专利名称：一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法
技术领域：
本发明涉及一种主备卫星钟的切换方法，可用于星载卫星钟的设计和研制。
背景技术：
卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。在军事领域，卫星导航系统是实现武器平台精确导航定位和制导武器远程精确打击的关键支撑。世界各主要国家对卫星导航系统的建设和发展极为重视，美国和俄罗斯相继建成全球卫星导航系统GPS和GL0NASS，欧盟目前正在进行GALILEO(伽利略)系统建设。我国目前也在积极建设新一代卫星导航定位系统。卫星钟是卫星导航定位系统的核心，它的功能是为导航系统提供精确稳定的频率源。卫星导航定位的精度在很大程度上依赖卫星钟的性能指标。要满足用户全天候、高精度需求，其中一个重要方面是要求卫星钟能提供连续、精确的、高完善性时钟信号。一颗导航卫星通常两个卫星钟加电，一个是主卫星钟，作为导航系统的频率基准，另一个为备卫星钟。一旦主卫星钟异常或者钟信号质量恶化，需要进行主备钟切换。由于主备卫星钟之间存在频率差和相位差，主备钟切换后将造成卫星的时间发生跳变，该卫星的导航信号不能使用，必须通过运控系统地面观测和观测数据处理以及星地时间同步处理后才能使用，这样会影响用户的使用，降低导航卫星系统的性能。目前在公开的文献中，卫星主备钟切换方面的文献很少，文献《Galileo Payload 10.23MHz Master Clock Generation with a Clock Monitoring and Control Unit (CMCU)》(作者 D. Felbatch, D. Heimbuerger, P. Herre, P. Rastetter,发表于 IEEE International Frequency Control Symposium and PDAExihibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum2003 :p583 586)给出了一种欧洲伽利略卫星钟的生成方法，包括主备钟切换方式，但文中并没有关于降低钟切换带来钟差的说明，而且公开文献也没有查阅到降低导航卫星中主备钟切换所引起的钟差的方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服导航卫星主备卫星钟切换时带来的钟差导致卫星导航信号使用中断的问题，提供了一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法。本发明的技术解决方案是一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，步骤如下(I)在导航卫星的卫星钟内部设置主备两套时钟发生器，其中第一时钟发生器以第一原子钟为参考，第二时钟发生器以第二原子钟为参考，第一原子钟和第二原子钟的输出信号标称频率相同；(2)第一时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F10，第二时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F20 ;直接数字频率合成时，在相位累加器和正弦查表之间增加一级相位校准器；(3)F10信号与第一原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第一卫星钟的钟频率信号F1，另一路作为第一秒脉冲生成器的参考并通过第一秒脉冲发生器生成第一秒脉冲信号；(4)F20信号与第二原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第二卫星钟的钟频率信号F2，另一路作为第二秒脉冲生成器的参考并通过第二秒脉冲发生器生成第二秒脉冲信号； (5)采用同一个晶体振荡器作为本振分别对Fl信号和F2信号进行下变频，得到低频信号Π和低频信号f2作为相位计的两个输入，其中一个低频信号的上升沿作为相位计的启动脉冲，另一个低频信号的上升沿作为相位计的停止脉冲；相位计对两个低频信号之间的相差进行计数，计数值按一定采样频度保存到存储器中；(6)分时进行频差处理、相差处理和秒脉冲起始变化沿同步处理，三种处理循环重复进行，在频差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-I个钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差，然后对所述N-I个相差值再进行前后两两差分处理，得到N-2个相邻采样周期内钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差变化量，该相位变化量与采样周期相比得到N-2 个钟频率信号Fl和钟频率信号F2的频率差，N-2个频率差求均值后对并根据该均值对第一时钟发生器或者第二时钟发生器的频率控制字进行调整，使得两个时钟发生器产生的钟信号频率同步；在相差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-I个钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差，对此N-I个相差数据进行二次曲线拟合，得到与此N-I个相差数据均方误差最小的二次曲线方程并利用该二次曲线方程预测M个采样周期后钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差，相差预测值经系数变换得到时钟发生器中相位校准器所需调整的相位值， 并在M个采样周期后对第一时钟发生器或者第二时钟发生器进行相位校准，使得两个时钟发生器产生的钟信号相位同步；在秒脉冲起始变化沿同步处理时间段，将两个秒脉冲发生器产生的两路秒脉冲信号的起始变化沿同步。
