一种基于北斗的时钟驯服及授时方法与流程

1.本技术涉及硬件授时技术领域，特别是涉及一种基于北斗的时钟驯服及授时方法。


背景技术：

2.北斗、gps（global navigation satellite system）、glonass是分别由中国、美国和俄罗斯建立的全球卫星导航定位系统。“北斗”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统，又称“双星定位”系统或“北斗一号”卫星导航系统，该系统采用同步轨道卫星进行导航定位，具有很强的授时能量，授时服务范围包括我国国土和东南亚地区，随着2003年5月25日“北斗一号”系统的第3颗卫星成功发射升空，“北斗一号”系统开始全面为各种用户提供稳定和可靠的定位、通信和授时应用，卫星授时由于覆盖面广，精度高，成本相对较低等优点得到广泛的应用，然而卫星距离地面上万公里，信号传输易受干扰，且目前常用的卫星授时多为双向授时，定位和授时的解算时间较长，授时精度较差，目前，常用的授时驯服系统在无卫星信号或卫星信号故障时，不能在短时间内保持授时的精度和稳定性，适用范围有限，用户的体验性较差。
3.随着科学技术的发展，高精度的时间和频率传递在国民经济发展中的地位日趋重要。在国民经济建设和高新技术产业诸如通信、电力、交通、高速数字网同步等领域有着广泛的应用。近年来，随着国防和空间技术的发展，对高精度时间和频率传递提出了更高的要求。特别是sdh（同步数字体系）通信网的时间同步和频率校准，空中目标的探测和拦截(类似美国爱国者导弹系统)，对时间和频率传递精度要求达纳秒量级。但是，国内很多设备厂商的技术难以达到纳秒量级精度的时间传递设备的技术要求，其需求主要依赖进口，且价格昂贵，随着我国北斗二代系统的建立，可以利用北斗二号卫星导航系统采用双机共视的方法进行时间传递，其双机共视授时差精度可达1.67纳秒，填补了国内空白。
4.对于应用我国北斗二代卫星导航系统进行高精度双机共视授时，对解决我国的通信和国防建设事业对高精度时间同步的需求具有非常重要意义。
5.本技术的目的旨在为解决上述背景技术中的至少一种或其他相关技术问题。


