一种基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置及方法与流程

本发明属于光电测试领域，涉及一种基于卫星导航系统的守时、授时精度测试装置及方法。

背景技术：

时间同步就是将不同地方的时钟对准，以其中一个时间作为标准时间，将另一个时钟调整成标准时间，从而达到时钟同步。随着科学技术的发展，高精度的时间同步广泛应用于各个行业。目前卫星授时系统主要有四种，分别是美国的GPS系统、中国的北斗系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧洲旳伽利略系统。在我国境内，GPS系统和北斗系统的使用较为广泛。

根据时钟同步信号的构成，有两种不同的同步实现方法，一种为串行/并行同步方式，一种为脉冲同步方式。

串行/并行同步方式一般使用IRIG-B码(B时间码，按其信号特性可以分为交流AC码和直流DC码)，B时间码的时帧频率为1帧/s；可传递100位的信息(包括：年，月，日，时，分，秒)。各类设备每秒接收串行/并行时间信息，根据此数据流实现时钟同步。时钟同步信息数据包含了年月日时分秒等精确到秒的整秒信息。该方式相对简单，然而其最大的缺点是串行/并行接口获取的数据在传输过程中存在一定的时延，时钟同步精度较低，如需进一步提高时钟同步精度，需结合其他方式。

脉冲同步方式，每隔固定的时间接收来自卫星的信号，产生一个脉冲信号，接收装置根据此脉冲使用相应的硬件和软件处理，将本地的时钟进行调整，从而达到用户时钟的同步，在理想的情况下，脉冲的周期、频率间隔均是等时间间距的接收。脉冲同步方式相对其他方式简单、易用。该信号一般是整秒的时间脉冲，作为时钟清零标准进行设备的时钟同步。

在时间同步中最主要的指标是同步精度、守时精度。该项指标是B时间码接口终端主要指标。根据B时间码接口终端通用规范(GJB2991A-2008)，同步精度、守时精度的测量都需要被测设备可以输出标准秒脉冲，并且测试时需要一台Ⅳ型B码接口终端。实际测试中存在以下问题：

(1)Ⅳ型B码接口终端在实际使用中普及率较低，测试条件不易满足；

(2)对于无标准秒脉冲输出的设备，无有效测量手段；

(3)该测试方法只能对有脉冲同步输出的设备进行测量，且无法对串行/并行同步进行测试。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置及方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置，其特殊之处在于：包括接收天线、卫星信号接收机、接口单元、B码解调单元、主控制单元、时序机及延时PLL单元、计算机和温度补偿晶振；

所述卫星信号接收机的输入端与接收天线相连，卫星信号接收机的输出端通过接口单元分别与B码解调单元、主控制单元以及计算机相连；

所述B码解调单元通过接口单元与主控制单元相连；

所述主控制单元通过接口单元分别与被测设备以及计算机相连；

所述主控制单元在连接时序机及延时PLL单元后再通过接口单元与被测设备相连；

所述温度补偿晶振与主控制单元相连；

所述接口单元上设置有1PPS标准秒信号输出接口、B时间码输出接口和测试接口。

较佳的，上述卫星信号接收机的PPS秒脉冲精度高于10ns，脉冲宽度为100±10ms，卫星锁定时间小于1分钟。

较佳的，上述接口单元具有RS422输入输出接口、RS232输入输出接口、LVDS输入输出接口和SMA输入输出接口；所述SMA输入输出接口的延时小于5ns。

较佳的，上述温度补偿晶振的工作频率高于10MHz，频率温度稳定度为±5ppm，老化率为±5ppm/年。

较佳的，上述卫星信号接收机、接口单元、B码解调单元、主控制单元、时序机及延时PLL单元和温度补偿晶振封装于电控箱内部。

本发明还提供一种基于卫星授时系统的授时精度测试方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将接口单元的1PPS标准秒信号输出接口与被测设备的秒脉冲接口相连；将接口单元的B时间码输出接口与被测设备的B时间码接口相连；将被测设备的待测信号输出接口与接口单元的测试接口相连；

