CN212278244U

CN212278244U - 一种基于卫星共视的高精度网络授时装置

Info

Publication number: CN212278244U
Application number: CN202021596193.9U
Authority: CN
Inventors: 张思德
Original assignee: Beijing Navcompass Science & Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Navcompass Science & Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2030-08-04

Abstract

本实用新型公开了一种基于卫星共视的高精度网络授时装置，包括GNSS测量型天线、卫星共视模块、铷钟驯服模块、IRIG‑B授时模块、NTP授时模块、PTP授时模块、交流转直流供电模块、按键以及显示屏，卫星共视模块通过低损耗同轴电缆连接GNSS测量型天线，卫星共视模块与铷钟驯服模块双向数据连接，卫星共视模块通过CAN总线连接按键，卫星共视模块连接显示屏，本实用新型采用了铷原子钟的卫星共视高精度时统设备，准确度优于1E‑12/天，整个体积功耗相对于采用铯原子钟的设备有较大的优势，而且价格低廉，利于工程化应用。

Description

一种基于卫星共视的高精度网络授时装置

技术领域

本实用新型涉及授时装置技术领域，具体为一种基于卫星共视的高精度网络授时装置。

背景技术

当今电子技术日新月异的发展，时间同步得到了越来越重要的应用。时间码作为一种重要的时间同步传输的方式，以其实际优越性能，成为时统设备首选的标准码型，广泛的应用到电信、电力、军事等重要行业或部门。现代高精度的时间比对技术是随着技术的进步和时间服务精度的不断提高而逐步发展起来的，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，它涉及信息传递、电力输配、深空探测、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测预报、地质矿产勘探、计量测试等诸多技术领域，甚至关系到交通运输、金融证券、邮电通信、能源等国计民生重要部门的诸多方面，直接关系着国家和社会的安全与稳定。

随着原子频标性能的快速提高对远程时间比对技术的要求也越来越高，卫星双向比对方法是目前比对精度最高的一种比对手段，为了进一步的提高比对精度，就需要对卫星双向比对系统的稳定性做详细的研究显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于卫星共视的高精度网络授时装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于卫星共视的高精度网络授时装置,包括GNSS测量型天线、卫星共视模块、铷钟驯服模块、IRIG-B授时模块、NTP授时模块、PTP授时模块、交流转直流供电模块、按键以及显示屏，所述卫星共视模块通过低损耗同轴电缆连接GNSS测量型天线，所述卫星共视模块与铷钟驯服模块双向数据连接，所述卫星共视模块通过CAN总线连接按键，所述卫星共视模块连接显示屏。

优选的，所述IRIG-B授时模块分别连接RS422总线和CAN总线，所述NTP授时模块、PTP授时模块分别连接RS422总线和CAN总线，所述交流转直流供电模块分别与卫星共视模块、铷钟驯服模块、IRIG-B授时模块、NTP授时模块、PTP授时模块电性连接。

优选的，所述卫星共视模块包括高精度导航接收机A、高精度导航接收机B、时间间隔测量模块A、时间间隔测量模块B，所述高精度导航接收机A通过网络连接高精度导航接收机B，所述高精度导航接收机A分别连接待校准原子钟和时间间隔测量模块A，所述待校准原子钟连接时间间隔测量模块A；所述高精度导航接收机A还连接GNSS测量型天线A；所述高精度导航接收机B分别连接UTC基准NIM和时间间隔测量模块B，所述UTC基准NIM连接时间间隔测量模块B，所述高精度导航接收机B还连接GNSS测量型天线B。

优选的，所述卫星共视模块还分别与国家标准原子时的共视数据模块和用户远程控制模块连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用了铷原子钟的卫星共视高精度时统设备，准确度优于1E-12/天，整个体积功耗相对于采用铯原子钟的设备有较大的优势，而且价格低廉，利于工程化应用。

附图说明

图1为本实用新型控制原理框图；

图2为本实用新型卫星共视模块原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种基于卫星共视的高精度网络授时装置,包括GNSS测量型天线1、卫星共视模块2、铷钟驯服模块3、IRIG-B授时模块4、NTP授时模块5、PTP授时模块6、交流转直流供电模块7、按键8以及显示屏9，所述卫星共视模块2通过低损耗同轴电缆连接GNSS测量型天线1，所述卫星共视模块2与铷钟驯服模块3双向数据连接，所述卫星共视模块2通过CAN总线连接按键8，所述卫星共视模块2连接显示屏9；卫星共视模块2还分别与国家标准原子时的共视数据模块和用户远程控制模块连接。

本实用新型中，IRIG-B授时模块4分别连接RS422总线和CAN总线，所述NTP授时模块5、PTP授时模块6分别连接RS422总线和CAN总线，所述交流转直流供电模块7分别与卫星共视模块2、铷钟驯服模块3、IRIG-B授时模块4、NTP授时模块5、PTP授时模块6电性连接。

本实用新型中，卫星共视模块2包括高精度导航接收机A10、高精度导航接收机B11、时间间隔测量模块A12、时间间隔测量模块B13，所述高精度导航接收机A10通过网络连接高精度导航接收机B11，所述高精度导航接收机A10分别连接待校准原子钟14和时间间隔测量模块A12，所述待校准原子钟14连接时间间隔测量模块A12；所述高精度导航接收机A10还连接GNSS测量型天线A15；所述高精度导航接收机B11分别连接UTC基准NIM16和时间间隔测量模块B13，所述UTC基准NIM16连接时间间隔测量模块B13，所述高精度导航接收机B11还连接GNSS测量型天线B17。

