PPS指示灯02有两种状态，系统1PPS功能正常时1PPS指示灯02闪烁，系统1PPS功能异常时1PPS指示灯02熄灭；在开启本主机后，锁定指示灯03有两种状态，设备成功锁定外参考源时锁定指示灯03显示为绿色，设备锁定外参考源不成功时锁定指示灯03熄灭；在开启本主机后，告警指示灯04有两种状态，没有成功锁定参考源或者在守时状态时告警指示灯04显示为红色，成功锁定参考源时告警指示灯04熄灭。电源开关13-3采用KN1A-202DM型开关。

如图1、图3和图4所示，RDSS通信模块10用于进行北斗RDSS短报文通信，包括与天线多工器中的多工器9电缆连接的用于将一线制送来的信号分路成多路不同频段信号通道的收发多工器10-1、与收发多工器10-1连接的射频通道单元10-2和与射频通道单元10-2连接的数字信号处理器10-3。RDSS通信模块10内部设置有接收链路单元和发射链路单元，接收链路单元顺着信号的处理方向依次设置有下变频器、视频放大器组、A/D变换器和数字信号处理器，视频放大器组包括I通道视频放大器和Q通道视频放大器。发射链路单元顺着信号的处理方向依次设置有数字信号处理器、BPSK调制器和上变频器。

RDSS通信模块10的主要功能有：由收发多工器10-1将一线制送来的信号分路成S频段的RDSS信号通道、Ｌ频段的RDSS信号通道和GNSSB1/L1信号通道；接收S频段的RDSS出站信号，并将其进行下变频、视频放大、A/D模数转换、信号捕获、跟踪、解扩、载波恢复、解调和译码，并向显示控制模块13实时提供定位信息、报文信息和其它相关业务信息；接收显示控制模块13送来的报文通信和其他相关业务申请，完成入站帧格式形成、信息编码、扩频、BPSK调制和上变频，经收发多工器10-1送到一体化天线输出L波段的入站信号；通过串行数据接口17与显示控制模块13通信，接收显示控制模块13下达的工作方式和工作参数等指令并实施，实时收集RDSS通信模块10的各种工作状态并向显示控制模块13汇报。本实施例中S频段的RDSS信号的接收频率为2491.75±4.08MHz，Ｌ频段的RDSS信号的发射频率为1615.68±4.08MHz；B1频点的接收频率为1561.098MHz，通过B1频点信号进行授时的定时精度小于200ns；L1频点的接收频率为1575.42MHz，通过L1频点信号进行授时的定时精度小于200ns。

如图1、图3和图5所示，GNSS定位授时模块11用于接收北斗B1频点信号和GPSL1频点信号并对铷钟进行控制和驯服，包括与收发多工器10-1连接的B1/L1定位授时机11-1和与B1/L1定位授时机11-1连接的微控制器11-2，微控制器11-2中设置有相位比对模块和频率驯服算法模块。铷钟授时模块12与GNSS定位授时模块11的微控制器11-2连接，其内部设置有铷原子振荡器，铷钟授时模块12通过接收到的参考1PPS信号启动自适应虚浮算法，通过相位比对模块和频率驯服算法模块对铷原子频标进行频率调制并快速锁定以及输出稳定的1PPS和10MHz方波信号，铷钟授时模块12用于产生经GNSS定位授时模块11校准后的本地时钟信号并在GPS失锁后保持守时。微控制器11-2中设置有信息解码/时间码生成器模块，信息解码/时间码生成器模块接收并解析B1/L1定位授时机11-1输出的时间码信号，生成IRIG-B格式编码信号的直流B码并与时钟同步。1PPS/B码分路切换模块15与铷钟授时模块12连接，用于接收经GNSS定位授时模块11校准后的1PPS或者直流B码并通过数据交换扩展模块14送至各路外部接口，所述1PPS/B码分路切换模块为1PPS/B码分路切换电路板。数据交换扩展模块14与微控制器11-2连接，用于提供NTP网络时间同步服务以及接收并转发主控或者远控串口的信号到显示控制模块13中的CPU，包括接口转换器14-1、串口模块和NTP网络模块14-3，串口模块包括采用5路输出的定位数据端口14-201、采用1路输出的远控监控端口14-202和采用6路输出的IRIG-B/1PPS端口14-203，串口模块的串口电平转换芯片均采用RS422电平转换芯片。其中，定位数据端口14-201的5路输出分别为XS2/定位信息、XS7/定位信息、XS8/定位信息、XS14/定位信息和XS15/定位信息，串口通信的波特率为9600bps；远控监控端口14-202的1路输出为XS16/远控端口，串口通信的波特率为115200bps；IRIG-B/1PPS端口14-203的6路输出分别为XS5/秒脉冲/B码、XS6/秒脉冲/B码、XS10/秒脉冲/B码、XS11/秒脉冲/B码、XS12/秒脉冲/B码和XS13/秒脉冲/B码，Ｂ码与1PPS可通过本控/远控进行切换，1PPS授时精度优于200ns，IRIG-B码授时度优于200ns，阻抗为50Ω。NTP网络模块14-3的网路授时精度优于10ms，其接口的输出路数为1路，采用XS1/网口。电源模块16用于为主机单元的工作提供电源，电源采用220V±20V交流电源，本实施例中的电源采用220V交流电源。本实施例中，通过北斗导航系统的导航信号所能实现的定位精度为10m，通过GPS导航系统的导航信号所能实现的定位精度为5m。本实施例所能实现的授时能力为：内部频率驯服24小时后：守时1天后误差优于20us，守时1月后误差优于1ms。