2)接收天线将接收到的卫星信号发送至卫星信号接收机，卫星信号接收机锁定多颗卫星并接收卫星发送的B时间码信号和1PPS秒脉冲信号；

3)卫星信号接收机将卫星锁定信号通过接口单元发送至计算机，计算机判断锁定的卫星数量是否大于或者等于4颗；若是，则执行步骤4)；若否，则调整接收天线的位置并返回步骤2)；

4)卫星信号接收机将卫星锁定信号和接收到的1PPS秒脉冲信号通过接口单元发送至主控制单元，卫星信号接收机将接收到的B时间码信号通过接口单元发送至B码解调单元；

5)B码解调单元将经过误码纠错或者相位自适应的B时间码信号通过接口单元发送至主控制单元，并每秒更新一次数据；

主控制单元将接收到的B时间码信号输出至时序机及延时PLL单元，在时序机及延时PLL单元内完成交直流B时间码的成形、精度对齐和延时输出控制逻辑，然后通过接口单元的B时间码输出接口输出至被测设备；

主控制单元将接收到的1PPS秒脉冲信号通过接口单元输出至被测设备；

主控制单元接收温度补偿晶振输出的时钟信号，对时钟信号进行分频作为计数器，分频后频率不低于100MHz；通过计数值计算该时刻的微秒值，分辨率不低于0.1ms；计数值每秒由1PPS秒脉冲信号进行清零；

6)被测设备接收到B时间码信号和1PPS秒脉冲信号后进行时间同步，同步完成后将待测信号通过接口单元的测试接口发送至主控制单元；

7)主控制单元记录待测信号的到达时刻，读取待测信号的B时间码得到该时刻的天、时、分、秒信息，读取计数器的计数值得到该时刻的微秒信息；主控制单元将得到的时刻信息通过接口单元发送至计算机；

8)计算机对被测设备的授时精度进行测试：

若待测信号为1PPS秒脉冲信号，则计算机读取的时刻信息的天、时、分、秒值与被测设备一致，计算机读取的时刻信息的微秒值即为被测设备的授时精度；

若待测信号为非1PPS秒脉冲信号，则计算机读取的时刻信息的天、时、分、秒值与被测设备一致，计算机读取的时刻信息的微秒值与待测信号的微秒值之差的绝对值即为被测设备的授时精度。

较佳的，上述授时精度是重复测试三次以后的最大值。

本发明还提供一种基于卫星授时系统的守时精度测试方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将接口单元的1PPS标准秒信号输出接口与被测设备的秒脉冲接口相连；将接口单元的B时间码输出接口与被测设备的B时间码接口相连；

2)接收天线将接收到的卫星信号发送至卫星信号接收机，卫星信号接收机锁定多颗卫星并接收卫星发送的B时间码信号和1PPS秒脉冲信号；

3)卫星信号接收机将卫星锁定信号通过接口单元发送至计算机，计算机判断锁定的卫星数量是否大于或者等于4颗；若是，则执行步骤4)；若否，则调整接收天线的位置并返回步骤2)；

4)卫星信号接收机将卫星锁定信号和接收到的1PPS秒脉冲信号通过接口单元发送至主控制单元，卫星信号接收机将接收到的B时间码信号通过接口单元发送至B码解调单元；

5)B码解调单元将经过误码纠错或者相位自适应的B时间码信号通过接口单元发送至主控制单元，并每秒更新一次数据；

主控制单元将接收到的B时间码信号输出至时序机及延时PLL单元，在时序机及延时PLL单元内完成交直流B时间码的成形、精度对齐和延时输出控制逻辑，然后通过接口单元的B时间码输出接口输出至被测设备；

主控制单元将接收到的1PPS秒脉冲信号通过接口单元输出至被测设备；

主控制单元接收温度补偿晶振输出的时钟信号，对时钟信号进行分频作为计数器，分频后频率不低于100MHz；通过计数值计算该时刻的微秒值，分辨率不低于0.1ms；计数值每秒由1PPS秒脉冲信号进行清零；