卫星共视为两地的原子钟建立起联系，通过时差的远程比对实现二者频率偏差保持一致。

采用卫星共视观测时，不但需要接收机具有较高的伪距和载波测量精度，还需要研究电离层、对流层、相对论效应等对测距带来的误差，只有具有更好的误差修正模型与算法，才能较准确地计算本地原子钟和卫星时间之间的时差。下述公式可计算本地原子钟和卫星之间的时差：

其中t_clock为本地时钟时间；

t_sat为卫星时间

为伪距观测量，已经过电离层延迟修正

为卫星坐标

为用户坐标

S为Sagnac效应引起的误差

Δt_rel为相对论效应引起的误差

Δt_tropo为对流层延迟

GD为组延迟带来的误差

通过对以上各类误差建立模型，准确计算本地原子钟和卫星时间的差值，再对数据进行最小二乘法作二次曲线拟合得到滤波后的数据，由此可获得参考端A和用户端B，本地原子钟和卫星时间的最终时差ΔtA、ΔtB。

原子钟作为时间频率源，因存在频率漂移而具有短期稳定度高、长期稳定度差的特点，所以需要对原子钟进行实时校准，以达到提高原子钟长期稳定度的目的。卫星共视原理它具有复杂的数据处理算法、数据滤波等技术。

通过前期对北斗共视法远程较频系统的研究，我们拟采用PID自整定算法计算频率偏差实现对原子钟的控制与较频。

PID控制是工业中常用的一种控制方法，当被控对象的结构和参数不能被完全掌握或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时最方便应用PID控制技术。

PID算法的核心就是通过调整误差控制量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。在不同阶段采用不同的比例、积分和微分的参数，对控制量进行调整。

MV(t)＝P_out+I_out+D_out

P_out＝K_pe(t)Kp为比例控制量，e(t)为频率

Ki为积分控制量，e(τ)为时差变量

Kd为微分控制量

比例控制(P)能迅速调整原子钟的频差，但会导致稳定度变差，积分控制(I)的作用是改变时差，只有系统存在误差，积分控制作用就不断积累，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调过大，甚至使系统出现震荡。微分控制(D)可以减少超调量，克服震荡使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。需通过积累大量的试验数据，了解原子钟的特性，采用PID控制，可有效地、快捷地校准本地原子钟的频率偏差，使之与参考钟保持一致。

对于待校准原子钟频率偏差的计算，我们通过共视法原理所计算的一系列的两地时差，可获得A和B两地的原子钟时差Δt_ABi，由此可计算出两台原子钟之间的相对平均频率偏差：

系统要根据计算结果利用铷钟的频率综合器对实时铷钟频率进行控制。相对频率偏差计算步骤如下：

1)对共波束、共时条件下两地的时间测量数据进行平差、滤波等预处理，在扣除各种系统性误差之后，求出归算时刻两地原子钟的钟差Δt_ABi；

2)利用M个Δt_ABi求一平均点，并过该点作一拟合直线，令y(t)＝Δt_ABi，则平均点坐标为

该直线方程可以表示成

误差方程为

法方程

解得拟合直线的斜率为：

由斜率k即可得出两地原子钟的相对频率偏差。

通过卫星共视方法，在本装置中可计算出一段时间内的铷原子钟相对于标准原子时的相位偏差和频率偏差及频率漂移，然后我们对铷原子钟进行驯服调整，可获得溯源至国家标准原子时的标准时间。

通过卫星共视法驯服铷原子钟并溯源至国家标准原子时后，可为所有授时模块提供时间和频率基准信号。各模块可输出高精度的时间码信号，即可供客户时码设备进行解析还原时间精度。

综上所述，本实用新型采用了铷原子钟的卫星共视高精度时统设备，准确度优于1E-12/天，整个体积功耗相对于采用铯原子钟的设备有较大的优势，而且价格低廉，利于工程化应用。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于卫星共视的高精度网络授时装置,其特征在于：包括GNSS测量型天线(1)、卫星共视模块(2)、铷钟驯服模块(3)、IRIG-B授时模块(4)、NTP授时模块(5)、PTP授时模块(6)、交流转直流供电模块(7)、按键(8)以及显示屏(9)，所述卫星共视模块(2)通过低损耗同轴电缆连接GNSS测量型天线(1)，所述卫星共视模块(2)与铷钟驯服模块(3)双向数据连接，所述卫星共视模块(2)通过CAN总线连接按键(8)，所述卫星共视模块(2)连接显示屏(9)。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星共视的高精度网络授时装置，其特征在于：所述IRIG-B授时模块(4)分别连接RS422总线和CAN总线，所述NTP授时模块(5)、PTP授时模块(6)分别连接RS422总线和CAN总线，所述交流转直流供电模块(7)分别与卫星共视模块(2)、铷钟驯服模块(3)、IRIG-B授时模块(4)、NTP授时模块(5)、PTP授时模块(6)电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于卫星共视的高精度网络授时装置，其特征在于：所述卫星共视模块(2)包括高精度导航接收机A(10)、高精度导航接收机B(11)、时间间隔测量模块A(12)、时间间隔测量模块B(13)，所述高精度导航接收机A(10)通过网络连接高精度导航接收机B(11)，所述高精度导航接收机A(10)分别连接待校准原子钟(14)和时间间隔测量模块A(12)，所述待校准原子钟(14)连接时间间隔测量模块A(12)；所述高精度导航接收机A(10)还连接GNSS测量型天线A(15)；所述高精度导航接收机B(11)分别连接UTC基准NIM(16)和时间间隔测量模块B(13)，所述UTC基准NIM(16)连接时间间隔测量模块B(13)，所述高精度导航接收机B(11)还连接GNSS测量型天线B(17)。

4.根据权利要求1所述的一种基于卫星共视的高精度网络授时装置，其特征在于：所述卫星共视模块(2)还分别与国家标准原子时的共视数据模块和用户远程控制模块连接。