(AF λ所述步骤(6)中频率控制字的调整量
权利要求
1.一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于步骤如下(1)在导航卫星的卫星钟内部设置主备两套时钟发生器，其中第一时钟发生器以第一原子钟为参考，第二时钟发生器以第二原子钟为参考，第一原子钟和第二原子钟的输出信号标称频率相同；(2)第一时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F10，第二时钟发生器通过直接数字频率合成的方式生成信号F20 ;直接数字频率合成时，在相位累加器和正弦查表之间增加一级相位校准器；(3)F10信号与第一原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第一卫星钟的钟频率信号F1，另一路作为第一秒脉冲生成器的参考并通过第一秒脉冲发生器生成第一秒脉冲信号；(4)F20信号与第二原子钟的输出信号进行混频、带通滤波和锁相，锁相环输出两路信号，一路作为第二卫星钟的钟频率信号F2，另一路作为第二秒脉冲生成器的参考并通过第二秒脉冲发生器生成第二秒脉冲信号；(5)采用同一个晶体振荡器作为本振分别对Fl信号和F2信号进行下变频，得到低频信号fl和低频信号f2作为相位计的两个输入，其中一个低频信号的上升沿作为相位计的启动脉冲，另一个低频信号的上升沿作为相位计的停止脉冲；相位计对两个低频信号之间的相差进行计数，计数值按一定采样频度保存到存储器中；(6)分时进行频差处理、相差处理和秒脉冲起始变化沿同步处理，三种处理循环重复进行，在频差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-I个钟频率信号Fl和钟频率信号F2 的相差，然后对所述N-I个相差值再进行前后两两差分处理，得到N-2个相邻采样周期内钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差变化量，该相位变化量与采样周期相比得到N-2个钟频率信号Fl和钟频率信号F2的频率差，N-2个频率差求均值后对并根据该均值对第一时钟发生器或者第二时钟发生器的频率控制字进行调整，使得两个时钟发生器产生的钟信号频率同步；在相差处理时间段，连续读取存储器中的N个相位计计数值，首先进行前后相位计计数值的两两差分处理及计数满程模糊处理，得到连续N-I个钟频率信号Fl和钟频率信号 F2的相差，对此N-I个相差数据进行二次曲线拟合，得到与此N-I个相差数据均方误差最小的二次曲线方程并利用该二次曲线方程预测M个采样周期后钟频率信号Fl和钟频率信号F2的相差，相差预测值经系数变换得到时钟发生器中相位校准器所需调整的相位值，并在M个采样周期后对第一时钟发生器或者第二时钟发生器进行相位校准，使得两个时钟发生器产生的钟信号相位同步；在秒脉冲起始变化沿同步处理时间段，将两个秒脉冲发生器产生的两路秒脉冲信号的起始变化沿同步。
2.根据权利要求I所述的一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于所述步骤(6)中频率控制字的调整量孝=其中AF为N-2个钟频率信号Fl和钟KAfminJ频率信号F2的频率差的均值，Afmin为由数字频率控制字的位数计算得到的频率分辨率，int()表示对0取整数。
3.根据权利要求I所述的一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于所 述步骤(6)中相位校准调整量
4.根据权利要求I所述的一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，其特征在于所述的钟频率信号及其对应的秒脉冲信号同时输出。
全文摘要
一种导航卫星主备卫星钟的无缝切换方法，首先对主备卫星钟信号进行双混频时差测量，并将相位差计数器数值按一定频度保持在存储器中，在时序逻辑控制下分时对存储器中的数据进行频差处理、相差处理和秒脉冲同步处理。在频差处理时间段，完成主备钟信号频率的同步。在相差处理时间段，完成主备钟信号相位的同步。在秒脉冲同步处理时间段，将备钟产生的秒脉冲起始变化沿与主钟的秒脉冲起始变化沿同步。主备钟均产生卫星钟频率信号和秒脉冲信号，在进行主备钟切换时，同时切换卫星钟频率信号和秒脉冲信号的输出。采用本发明方法进行主备工作钟切换时引起的卫星钟主备钟差很小，秒脉冲信号连续，可保证卫星钟主备切换时不影响导航信号连续使用的需求。
文档编号G01S19/03GK102590825SQ20121003634
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者刘家兴, 崔小准, 李懿, 米红, 董海青, 陈忠贵 申请人:北京空间飞行器总体设计部