6)被测设备接收到B时间码信号和1PPS秒脉冲信号后进行时间同步，同步完成后断开被测设备与接口单元的连接；

被测设备独立运行规定时间后，再将被测设备的待测信号输出接口与接口单元的测试接口相连；被测设备将待测信号发送至主控制单元；

7)主控制单元记录待测信号的到达时刻，读取待测信号的B时间码得到该时刻的天、时、分、秒信息，读取计数器的计数值得到该时刻的微秒信息；主控制单元将得到的时刻信息通过接口单元发送至计算机；

8)计算机对被测设备的守时精度进行测试：

若待测信号为1PPS秒脉冲信号，则计算机读取的时刻信息的天、时、分、秒值与被测设备一致，计算机读取的时刻信息的微秒值即为被测设备的守时精度；

若待测信号为非1PPS秒脉冲信号，则计算机读取的时刻信息的天、时、分、秒值与被测设备一致，计算机读取的时刻信息的微秒值与待测信号的微秒值之差的绝对值即为被测设备的守时精度。

较佳的，上述守时精度是重复测试三次以后的最大值。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用记录待测信号到达时刻的方式进行计算守时、授时精度。提供了一种测试过程简单，易于工程实现的基于GPS/北斗系统的守时、授时精度测试系统及方法。

(2)本发明测量守时、授时精度时不需要其它辅助设备，简化了测试过程。

(3)本发明使用系统自身产生的1PPS标准秒脉冲、B时间码信号对被测设备进行时间同步。有效的避免了使用不同1PPS标准秒脉冲、B时间码信号所带来的测试误差。

(4)本发明接口单元具有RS422输入接口、RS232输入接口、LVDS输入接口。可以完成多种待测信号的采集工作。本发明可以发送2V_p-p～8V_p-p的B(AC)时间码及RS422、RS232的B(DC)时间码信号至被测设备，提高了测试设备的通用性。

(5)本发明使用高精度温度补偿晶振作为频准。该晶振具有较高的频率温度稳定度：±5ppm，减少了环境温度对测试的影响；该晶振具有较低的老化率：±5ppm/年，提高了测试设备的稳定性及测试精度。

(6)本发明使用高精度时序机及延时PLL对B时间码进行精度对齐及延时控制输出，提高了测试精度。

(7)本发明使用计算机控制及数据采集技术实现了守时、授时精度自动测试，节省了劳动力和成本。

附图说明

图1为本发明基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置的系统示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供一种基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置，其较佳实施例的系统构成主要包括接收天线、卫星信号接收机(本实施例中选用GPS/北斗接收机)、接口单元、B码解调单元、高精度温度补偿晶振、主控制单元、高精度时序机及延时PLL和计算机。

接收天线与GPS/北斗接收机天线端相连。接口单元分别与GPS/北斗接收机、B码解调单元、主控制单元、计算机相连。主控制单元分别与接口单元、高精度温度补偿晶振、高精度时序机及延时PLL相连。

GPS/北斗接收机的PPS秒脉冲的精度优于10ns，正脉冲，脉冲宽度100ms±10ms。GPS捕获时间小于1分钟。

接口单元具有RS422输入输出接口、RS232输入输出接口、LVDS输入输出接口、SMA输入输出接口。其中2路SMA输出接口的延时均小于5ns。可以接收和发送2V_p-p～8V_p-p的B(AC)时间码及RS422的B(DC)时间码信号。

B码解调单元具有B时间码误码纠错功能和B(AC)码相位自适应功能。具有至少30位并行码时间码输出功能(其中秒7位、分7位、时6位、天10位)，高电平有效，TTL电平。

高精度温度补偿晶振工作频率高于10MHz；具有较高的频率温度稳定度：±5ppm；较低的老化率：±5ppm/年。

GPS/北斗接收机、接口单元、B码解调单元、高精度温度补偿晶振、主控制单元、高精度时序机及延时PLL均封装于电控箱内部。

本发明提供的基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置的工作原理如下：

接收天线接收到GPS/北斗信号，发送至GPS/北斗接收机。GPS/北斗接收机锁定4颗以上的GPS/北斗卫星。接收卫星发送的B时间码信号和1PPS秒脉冲信号。通过接口单元发送B时间码信号至B码解调单元，发送1PPS秒脉冲信号、机卫星锁定信号至主控制单元。发送锁定信号至计算机。

