北斗卫星授时控制系统模块 |
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| 申请号 | CN202211064486.6 | 申请日 | 2022-09-01 | 公开(公告)号 | CN115421369B | 公开(公告)日 | 2024-03-01 |
| 申请人 | 安徽科达自动化集团股份有限公司; | 发明人 | 王天甜; 王万年; 唐慧; 唐洪珍; 李勇; 孙会昌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及北斗卫星技术，特别涉及一种北斗卫星授时控制系统模 块 ，包括北斗授时接收模块，GPS授时接收模块、时频处理模块、用户交互模块、应用 接口 模块和时钟模块；所述时频处理模块用于北斗和GPS系统的融合处理、时差处理和时间维护；所述用户交互模块供用户对设备的控制、管理和监控；所述应用接口模块提供基本时间同步输出接口；所述时钟模块为晶体钟或 原子 钟；通过本发明提供的技术方案，既解决了GPS系统的安全隐患问题，又能解决北斗系统运行不稳定问题，还实现了双系统授时，提高了授时的可靠性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种北斗卫星授时控制系统模块，其特征在于，包括北斗授时接收模块，GPS授时接收模块、时频处理模块、用户交互模块、应用接口模块和时钟模块； |
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| 说明书全文 | 北斗卫星授时控制系统模块技术领域[0001] 本发明涉及北斗卫星技术，特别涉及一种北斗卫星授时控制系统模块。 背景技术[0002] 国际上一般采用协调世界时(UTC)作为统一的时间标准，授时技术就是将这些人们达成共识的统一时间标准传递给用户，使用户可以方便的使用这些标准时间。现代科技的发展使授时手段多种多样，所有将标准时间传递给用户以达到时间协调统一目的的活动统称为时间服务。根据授时手段的不同，授时可分为地面无线授时、地面有线授时、卫星授时、电话授时和互联网授时。所有的这些授时方式都有其独特的优点和缺点，在现代的社会生活中具有其不可缺少的特性。 [0003] 其中，卫星授时的特点主要体现在可以实现发播信号的大面积覆盖，实现条件艰苦地区的授时应用，而且授时精度在各种授时方式中是比较高的一种方式，这为需要精确时间信息的应用提供了可能。卫星导航电文的时间信息十分丰富，可以方便的获得年、月、日、时、分、秒等信息。 [0004] 高精度星载原子钟和地基高精度时间尺度，是保障卫星导航系统精度和可靠稳定运行的基础，是卫星导航系统的主要组成设备之一。卫星导航系统向地面发射的各种发播信号中无不带有高精度的频率和时间信号。因此，卫星导航系统成为传递标准时间UTC和TAI的最佳手段和工具。实际上，授时业务也是卫星导航系统主要功用的重要组成之一。 [0005] 经过市场调研发现目前几乎所有需要高精度时间同步的领域全部采用单GPS作为标准时间源，部分重要节点采用双GPS备份来保证时间精度的可靠性。采用GPS来进行时间同步，存在着安全隐患，因此利用我国自主研发的北斗导航系统进行授时进入各个授时领域势在必行。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种北斗卫星授时控制系统模块，解决现有GPS系统存在的安全隐患问题，以及解决北斗系统运行不稳定的问题，实现双系统授时，进而确保授时的可靠性。 [0007] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现： [0009] 所述时频处理模块用于北斗和GPS系统的融合处理、时差处理和时间维护； [0010] 所述用户交互模块供用户对设备的控制、管理和监控； [0011] 所述应用接口模块提供基本时间同步输出接口； [0012] 所述时钟模块为晶体钟或原子钟。 [0014] 其中，所述卫星信号接收机单元用于接收导航信号，对导航信号进行结算后得到时间信息及1PPS信号，处理结果随后进入时码单元； [0015] 外部B码信号进入所述时码单元后进行处理，产生时间信息及1PPS信号，由B码解算出的时间信息及由BD信号接收机输入的时间信息都保持在所述时码单元中用于输出B码的编码； [0016] 由卫星信号接收机输入的1PPS信号和由外部B码解码产生的1PPS信号在时码单元根据实际需要进行选择，完成后将选择的1PPS信号输入守时模块； [0017] 所述守时模块利用输入的1PPS信号及标准的10MHz频率，新产生的1PPS信号返回至时码单元并与其中保持的时间信息进行B码编码，生成标准B码输出时码单元，由守时模块产生的10MHz信号及时码单元编码生成的B码信号进入输出信号转换电路进行处理生成需要的时间频率信息。 [0018] 在进一步的技术方案中，采用卫星自主完好性监测算法，同时监测北斗和GPS的电文、时标性能，实时地对北斗和GPS卫星的健康状况进行监测，在当前的跟踪源的性能发生劣变的时候，综合考虑两跟踪源的历史电文的误码、功率情况及时标的可用度、稳定性，从而判决是否进行源切换。 [0019] 在进一步的技术方案中，B‑AC码通过AD转换电路转变为B‑DC码，所述AD转换电路采用AD芯片搭配配置电路完成，所述AD芯片为AD7988，采用多功能串行接口，外围搭配电路是配置芯片所需的三路电压以及输入信号； [0020] 其中，三路电压分别为VDD的2.5V电压，REF的4.096V电压，VIO的3.3V电压，三路电压处均配置有相应的去耦电容，输入信号连接VIN+，VIN‑连接信号地，在VIN+端配置了一个单级低通滤波器。 [0021] 在进一步的技术方案中，在进行本地时钟校准之前采用Kalman滤波算法对测得的时间间隔数据进行处理。 [0022] 在进一步的技术方案中，使用同一个电源转换器进行AC/DC电压转换，然后再根据实际的需求将输出的DC电压进一步稳压变换供给系统中的各个板卡使用。 [0023] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果： [0024] 1)本发明是一款支持BDS B1I/B2I1、GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5b、QZSS L1/L2多系统的高性能控制模块。内部具备状态检测和短路保护功能，支持休眠工作模式； [0025] 2)进一步提高卫星性能与寿命，构建稳定可靠的星间链路；增发更多的导航信号，加强与其他卫星导航系统的兼容与互操作，大幅提高系统服务精度和可靠性； [0026] 3)通过对本地的高稳晶钟输出的10MHz频率信号进行计数以维护秒级以内的时间。利用由1PPS信号定时清零及10MHz计数溢出清零两种方式，保证高精度的定时准确性； [0027] 4)授时控制系统模块采用了时间扩展技术，使得鉴相器的时间分辨率达到0.3ns,从而解决了鉴相器的高精度需求； [0028] 5)通过对授时终端性能指标的研究，结合对不同时钟源的调研，制定出使用GNSS单向授时为基础，使用OCXO作为本地时钟源进行同步校准的总体方案，OCXO频率短期指标高的特点，提高模块指标，降低模块研制成本； [0029] 6)通过将授时终端进行模块化分解，将其分为卫星接收机单元、时码单元、守时单元及其它电路分别进行设计实现，降低了模块设计的难度，缩短了模块设计实现的时间； [0030] 7)在信号相位差测量中使用了先进的微小时间间隔测量技术，降低了系统测试误差，提高了测量精度，从而使本地时钟校准精度得到提高； [0031] 8)校准算法上使用了Kalman滤波，对校准电压进行了平滑处理，降低了BD信号中随机抖动的影响，使本地时钟的校准稳定性及准确性得到了提高。 [0033] 图1为本发明中北斗卫星授时控制系统模块的原理框图； [0034] 图2为本发明中授时终端的基本工作结构框图； [0035] 图3为本发明中跟踪源状态转移图； [0036] 图4为AD转换电路的电路图； [0037] 图5为Kalman滤波算法的整个运行过程示意图； [0038] 图6为电源滤波电路的电路图； [0039] 图7为二级稳压电源稳压电路的电路图； [0040] 图8为OCXO稳压电路的电路图。 具体实施方式[0041] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。 [0042] 如前所述，结合图1所示，本发明提供了一种北斗卫星授时控制系统模块，包括北斗授时接收模块，GPS授时接收模块、时频处理模块、用户交互模块、应用接口模块和时钟模块； [0043] 所述时频处理模块用于北斗和GPS系统的融合处理、时差处理和时间维护； [0044] 所述用户交互模块供用户对设备的控制、管理和监控； [0045] 所述应用接口模块提供基本时间同步输出接口，具体的，例如所述应用接口模块提供RS232电平标准时间信息(ToD)和秒脉冲信号(1PPS)，同时，可根据不同的应用领域实现不同电气特性的接口，例如网络授时接口(NTP/SNTP)，RS422/R$485电平串行报文信息、电力时间同步专用的分脉冲(1PPM)和时脉冲(1PPH)，实现了配置灵活，不同应用领域产品设计改动小的优点； [0046] 所述时钟模块采用可灵活配置形式，可根据对时间保持能力的要求高低配置不同的晶体钟或原子钟。 [0047] 其中，所述北斗授时接收模块和GPS授时接收模块均为含天线，所述GPS授时接收模块采用现有技术。 [0048] 结合图2所示为本发明中授时终端的基本工作结构框图。 [0049] 所述北斗授时接收模块为RNSS单向授时模块，其包括卫星信号接收机单元、时码单元、守时模块及其他配置电路； [0050] 其中，所述卫星信号接收机单元用于接收导航信号，对导航信号进行结算后得到时间信息及1PPS信号，处理结果随后进入时码单元； [0051] 外部B码信号进入所述时码单元后进行处理，产生时间信息及1PPS信号，由B码解算出的时间信息及由BD信号接收机输入的时间信息都保持在所述时码单元中用于输出B码的编码； [0052] 由卫星信号接收机输入的1PPS信号和由外部B码解码产生的1PPS信号在时码单元根据实际需要进行选择，完成后将选择的1PPS信号输入守时模块； [0053] 所述守时模块利用输入的1PPS信号及标准的10MHz频率，新产生的1PPS信号返回至时码单元并与其中保持的时间信息进行B码编码，生成标准B码输出时码单元，由守时模块产生的10MHz信号及时码单元编码生成的B码信号进入输出信号转换电路进行处理生成需要的时间频率信息。 [0054] 本发明中，所述北斗授时接收模块具备接收北斗导航信号及外部B码信号，输出1PPS信号、B码信号及两路标准10M信号，并具有产生NTP信息的功能。具有接收信号、系统自检、工作模式切换、信息输入/输出、人机交互控制等功能。电源采用直流供电，具有完善的电源处理设计。在性能方面， [0055] 10MHz频标信号的性能达到工作温区频率稳定度指标优于3×10‑9(‑20～70℃)，秒‑12级稳定度指标δ(τ)≤1×10 /S，相位噪声优于‑150dBc/Hz@1KHz；1PPS同步卫星时钟源精度优于50ns；B码信号同步BD信号的精度指标为≤100ns；NTP时间同步精度优于100ms。 [0056] 为保证输出时间的正确性和可靠性，需对北斗与GPS系统分别进行监测与管理，以保证时标(1PPS)信号相位的连续性。系统采用北斗卫星接收机和GPS接收机双系统设计方案，两者之间形成热备份。同时，在北斗授时型接收模块中采用双星备份的工作机制。北斗授时系统和GPS授时系统的时标存在一个系统差，如果在切换时处理不当，会使授时性能的不稳定，导致时标出现大的跳动。因此，在此系统中采用卫星自主完好性监测算法，同时监测北斗和GPS的电文、时标性能，实时地对北斗和GPS卫星的健康状况进行监测，在当前的跟踪源的性能发生劣变的时候，综合考虑两跟踪源的历史电文的误码、功率情况及时标的可用度、稳定性，从而判决是否进行源切换。 [0057] 如图3为本发明中跟踪源状态转移图。在决定源切换时，首先根据授时系统的当前状态，使系统进入阻塞(输出信号不可用)或保持状态(根据本地时钟进行时间保持)。然后根据切换源的稳定度、本地时标和源时标的相位差的大小、采取平滑切换或立即切换的方法进行源切换，使系统切换保护过程最优。保证输出时标信号的相位连续，从而不影响系统输出时标性能，提高了授时的可靠性。 [0058] 进入自动跟踪模式后，通过判断各跟踪源的稳定性，以及在跟踪源切换时所引进的误差，综合考虑后，把要跟踪的跟踪源切换到最优的跟踪源。另外，由于在切换时是有差切换，所以要根据程序的工作状态，采取不同策略进行切换； [0059] 在阻塞状态时，由于此时本地的1PPS还不可用，由于切换所引起的相差的突变不敏感，这时切换的条件比较宽松； [0060] 在跟踪状态或保持状态时，由于此时的IPPS是可用的，对相差的突变敏感，在切换的过程中采用平滑切换技术，保证相位的连续性，并且不能在跟踪或保持模式进行频繁的切换； [0061] 在自动跟踪模式下进行的跟踪源切换时，判断各跟踪源的优劣是关键，通过分析本地钟分频生成的IPPS和各跟踪源1PPS的相差进行判断，在程序跟踪某跟踪源时，对其他的跟踪源进行判优，选出最优的跟踪源作为备用跟踪源，当切换条件满足时，从当前跟踪源切换到备用跟踪源。 [0062] 网络授时处理模块的本地时间精度只能达到毫秒级，远远不能满足自身高精度授时的需要。