技术实现要素：

6.旨在解决现有技术中存在的包括背景中存在的因时间传递设备精度不足导致我国在通信、电力、交通、高速数字网同步等领域无法进行高精度时间和频率同步而产生的问题，提供一种基于北斗的时钟驯服及授时方法，可在卫星失锁或故障窗口期内实现不同地点用户时钟的精确授时，精度达到纳秒级。
7.一种基于北斗的时钟驯服及授时方法，包括下述步骤：1)移动站与基准站同时观察同一颗或同一组北斗卫星；2)移动站和基准站分别接收并解析标准时钟源发送的时钟信号，获取时间信息，所述时间信息包括时钟差；
3)通过低频无线信号发送时间信息并以时钟差对移动站进行授时操作；4)卫星失锁或故障后，立即启动移动站和基准站的fpga和dsp并凭借授时时间计数器和内部守时计数器以计数值与授时时间同步的形式完成授时操作a，直至卫星失锁或故障排除，重复步骤1)-3)并以时钟差对移动站进行授时操作b；5)对比分析授时操作a终末时与授时操作b起始时的时钟差异，以此时钟差异训练授时时间计数器和内部守时计数器，目标是降低所述时钟差异至0，完成对卫星失锁或故障窗口期内的授时。
8.部分实施例方案里，步骤1)中北斗卫星是北斗二代卫星。
9.部分实施例方案里，步骤1)中移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星具体包括：移动站与基准站装备包含北斗卫星信号跟踪和处理芯片，北斗卫星信号跟踪和处理芯片进行信号捕获处理。
10.部分实施例方案里，步骤2)中移动站和基准站分别解析标准时钟源发送的时钟信号具体包括：对时钟信号进行信号捕捉、跟踪、解调、同步及计算。
11.部分实施例方案里，步骤2)中的时间信息包括1pps信号、tod信号及时钟差。
12.部分实施例方案里，步骤2)中计算时钟差应用下述公式：其中，δt通过伪距差分获得，其精度即为共视差精度；m、b为固定值，通过接收机内部计算得出；t
m’和t
b’分别是基准站和移动站接收器的时钟；t
m’和tb分别是比基准站的时钟和移动站的时钟多m、b的时钟；伪距的精度为不低于0.5m，时间精度是1.67ns。
13.部分实施例方案里，步骤3)中通过低频无线信号发送时间信息前还包括根据授时范围计算发射功率并以发射功率发送时间信息。
14.部分实施例方案里，步骤3)中通过低频无线信号发送时间信息具体包括：将1pps信号、tod信号及时钟差以报文方式组成数据包，通过低频无线信号发送数据包。
15.部分实施例方案里，步骤3)中通过低频无线信号发送时间信息具体包括：将1pps 信号作为基本帧，进行帧头对齐并采样，根据1pps 信号的频率发送基本帧；将tod 信号封装为数据帧，在基本帧的发送周期中间发送数据帧。
16.部分实施例方案里，步骤3)中通过时钟差对移动站进行授时包括以下步骤：(a)输出时钟差并确定用户时钟对于标准时间的偏差；(b)在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步应用差分授时。
17.部分实施例方案里，步骤4)的授时操作a具体包括：s1、移动站和基准站的fpga实时监测卫星的失锁状态，当卫星失锁或故障时，启动基准站的卫星授时模块和晶振修正模块，晶振修正模块切入到授时模式，结合卫星授时模块的内部守时计数器a和内部守时计数器b，短时间内产生稳定的1pps脉冲信号。
18.s2、基准站的处理器模块检测到1pps脉冲信号后，向晶振授时模块输入晶振频率调节信号，利用卫星授时信号与晶振信号锁频锁相实现晶振的驯服，使得晶振授时模块输出频率可调信号，处理器模块发送解除1pps闭锁信号。
19.s3、内部守时计数器a和内部守时计数器b每一帧时间同步于授时时间计数器a和授时时间计数器b一次，所述的内部守时计数器a是由射频部分的时钟信号通过fpga分频得到的计数值，一个时钟周期产生一个计数值，当计数值达到一个帧周期时间，则向内部守时
计数器b进位，同时，每一帧时间，授时时间计数器a和授时时间计数器b的计数值都置入内部守时计数器a和内部守时计数器b，计数值与授时时间同步，即正常情况下，每一帧时间，内部守时计数器a和内部守时计数器b被重置。
20.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
21.发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：在本发明实施例中，采用专用授时接收机接收标准时钟源如gps定位卫星、北斗卫星等发送的时钟信号，解析获得1pps信号、tod信号，利用伪距差分，移动站同步伪距差分，计算出两个接收机之间的精确时钟差，利用低频无线电信号将时间信息发送出去，从而精确实现了不同地点用户时钟的精确授时，精度达到纳秒级。当卫星发生不可避免的失锁或故障后，启动移动站和基准站的fpga和dsp并凭借授时时间计数器和内部守时计数器以计数值与授时时间同步的形式完成授时操作，可确保失锁或故障窗口期内的准确授时，将该授时与卫星失锁或故障排除后的授时进行对比分析，以对比分析所得的时钟差异训练授时时间计数器和内部守时计数器，能够显著的提升卫星失锁或故障窗口期内的授时精度。
22.本发明为实现上述目的而采用了上述技术方案，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