主控制单元接收到卫星锁定信号后，接收B码解调单元经过误码纠错(DC码)或相位自适应(AC码)的B时间码数据，每秒更新一次数据。B时间码信号输出到高精度时序机及延时PLL单元，在单元内完成交直流B时间码的成形、精度对齐和延时输出控制逻辑，然后输出值接口单元。主控制单元接收1PPS秒脉冲后，直接进行时标信号转发，作为标准1PPS秒脉冲。

主控制单元接收高精度温度补偿晶振输出的时钟信号，对时钟信号进行分频作为计数时钟，分频后频率不低于100MHz；通过计数值计算该时刻的微秒值，分辨率不低于0.1us。计数值每秒由标准1PPS秒脉冲信号进行清零。

主控制单元通过接口单元向被测设备发送标准1PPS秒脉冲信号及B时间码信号，用于时间同步。主控制单元接收被测设备发送的待测信号。记录待测信号到达时(上升沿或下降沿)的时刻：读取B时间码和计数器计数值，得到该时刻的天、时、分、秒、微秒信息。将该结果通过接口单元发送至计算机。

本发明提供的基于卫星授时系统的守时、授时精度测试装置的具体工作流程如下：

1)将系统1PPS标准秒信号输出接口与被测设备秒脉冲接口相连；系统B时间码输出接口与被测设备B时间码接口相连；将被测设备的特征信号输出接口与系统的测试接口相连；

2)将接收天线置于户外空旷场地，连接接收天线至GPS/北斗接收机。打开设备电源；

3)等待一分钟，查看计算机是否接收到锁定信息。若锁定4颗及四颗以上卫星则进行下一步。若锁定卫星少于4颗或锁定失败则调整接收天线位置，重复步骤2)；

4)被测设备接收系统发送的1PPS标准秒脉冲信号及B时间码信号；等待被测设备进行时间同步；同步完成后，输出特征信号至系统；

5)系统记录特征信号到达(上升沿有效或下降沿有效)时刻(包括天、时、分、秒、微秒信息)；并且将该信息输出至计算机。

6)根据测试要求及测试条件分为以下四种情况：

a)测试授时精度且输出信号为1PPS秒脉冲信号：查看计算机测试结果，其中天、时、分、秒值应与被测设备一致(若不一致则串口/并口授时误差大于等于1s，一般视为不合格)，微秒值既为授时精度；重复测试3次以上，取最大值为测试结果；

b)测试授时精度且输出信号为非1PPS秒脉冲信号：查看计算机测试结果，其中天、时、分、秒值应与被测设备一致(若不一致则串口/并口授时误差大于等于1s，一般视为不合格)，被测设备记录的微秒值与系统微秒值之差的绝对值既为授时精度；重复测试3次以上，取最大值为测试结果；

c)测试守时精度且输出信号为1PPS秒脉冲信号：同步完成后来，被测试设备断开1PPS标准秒脉冲信号及B时间码信号。被测设备独立运行规定时间后(例如：30分钟或24小时)开始测试，查看计算机测试结果，其中天、时、分、秒值应与被测设备一致(若不一致则串口/并口守时误差大于等于1s，一般视为不合格)，微秒值既守时精度；重复测试3次以上，取最大值为测试结果；

d)测试守时精度且输出信号为非1PPS秒脉冲信号：同步完成后来，被测试设备断开1PPS标准秒脉冲信号及B时间码信号。被测设备独立运行规定时间后(例如：30分钟或24小时)开始测试，查看计算机测试结果，其中天、时、分、秒值应与被测设备记录值一致(若不一致则串口/并口授时误差大于等于1s，一般视为不合格)，被测设备记录的微秒值与系统微秒值之差的绝对值既为守时精度；重复测试3次以上，取最大值为测试结果。