技术特征：
1.一种基于北斗时钟信号的高精度时间同步系统，其特征在于：包括北斗时钟信号产生模块、调理整形模块、fpga可编程计数器模块、时间转换器与测量模块、差分延迟相位同步模块、闸门控制器与数据处理模块、同步结果显示模块和电源模块；所述北斗时钟信号产生模块的信号输出端连接调理整形模块的信号输入端，所述调理整形模块的信号输出端分别连接fpga可编程计数器模块的信号输入端、时间转换器与测量模块的信号输入端、差分延迟相位同步模块的信号输入端和闸门控制器与数据处理模块的信号输入端，所述fpga可编程计数器模块的信号输出端、时间转换器与测量模块的信号输出端、差分延迟相位同步模块的信号输出端同时连接闸门控制器与数据处理模块的信号输入端，所述闸门控制器与数据处理模块的信号输出端分别连接调理整形模块的信号输入端和同步结果显示模块的信号输入端；所述北斗时钟信号产生模块采用北斗星载铷原子钟，用于产生10.23mhz频率信号和1pps时间信号即北斗时钟信号；所述调理整形模块由触发器74ls375n芯片、反相器74ls04n芯片、逻辑与门74ls08d芯片组成，用以将北斗时钟信号转换为北斗线脉冲信号，所述触发器74ls375n芯片的信号输入端和逻辑与门74ls08d芯片的a信号输入端同时连接北斗时钟信号产生模块的信号输出端，所述触发器74ls375n芯片的信号输出端连接反相器74ls04n芯片的信号输入端，所述反相器74ls04n芯片的信号输出端连接逻辑与门74ls08d芯片的b信号输入端，所述逻辑与门74ls08d芯片的信号输出端为调整整形模块的信号输出端；所述fpga可编程计数器模块采用cyclone iv芯片ep4ce75，用以产生可编程计数器和74ls系列芯片的逻辑功能，实现北斗线脉冲信号之间的时间间隔测量；所述时间转换器与测量模块由电流源tny264pn芯片、开关2n7002芯片、小电容2220 x7r芯片、mos管2sa1615 a1615芯片和集成有数模转换器的单片机msp430f248芯片组成，用于fpga可编程计数器模块部分量化误差时间间隔的测量，所述电流源tny264pn芯片的信号输入端连接调理整形模块的信号输出端，所述电流源tny264pn芯片的信号输出端连接开关2n7002芯片的信号输入端，所述开关2n7002芯片的信号输出端连接小电容2220 x7r芯片的信号输入端，所述小电容2220 x7r芯片的信号输出端连接mos管2sa1615 a1615芯片的信号输入端，所述mos管2sa1615 a1615芯片的信号输出端连接集成有数模转换器的单片机msp430f248芯片的信号输入端；所述差分延迟相位同步模块由差分延迟单元组、逻辑与门74ls08d芯片、锁存器74ls279n芯片和单片机msp430f248芯片组成，用于时间转换器与测量模块部分量化时间误差的测量，所述差分延迟单元组的信号输入端连接调理整形模块的信号输出端，所述差分延迟单元组的信号输出端连接逻辑与门74ls08d芯片的信号输入端，所述逻辑与门74ls08d芯片的信号输出端连接锁存器74ls279n芯片的信号输入端，所述锁存器74ls279n芯片的信号输出端连接单片机msp430f248芯片的信号输入端；所述闸门控制器与数据处理模块采用单片机msp430f248芯片，用于不同级别分辨率时间间隔测量中闸门开关信号的控制、北斗卫星1pps信号之间的时间同步调整和时间间隔测量数据的处理和计算；所述同步结果显示模块由lcd液晶显示器组成，用以输出北斗时钟信号时间同步检测的结果并进行显示；
所述电源模块用于对整个系统供电。2.一种利用权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高精度时间同步系统的同步方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1: 首先将北斗秒脉冲信号分别送入触发器74ls375n芯片的信号输入端和逻辑与门74ls08d芯片的a信号输入端，其次北斗秒脉冲信号经触发器74ls375n芯片延迟后送入反相器74ls04n芯片的信号输入端进行相位取反，然后将相位取反后的北斗秒脉冲信号送入逻辑与门74ls08d芯片的b信号输入端与原北斗秒脉冲信号进行逻辑与，最终将北斗秒脉冲信号转换为北斗线脉冲信号；步骤2: 利用fpga技术，在单片机msp430f248芯片的控制下，设立可编程计数器的参考闸门，由fpga内部时钟频率锁相倍频获得的分辨率为分辨率10ns的100mhz时基脉冲对北斗卫星1pps信号之间的时间间隔进行填充，在实际闸门时间内对所填充的时基脉冲进行计数，获得被测时间间隔的粗测值；步骤3: 在北斗时钟信号10ns级分辨率时间间隔测量的同时，利用时间转换器与测量模块对量化误差时间间隔进行测量；在单片机msp430f248芯片的控制下，利用tny264pn电流源通过2n7002开关在量化误差短时间间隔内对2220 x7r小电容进行充电，由于充电时间即量化误差时间间隔极短，所以量化误差时间间隔与小电容上的充电电压成线性关系且相等，接着通过msp430f248单片机所集成的数模转换器对小电容上的充电电压进行高速采集并同时进行电压-时间转换，进而获得量化误差时间间隔的测量值；步骤4：将10ns级分辨率的时间间隔测量结果和100ps级分辨率的时间间隔测量结果送入msp430f248单片机，在msp430f248单片机的控制下，对两个北斗卫星1pps信号之间的时间间隔进行调整，使之接近同步，然后将调整后的两个北斗卫星1pps信号送入差分延迟相位同步模块对它们之间的时间间隔进行测量；首先将调整后接近同步的两个北斗卫星1pps信号送入差分延迟单元组，其次在每个差分延迟单元后使用逻辑与门74ls08d芯片对两个北斗卫星1pps信号之间的相位重合状态进行检测并将检测结果存储在对应的锁存器74ls279n中，然后将差分延迟相位同步模块中所有锁存器74ls279n的存储数据送入msp430f248单片机进行处理，根据数据处理结果对北斗卫星1pps信号之间的时间间隔再次进行调整，最终获得优于10ps量级的高精度时间同步结果。
技术总结
本发明提供了一种基于北斗时钟信号的高精度时间同步系统及同步方法，包括北斗时钟信号产生模块、调理整形模块、FPGA可编程计数器模块、时间转换器与测量模块、差分延迟相位同步模块、闸门控制器与数据处理模块、同步结果显示模块；本发明能够大幅度提高北斗卫星与地面主控站之间的时间同步精度，任意时刻北斗卫星1pps信号之间的时间同步精度优于10ps，加强了北斗卫星导航系统的健壮性和授时服务能力。了北斗卫星导航系统的健壮性和授时服务能力。了北斗卫星导航系统的健壮性和授时服务能力。
技术研发人员：杜保强 余慧敏 沈坤 王玉明 张协衍
受保护的技术使用者：湖南师范大学
技术研发日：2021.10.12
技术公布日：2022/1/14