如图1、图3和图5所示，GNSS定位授时模块11对铷钟驯服的工作原理为：B1/L1定位授时机11-1用于接收北斗B1频点信号和GPSL1频点信号并向微控制器11-2中的输出最优的参考的1PPS脉冲，在微控制器11-2中的控制驯服下驯服铷钟，通过驯服环路使得铷钟授时模块12的1PPS脉冲与参考的1PPS脉冲同步。时钟驯服环路包括时间间隔测量单元、环路滤波单元和直接数字频率合成器。在输入的B1/L1定位授时机11-1参考1PPS信号不可用时，系统会自动切换到时钟保持模式上，时钟信号保持即为根据铷原子振荡器老化曲线、铷原子振荡器频偏等运行特性自动调整控制铷原子振荡器，使其继续保持高精度的时间和频率信号输出，时钟保持可以通过智能算法在时钟驯服环路上进行，适当调整环路滤波参数，使环路在用户控制下达到稳定工作状态并使输出信号调整到理想状态，使铷钟授时模块12的输出频率保持与授时系统时间同步。

Claims (4)

1.一种基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，其特征在于，包括一体化天线单元和主机单元；

所述一体化天线单元包括壳体、基板、天线模块、天线多工器和功率放大器，所述基板、所述天线模块、所述天线多工器和与所述天线多工器连接的功率放大器设置在所述壳体内部，所述天线模块设置在所述基板的顶部，包括用于接收北斗B1频点导航信号和GPSL1频点导航信号的GNSS接收天线、用于接收S频段的RDSS信号的RDSS接收天线和用于发射Ｌ频段的RDSS信号的RDSS发射天线，所述GNSS接收天线、所述RDSS接收天线和所述RDSS发射天线采用叠层结构设置；所述天线多工器和所述功率放大器设置在所述基板的底部，所述天线多工器包括LNA放大器组和用于将经放大的北斗B1频点导航信号、GPSL1频点导航信号和S频段的RDSS信号汇集到同一电缆输出的多工器；

所述主机单元包括：

RDSS通信模块，用于进行北斗RDSS短报文通信，包括与所述天线多工器中的多工器电缆连接的用于将一线制送来的信号分路成多路不同频段信号通道的收发多工器、与所述收发多工器连接的射频通道单元和与所述射频通道单元连接的数字信号处理器；

GNSS定位授时模块，用于接收北斗B1频点信号和GPSL1频点信号并对铷钟进行控制和驯服，包括与所述收发多工器连接的B1/L1定位授时机和与所述B1/L1定位授时机连接的微控制器；

铷钟授时模块，与所述GNSS定位授时模块的所述微控制器连接，其内部设置有铷原子振荡器；

显示控制模块，用于显示经纬度和时间等定位结果、卫星信号强度、接收短信内容、设备自检状况和告警指示等，与所述微控制器连接，包括显示屏、指示灯、按键、开关和CPU；

数据交换扩展模块，与所述微控制器连接，用于提供NTP网络时间同步服务以及接收并转发主控或者远控串口的信号到显示控制模块中的CPU，包括接口转换器、串口模块和NTP网络模块；

1PPS/B码分路切换模块，与所述铷钟授时模块连接，用于接收经GNSS定位授时模块校准后的1PPS或者直流B码并通过数据交换扩展模块送至各路外部接口；以及

电源模块，用于为所述主机单元的工作提供电源。

2.根据权利要求1所述的基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，其特征在于，所述串口模块的串口电平转换芯片均采用RS422电平转换芯片。

3.根据权利要求1所述的基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，其特征在于，所述RDSS通信模块通过串行数据接口与显示控制模块通信连接。

4.根据权利要求1所述的基于卫星授时的可驯服铷原子钟同步时钟设备，其特征在于，所述LNA放大器组包括用于接收并放大所述GNSS接收天线输出信号的第一LNA放大器、用于接收并放大所述RDSS接收天线输出信号的第二LNA放大器。