专利名称：提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域中的卫星定时技术，尤其涉及提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法。
背景技术：
目前应用较为广泛的卫星导航系统有全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONASS)以及北斗导航系统。它们均利用导航卫星进行测时和测距，能够在海、陆、空进行全方位实时的三维导航与定位。由于它们具有精度高、全天候、覆盖范围广等特点，卫星导航系统在精密导航、指挥和调度等方面发挥了十分重要的作用。
具体而言，卫星导航系统的主要用途是导航定位和定时。只要装备有卫星接收机的用户，便能够全天候、实时地接收空间卫星发出的信号，从而获得精确的导航定位信息和精确的时间信息，其中时间信息包含年、月、日、时、分、秒以及卫星时间同步脉冲信号，即1PPS(秒脉冲)信号等。由于卫星上都安装有铯原子钟，因而具有很高的频率精度和时间精度。
在无线通信领域中，任何设备都需要时钟为其提供工作频率，所以时钟性能是影响设备性能的一个重要因素。通常通过提高外部同步信号的质量来提高时钟的性能。常规的产生时钟频率的方法是利用晶体和原子钟。但是晶体会老化，易受外界环境变化的影响，长期的精度漂移影响其输出的频率；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定期校准，因此两者均不能够提供高质量的外部同步信号。而卫星系统定期对自身时钟系统进行修正，所以它们的时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感的特性。目前许多产品都将卫星信号作为外部同步信号，获取准确频率、实现精确定时。各产品的本地时钟以卫星时钟为参考，尽可能与卫星保持时间同步。通常的做法是卫星卡接收卫星的1PPS和绝对时间信息后，将接收到的信息转发给系统，再由系统作相应的处理，从而实现整个网络的时间同步。
当卫星卡接收天线受地球磁场干扰或天气的影响而暂停工作时，卫星信号会暂时丢失。为了不中断使用卫星信号的系统的工作，可以利用本地时钟来跟踪卫星的时钟信号，实现对卫星时间同步脉冲的保持功能，以便系统在失去卫星信号后还能够正常工作一段时间。通常，保持时间的长短是由本地时钟的频率准确度决定的。
通信设备通常选用晶振作为本地时钟。在规定条件下，晶振的输出频率相对于标称频率的允许偏离值称为是该晶振的频率准确度。为了提高本地时钟相对于卫星时钟信号的保持性能，就需要提高晶振的频率准确度，即选用一个性能较好的晶振作为本地时钟源。晶振可以分为普通晶振(PXO)、温补晶振(TCXO)、压控晶振(VCXO)和恒温晶振(OCXO)等。其中普通晶振是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，一般用于普通场所中的振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品；温补晶振在晶振内部采取了对晶体频率-温度特性进行补偿的措施，以达到在较宽的温度范围内满足稳定度的要求，由于其良好的开机特性、功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获得了广泛应用；压控晶振是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调，其频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数的组合；恒温晶振采用精密控温，使电路元件及晶体工作在该晶体的零温度系数点的温度上，中精度产品的频率稳定度约为10-7～10-8，高精度产品的频率稳定度在10-9量级以上，主要用作频率源或标准信号。考虑到各种晶振的性能及成本，一般选择恒温晶振作为本地时钟源。
如图1所示，本地时钟与卫星时间同步脉冲信号保持同步的方法是恒温晶振输出的时钟信号分成两路，一路经过分频器产生本地1PPS信号，另一路用作1Hz鉴相模块的计数时钟，即控制相邻两次鉴相的时间间隔。由于分频器的实现方式为计数分频，分频器中的计数器从计数初值开始减1计数，当计数值为某一数值时，分频器的输出信号状态改变，因此经过分频得出的本地1PPS信号的相位可以通过调整分频器的计数初值而改变。分频出的本地1PPS信号与卫星1PPS信号在1Hz鉴相模块中进行鉴相，CPU读取两者的相位差后调整分频器的计数初值，从而调整本地1PPS信号的相位，实现本地1PPS信号跟踪卫星1PPS信号。另外，卫星1PPS信号输入到1PPS信号丢失检测模块中，通过该模块向CPU提供卫星时间同步脉冲是否丢失的信息。而本地1PPS信号输入到CPU的目的是方便CPU利用1PPS进行计时。当恒温晶振输出频率较低的时钟信号时，可以在本方案的恒温晶振与分频模块之间增加倍频模块，以提高本地1PPS信号跟踪卫星1PPS信号的效果。