23.旨在为使得本领域技术人员更加迅速明确的了解本技术的上述和/或其他目的、特征、优点与实例，提供了部分附图，应当指出的是，构成本技术的说明书附图、示意性实施例及其说明用来提供对本技术的进一步理解，并不构成对本技术的不当限定。
24.图1为本发明方法的流程框图；图2为本发明内部守时计数器和授时时间计数器的结构框图。
具体实施方式
25.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本技术进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结果。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
26.以下以具体实施例具体描述本技术。
27.下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
28.实施例1：如图1所示，提供一种基于北斗的时钟驯服及授时方法，具体包括下述步骤。
29.1)移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星；移动站与基准站装备包含卫星信号跟踪和处理芯片，卫星信号跟踪和处理芯片进行信号捕获处理。
30.2)移动站和基准站分别接收标准时钟源发送的时钟信号，并对时钟信号进行信号捕捉、跟踪、解调、同步及计算，获取时间信息，所述时间信息包括1pps信号、tod信号及时钟差；计算时钟差应用下述公式：其中，δt通过伪距差分获得，其精度即为共视差精度；m、b为固定值，通过接收机内部计算得出；t
m’和t
b’分别是基准站和移动站接收器的时钟；t
m’和tb分别是比基准站的时钟和移动站的时钟多m、b的时钟；伪距的精度为不低于0.5m，时间精度是1.67ns。
31.3)根据授时范围计算发射功率并以发射功率发送时间信息，具体是将1pps信号、tod信号及时钟差以报文方式组成数据包，通过低频无线信号发送数据包，具体包括：将1pps 信号作为基本帧，进行帧头对齐并采样，根据1pps 信号的频率发送基本帧；将tod 信号封装为数据帧，在基本帧的发送周期中间发送数据帧。
32.4)通过低频无线信号发送时间信息并以时钟差对移动站进行授时，输出时钟差并确定用户时钟对于标准时间的偏差；在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步应用差分授时。
33.实施例2：在前述实施例的基础上，基于北斗的时钟驯服及授时方法还包括下述步骤：4)卫星失锁或故障后，立即启动移动站和基准站的fpga和dsp并凭借授时时间计数器和内部守时计数器以计数值与授时时间同步的形式完成授时操作a，具体包括：4.1)移动站和基准站的fpga实时监测卫星的失锁状态，当卫星失锁或故障时，启动基准站的卫星授时模块和晶振修正模块，晶振修正模块切入到授时模式，结合卫星授时模块的内部守时计数器a和内部守时计数器b，短时间内产生稳定的1pps脉冲信号；4.2)基准站的处理器模块检测到1pps脉冲信号后，向晶振授时模块输入晶振频率调节信号，利用卫星授时信号与晶振信号锁频锁相实现晶振的驯服，使得晶振授时模块输出频率可调信号，处理器模块发送解除1pps闭锁信号；4.3)如图2所示，内部守时计数器a和内部守时计数器b每一帧时间同步于授时时间计数器a和授时时间计数器b一次，所述的内部守时计数器a是由射频部分的时钟信号通过fpga分频得到的计数值，一个时钟周期产生一个计数值，当计数值达到一个帧周期时间，则向内部守时计数器b进位，同时，每一帧时间，授时时间计数器a和授时时间计数器b的计数值都置入内部守时计数器a和内部守时计数器b，计数值与授时时间同步，即正常情况下，每一帧时间，内部守时计数器a和内部守时计数器b被重置；直至卫星失锁或故障排除后，重复步骤实施例1中步骤1)-4)并以时钟差对移动站进行授时操作b；5)对比分析授时操作a终末时与授时操作b起始时的时钟差异，以此时钟差异训练授时时间计数器和内部守时计数器，目标是降低所述时钟差异至0，完成对卫星失锁或故障窗口期内的授时。
34.采用专用授时接收机接收标准时钟源如gps定位卫星、北斗卫星等发送的时钟信号，解析获得1pps信号、tod信号，利用伪距差分，移动站同步伪距差分，计算出两个接收机之间的精确时钟差，利用低频无线电信号将时间信息发送出去，从而精确实现了不同地点
用户时钟的精确授时，精度达到纳秒级。让卫星发生不可避免的失锁或故障后，启动移动站和基准站的fpga和dsp并凭借授时时间计数器和内部守时计数器以计数值与授时时间同步的形式完成授时操作，可确保失锁或故障窗口期内的准确授时；并将该授时与卫星失锁或故障排除后的授时进行对比分析，以对比分析所得的时钟差异训练授时时间计数器和内部守时计数器，能够显著的提升卫星失锁或故障窗口期内的授时精度。
35.应当理解的是，尽管已结合附图和具体实施方式对本发明的方案进行了描述，但上述描述并非是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可在上述记载的基础上做出不同形式的修改或变换，其结果依然属于本技术的保护范围。因此无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
36.此外，本技术未详尽描述之处均属本领域公知常识，在此不予赘述。