利用卫星全球定位系统的时间同步装置和方法

本发明涉及利用卫星全球定位系统(GPS)的时间同步装置和方 法，具体涉及利用GPS时钟能提供误差范围在100ns以内、时间信 息正确的装置和方法。

按照常规方式，令卫星GPS时间同步系统计算一个公式中内部 振荡器的频率误差、漂移误差、GPS卫星时钟的相位差误差及内部 振荡器的频率，并根据计算结果的数值校正内部振荡器的工作，来提 供正确的时间信息。

常规的时间同步系统校正频率误差所需的时间太长，尤其当卫 星处于非服务位置范围内时，不能保证校正的精确度。

鉴此，本发明的一个目的是提供一种利用卫星全球定位系统的 时间同步装置和方法。

本发明的另一个目的是当GPS卫星处在服务位置范围内时，依 靠从卫星信号中获得一个GPS 1PPS(每秒1周)信号，能提供出 误差范围在±1ns以内、有稳定精确时间信号的装置和方法，使得在 计及得到的GPS 1PPS和内部振荡器特性下，可保证精确的时间 信息其误差范围在100ns以内。

为了实现本发明的上述目的，一种利用卫星全球定位系统从 卫星接收每秒1周信号的时间同步装置，其特征在于包括：一个 振荡器，产生与卫星全球定位系统相适应的振荡频率信号；一个 计数器，通过计数该振荡器的振荡频率以产生一个内部每秒一周 信号；一个比较器，将该计数器输出的内部每秒一周信号相位与 全球定位系统接收的每秒一周信号相位进行比较，以输出相位差 值信号；一个第一控制器，用于根据从微处理器输出的相位差校 正信号，校正计数器输出的内部每秒一周信号的相位；一个第二 控制器，校正振荡频率信号与第一控制器输出频率的相位差；以 及一个微处理器，向第一和第二控制器提供比较器输出的相位差 信号以校正相位差，并基于全球定位系统，每秒1周信号校正振 荡频率信号的频率。

图1示出按照本发明的利用卫星全球定位系统的一个时间同 步装置方框图。

图2示出图1中微处理器单元内时间同步处理算法的流程 图。

图3示出图1中比较器内部结构的方框图。

图4示出图1中比较器的稳定性曲线图。

参照图1，本发明的装置包括：一个全球定位系统接收单元 10，通过接收全球定位系统卫星的时钟信息来得到全球定位系统每 秒一周；一个振荡器30，产生 GPS中所需的频率；一个计数器40，计数振荡器30的振荡频率来 产生内部1PPS；一个比较器50，将计数器40的内部1PPS输出信 号与CPS接收单元10的GPS 1PPS输出信号进行比较；一个缓 冲器60，输出比较器40的比较值；一个第一控制器70，按1μs时间 单位校正计数器40内部1PPS输出信号的相位差；一个第二控制 器80，按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与第一控制器70输 出频率之间的相位差于1～995ns范围内；一个微处理器单元20，依 靠CPS接收单元10检测出的跟踪状态信号和缓冲器60内存储的 比较输出数据来同步时间。此外，本发明的装置还包括一个数/模转 换器90，借助于将微处理器单元20输出的频率差值转换成模拟信 号和将转换的信号提供给振荡器30作为其控制信号，以保持精确 的振荡器状态。

当微处理器单元20确认，由GPS接收单元10输入来的卫星 状态检测信号跟踪GPS卫星时，便对于GPS接收单元10输出的 GPS 1PPS实施时间同步控制作用。由计数器40将内部振荡器30 的振荡频率计数到内部1PPS，并将内部1PPS的相位差与GPS 1PPS的相位差进行比较。比较器50的比较输出存储在缓冲器60 中。微处理器单元20利用存储在缓冲器60中的比较数据来同步时 间，输出相位差校正信号和计算频率误差值。第一控制器70根据微 处理器单元20来的相位差校正信号按1μs时间单位校正计数器40 的信号。第二控制器80按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与 第一控制器70输出频率之间的相位差于1～995ns范围内。此外， 通过数/模转换器90将微处理器单元20计算出的频率误差转换成 模拟值，并把转换的信号提拱给振荡器30作为其控制信号，以精确 地控制振荡器30的振荡频率。经过上述的过程，可保证精确的时间 信息。这里，内部振荡器的相位误差可由下式表示：

tk=to+k(1+f)=k2d+δk

式中，to是初始相位误差，f是频率误差=(f1-f0)/fo.d是漂 移误差，δk是与第k个脉冲有关的随机误差。to、f和d都是变量。

如果卫星跟踪状态不能确保，或者接收信号有热噪声，则振荡器 的工作特性维持于已校正的状态。

参照图3．图中示出时基1，产生时钟：门控制器3，以GPS接收 单元10的GPS 1PPS输出信号和计数器40的内部1PPS输出信 号作为其输入信号：“与”门2将门控制器3的输出信号和时基1的 时钟输出相“与”。图4示出比较器50的德定性曲线，这是通过分析从 比较器50获得的相位差比较值而得出的。图中，短期稳定性与GPS 1PPS的具体变化有关，长期稳定性与内部振荡器的频率误差值 有关。

由微处理器单元20实施的时间同步处理算法示于图2中。

参照图2，微处理器单元20内的时间同步处理算法可划分为以 下步骤S1至S15。亦即，微处理器单元20包括：第一步S1，确认通 过GPS接收单元10可得到相位跟踪状态，第二步S2，由比较器 50比较GPS 1PPS与内部1PPS之间的相位差；第三步S3，判断 相位差比较是否完成；第四步S4，在缓冲器60中存储相位差值；第 五步S5，判断比较数是否超过900；第六步S6，判断比较数是否等于 900；第七步S7，相位差值加900；第八步S8，半相加后的“和”数值除 以900，计算出相位误差；第九步S9，执行相位误差校正程序；第十步 S10，判断相位差比较数是否大于900；第十一步S11，判断标准差值 是否小于1×10-6，如果标准差值大于1×10-6，程序回到第二步S2； 第十二步S12，标准差值小于1×10-6时判断存储的比较数数据是 否等于10600；第十三步S13，比较数等于10600时判断标准差值是 否小于4×10-8；第十四步S14，标准差值小于4×10-8时计算频率 误差；第十五步S15，在数/模转换器90中将数字形式的频率误差值 转换后，调整振荡器30的振荡频率。第十三步S13中标准差值大于 4×10-8时程序返回到第二步S2。

本发明利用GPS卫星能提供误差在100ns以内、精确的时间 信息，因此，它适用于综合信息网、数字移动通信站和卫星通信网站。