上述方案通过分频器的相位校正后，虽然能够在一定程度上使本地1PPS对齐卫星的1PPS信号，但是上述方案单位时间内本地1PPS信号与卫星1PPS信号的相位偏差比较大，其仅仅是在本地1PPS信号与卫星1PPS信号两者之间的相位偏差大到预先设定的相位校正门限时，强制校正本地1PPS信号，使得本地1PPS信号与卫星1PPS信号两者同相，并没有从源头上控制本地1PPS信号与卫星1PPS信号的相位偏差。由此可见，上述方案对卫星时间同步脉冲的保持性能仍然较低。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法，减小相差增加的速率，在相同的相差容限下，减小单位时间内本地1PPS相位校正的次数，大大延长本地1PPS信号对卫星时间同步脉冲的相位保持时间。
为解决上述技术问题，本发明是通过采用如下技术方案来实现
本发明一种提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法，其包括以下步骤A1.CPU设置相差校正门限；B1.CPU根据相差校正门限调整本地秒脉冲的相位；该方法还包括以下步骤C1.CPU设置相差变化速率的校正门限；D1.CPU计算相差变化的速率值；E1.CPU判断相差变化的速率值是否大于或等于相差变化速率的校正门限，如果是，则执行步骤F1，否则，返回执行步骤D1；F1.CPU根据相差变化的速率值调整分频器的模。
根据该方法，步骤D1所述CPU计算相差变化的速率值的方法为对一组相差变化的速率求平均值，该平均值即为相差变化的速率值。
根据该方法，所述的步骤B1包括以下步骤B11.CPU读取本地秒脉冲与卫星秒脉冲的相差；B12.CPU判断相差是否大于或等于相差校正门限，如果是，则执行步骤B13，否则，返回执行步骤B11；B13.CPU校正本地秒脉冲的相位，校正量等于相差校正门限。
根据该方法，所述的步骤D1包括以下步骤D11.CPU每秒读取本地秒脉冲与卫星秒脉冲两者之间的相差；D12.CPU建立先入先出存储器；D13.CPU在先入先出存储器中记录并存储一组本地秒脉冲与卫星秒脉冲两者之间的相差；D14.CPU计算所述一组相差的相邻相差变化量；D15.CPU根据单位时间内的相邻相差变化量计算出相差变化的速率值。
根据该方法，步骤D15所述CPU计算相差变化的速率值的方法为根据步骤D14所述相邻相差变化量计算出单位时间内的相邻相差变化量，对所述单位时间内的相邻相差变化量求平均值，该平均值即为相差变化的速率值。
根据该方法，在计算单位时间内的相邻相差变化量的平均值时，可以滤除最大和最小的相邻相差变化量。
根据该方法，其还包括以下步骤步骤G1.清空先入先出存储器存储的相差。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果1.本发明在现有的实现卫星时间同步脉冲保持功能的硬件基础上增加少量软件算法，不增加任何硬件模块，因此硬件结构较为简单，同时成本较低；2.本发明的软件算法较为简单，易于实现；3.本发明通过调整本地1PPS脉冲分频器的模，来补偿恒温晶振老化频率偏差量对本地1PPS脉冲相位偏移的负面影响，从而从根本上大大降低单位时间内本地1PPS脉冲相对卫星1PPS脉冲的相位偏移，在相同的相差容限下，减小单位时间内本地1PPS相位校正的次数，增加本地1PPS的保持时间。
图1为卫星时间同步脉冲保持性能实现原理图。
图2为在没有相位校正和模校正时，本地1PPS和卫星1PPS信号相差-时间的关系图。
图3为存在相位校正的情况下，本地1PPS和卫星1PPS信号相差-时间的关系图。
图4为经过分频器的模校正后，本地1PPS和卫星1PPS信号相差-时间的关系图。
图5为本发明具体实施例的流程图。
具体实施例方式
为使本发明所要解决的技术问题、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步的详细说明。
本发明为提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法，其基本思想是利用恒温晶振短时间内的输出频率固定的特性，针对图1中的硬件增加少量软件算法，通过分频器的模校正技术从源头上解决本地1PPS和卫星1PPS的相差累积问题，减小相差增加的速率，在相同的相差容限下，减小单位时间内本地1PPS相位校正的次数，增加本地1PPS的保持时间。
下面对实现本发明的基本理论依据进行详细描述。
由于恒温晶振的短期稳定性很好，在短时间内可以近似认为恒温晶振的输出频率是固定的。但是恒温晶振的实际输出频率不可能绝对等于其标称频率，两者之差记做ΔF。在短时间内可以认为ΔF是恒定的。由于信号的相位是频率的积分，因此如果没有CPU对分频器的相位校正和模校正，如图2所示，本地1PPS和卫星1PPS的相差将会随着时间线性增加，并最终超出系统的相差容限。当本地1PPS与卫星1PPS的相差超过相差容限时，两信号不能够保持同步关系，这对于使用本地1PPS作为标准时钟源和频率源的系统而言，意味着上述系统无法正常工作。
在本实施例中，系统设置一个小于相差容限的相差校正门限，图3所示是在存在相位校正的情况下本地1PPS和卫星1PPS信号相位-时间关系图，当本地1PPS与卫星1PPS之间的相位差达到相差校正门限时，根据相差校正门限校正本地1PPS的相位，使本地1PPS与卫星1PPS同相。
假设恒温晶振实际频率是F(Hz)，标称频率是F0(Hz)，定义ΔF＝|F-F0|。如果分频器的模是F0，那么实际上分频器的周期是F0/F(秒)，而不是理想的1秒。则每秒的相位偏差量就是ΔΦ＝1-F0/F。
ΔΦ决定了在没有相位校正的情况下，本地1PPS偏离卫星1PPS的快慢程度。由此可知，要想增强本地1PPS的保持性能，除了在相差达到一定相差校正门限时通过相位校正缩小相差之外，还可以通过降低ΔΦ来实现。因为恒温晶振的实际频率F和标称频率都是不可更改的参数，所以只有从本地分频器入手，使本地分频器的模不是F0而是F，这样本地分频器的周期就是F/F＝1秒，这样ΔΦ＝1-F/F＝0。这样即使在没有相位校正的情况下，本地1PPS偏离卫星1PPS的速率也会大大降低，从而达到增强本地1PPS相位保持能力的目的。通过模校正，达到从源头上解决本地1PPS保持能力低的问题。
如图5所示，本发明具体实施例的一种提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法包括以下步骤步骤501CPU设置相差校正门限及相差变化速率的校正门限。
本步骤中CPU设置相差校正门限的数值，作为后续步骤中判断是否需要进行分频器的相位校正的标准；CPU设置相差变化速率的校正门限，作为后续步骤中判断是否需要进行分频器的模校正的标准。
步骤502CPU每秒读取本地1PPS与卫星1PPS的相位差ΔΦi。
本地1PPS与卫星1PPS在1Hz鉴相模块中鉴相后，CPU每秒从鉴相模块的输出端读取两者的相位差。
步骤503CPU判断相差是否大于或等于相差校正门限，如果是，则执行步骤504；否则返回执行步骤502。
步骤504CPU校正本地1PPS的相位，校正量等于相差校正门限。
本步骤CPU校正本地1PPS信号相位的具体过程是CPU根据相差校正门限的数值计算并调整分频器的计数初值，使得本地1PPS信号的相位接近卫星1PPS信号的相位。
本发明的创作点在于接步骤502之后，该方法还包括以下步骤步骤513CPU在FIFO中记录并存储来自步骤502的N+1个相位差。
在CPU中建立一个深度为N+1的FIFO存储器，用于记录并存储本地1PPS与卫星1PPS的相位差。CPU记录并存储N+1个从鉴相模块的输出端读取本地1PPS与卫星1PPS两者之间的相位差，即ΔΦ0、ΔΦ1、ΔΦ2、......、ΔΦN。FIFO存储器的特性是只保留最新的数据。具体而言，FIFO存储器按时间先后顺序存放各个相差，时间上较早的相差放在前面，而后来的相差则放在后面，在存储的相差个数达到其深度后，此时再放入新来的相差时，FIFO存储器将丢弃最前面的相差。因此FIFO存储器中记录并存储的永远是最新的相差。
步骤514CPU计算相差变化的平均速率值。
CPU计算相差变化速率，相差变化速率即是分频器的模需要调整的量。相差变化速率等于单位时间内的相差变化量。CPU首先计算相邻相差之差ΔΦi-ΔΦi-1，由于CPU是每秒从鉴相模块的输出端读取本地1PPS与卫星1PPS的相位差，因此，相差变化速率等于相邻相差之差，即相差变化速率＝ΔΦi-ΔΦi-1/1＝ΔΦi-ΔΦi-1。
为了准确地求得分频器的模校正量，通过对N组相邻相差之差(ΔΦi-ΔΦi-1)求平均值的方式可以减小随机相位噪声的干扰导致的误差，所以通过对N组相邻相差之差求平均值得出相差变化的平均速率值，即相差变化的平均速率值＝(|ΔΦ1-ΔΦ0|+|ΔΦ2-ΔΦ1|+...+|ΔΦN-ΔΦN-1|)/N另外，由于相位校正会造成本地1PPS的相位跳变，为更加准确地求得相差变化的平均速率值，需要把这个因素剔除，因此，在计算相差变化的平均速率值时，可以考虑滤除若干个最大和最小的“相邻相差之差”。
步骤515CPU判断相差变化的平均速率值是否大于或等于相差变化速率的校正门限，如果是，则执行步骤516，否则，返回执行步骤513。
步骤516CPU根据相差变化的平均速率值调整分频器的模。
本步骤中CPU根据计算出的相差变化的平均速率值的数值校正分频器的模，校正量等于相差变化的平均速率值(|ΔΦ1-ΔΦ0|+|ΔΦ2-ΔΦ1|+...+|ΔΦN-ΔΦN-1|)/N。
步骤517清空FIFO存储器内存储的相差。
本实施例中，当本地1PPS与卫星1PPS的相位偏差变化速率大于或等于相差变化速率的校正门限时，CPU对分频器进行模校正，校正量等于相差变化的平均速率值。如果恒温晶振实际频率不是整数个Hz，那么分频器的模校正就不能彻底解决问题，因为模校正只能校正整数个Hz的频率偏差，剩下的频率偏差和标称频率相比可以忽略(例如在100,000,000标称频率下，这个误差最大值为10E-8.)，对相差的影响是很小的，这个频率偏差造成的相差累积就是本地1PPS的相位不能永久保持的根源(如图4中的相位偏移曲线斜率不为0)。但是通过分频器的模校正，已经在很大程度上减小了相差增加的速率，可以大大提高本地1PPS对卫星1PPS信号的保持性能了。所以本实施例中的技术方案通过相位校正并辅助分频器的模校正，使系统在工作很长一段时间后仍然能够较好地保持本地1PPS与卫星1PPS的同步。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法，其包括以下步骤A1.CPU设置相差校正门限；B1.CPU根据相差校正门限调整本地秒脉冲的相位；其特征在于，该方法还包括以下步骤C1.CPU设置相差变化速率的校正门限；D1.CPU计算相差变化的速率值；E1.CPU判断相差变化的速率值是否大于或等于相差变化速率的校正门限，如果是，则执行步骤F1，否则，返回执行步骤D1；F1.CPU根据相差变化的速率值调整分频器的模。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D1所述CPU计算相差变化的速率值的方法为对一组相差变化的速率求平均值，该平均值即为相差变化的速率值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤B1包括以下步骤B11.CPU读取本地秒脉冲与卫星秒脉冲的相差；B12.CPU判断相差是否大于或等于相差校正门限，如果是，则执行步骤B13，否则，返回执行步骤B11；B13.CPU校正本地秒脉冲的相位，校正量等于相差校正门限。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤D1包括以下步骤D11.CPU每秒读取本地秒脉冲与卫星秒脉冲两者之间的相差；D12.CPU建立先入先出存储器；D13.CPU在先入先出存储器中记录并存储一组本地秒脉冲与卫星秒脉冲两者之间的相差；D14.CPU计算所述一组相差的相邻相差变化量；D15.CPU根据单位时间内的相邻相差变化量计算出相差变化的速率值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤D15所述CPU计算相差变化的速率值的方法为根据步骤D14所述相邻相差变化量计算出单位时间内的相邻相差变化量，对所述单位时间内的相邻相差变化量求平均值，该平均值即为相差变化的速率值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在计算单位时间内的相邻相差变化量的平均值时，可以滤除最大和最小的相邻相差变化量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤步骤G1.清空先入先出存储器存储的相差。
全文摘要
本发明公开一种提高卫星时间同步脉冲保持性能的方法，其包括CPU设置相差校正门限及相差变化速率的校正门限，并根据相差校正门限调整本地秒脉冲的相位；CPU在FIFO中记录并存储一组本地秒脉冲和卫星秒脉冲的相差；CPU计算本地秒脉冲和卫星秒脉冲的相差变化的平均速率值；CPU判断相差变化的平均速率值是否大于或等于相差变化速率的校正门限，如果是，则执行下一步骤，否则，返回执行上两步骤；CPU根据相差变化的平均速率值调整分频器的模。本发明通过增加分频器的模校正，从源头上解决本地1PPS和卫星1PPS的相差累积问题，减小相差增加的速率，在相同的相差容限下，减小单位时间内本地1PPS相位校正的次数，增加本地1PPS的保持时间。
文档编号H04B7/185GK1909410SQ20061006210
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月11日 优先权日2006年8月11日
发明者马全红, 张孝铁 申请人:华为技术有限公司