通过改进提取时间机制，将秒级以上及以下时间精度分别进行维护，以获得高精度的本地时间： [0063] 1)网络时间服务器系统自身提供高稳10MHz频率信号，同1PPS信号进行紧耦合，作为网络授时处理模块的本地高精度时标； [0064] 2)为降低网络授时处理模块任务复杂性，Linux不能直接维护本地时标，对本地高精度时标的提取基于CPLD设计实现； [0065] 3)网络授时处理模块通过1PPS信号中断，进行秒级时间维护，CPU可以随时从CPLD读出当前秒内时刻，完成高精度时间提取，共网络授时。 [0066] 基于CPLD硬件设计的时间计数器，通过对本地的高稳晶钟输出1OMHz频率信号、[0067] 进行计数以维护秒级以内的时间。利用由1PPS信号定时清零及10MHz计数溢出清零两种方式，保证高精度的定时准确性。 [0068] B(AC)码需要先转变为B(DC)码然后进行解码，这个过程由AD转换电路实现。AD转换电路使用AD芯片搭配配置电路完成。本发明设计使用的AD芯片为AD7988，该芯片为16位AD，电源电压可采用2.5V±5％，吞吐速率有100Ksps和500Ksps可选，芯片通信采用多功能串行接口。芯片的外围搭配电路主要是配置芯片所需的三路不同电压以及输入信号。本发明中，VDD电压为2.5V，REF电压为4.096V，VIO电压独立于VDD电压，采用的是3.3V直流电压，三路电压处均配置了相应的去耦电容。输入信号连接VIN+，VIN‑连接信号地，在VIN+端配置了一个单级低通滤波器，这可以有效的减少不良混叠效应并降低噪声。AD电路的电路图如图4所示。 [0069] 授时模块接收到的外部时间信息，由于传输过程中的各种影响，由其恢复出的1PPS秒脉冲往往存在较大的抖动。秒脉冲信号的抖动主要表现为其上升沿随机跳动，跳动的幅度在几纳秒到几百纳秒不等。这为时间间隔测量的结果带来了很大的不确定性，即使时间间隔测量的精度很高，但是随着秒脉冲上升沿的随机跳动，其最终结果还是很差，因为秒脉冲的抖动远比时间间隔测量提升的精度要高。为了减少秒脉冲抖动带来的影响，就需要在进行本地时钟校准之前对测得的时间间隔数据进行处理，最终得到准确的数据。秒脉冲信号的抖动误差基本上都是随机误差，因此在本发明中使用了对这种误差有较好效果的Kalman滤波算法对数据进行处理。Kalman滤波通过状态方程和递推算法对数据进行处理，以最小均方差为判定准则，在实时的数据处理中，用计算的前一个结果和最新得到的测量数值来进行估算。 [0070] Kalman滤波的基本原理是根据当前得到的计算结果结合最新的测量数值，运用状态方程和递推算法进行估计，得到最优状态，因此它的解是以估算值的形式给出的。Kalman滤波算法计算量相对较少，但是滤波效果很显著。 [0071] 结合图5所示为Kalman滤波算法的整个运行过程。系统得到的最优估计值可作为下一次计算的先验值，系统的最优解在如图5所示的递推过程中获得，随着系统的运行，整个过程不断重复。在本设计中使用Kalman滤波对时间间隔测量的数据进行滤波处理，在传统滤波方法的基础上还增加了对非正常误差的判断，减少系统中因意外因素导致出现的测量误差，减小这种意外测量值对卡尔曼增益的影响，从而使结果更为准确。 [0072] 北斗授时模块是一种时间频率器件，在受到电磁干扰的影响时，会产生系统性能下降。系统中各个模组之间以及系统与外部环境之间的相互干扰往往会通过电源系统连接耦合。因此系统的电源部分处理就十分重要。在一个系统中往往使用同一个电源转换器进行AC/DC电压转换，然后再根据实际的需求将输出的DC电压进一步稳压变换供给系统中的各个板卡使用。现代设备使用的AC/DC转换电源一般是开关电源，开关电源有其自身的工作频率以及由此而产生的各种谐波及寄生频率，这些频率会成为噪声掺杂于供给板卡的直流电源中。系统中由于各个板卡工作频率的不同，各种不同的频率也会变成噪声影响其他板卡的工作。因此电源处理的第一步就是对输入授时终端的直流电压进行滤波处理。 [0073] 本发明中，给授时终端供电的直流电压为5V，最大可提供3A电流。电源的滤波部分除了常规的滤波电容，还增加了共模线圈以滤除前级开关电源产生的纹波噪声，电路如图6所示。 [0074] 在图6中，共模电感前端滤波电容使用陶瓷电容，陶瓷电容具有高频滤波特性好，体电阻小的特点，适用于信号处理电路。根据电路中可能产生影响的噪声频带，有针对性的选用不同容值的电容进行滤波。共模电感可以滤除电路中的共模噪声，同时由于共模电感在绕制过程中线间距不同的原因，会在上边寄生差模电感，这样对于差模噪声也会起到良好的抑制作用。在电感的两端放置滤波电容，可以形成双向LC滤波器。 [0075] 授时模块稳压电路如图7所示，授时模块中使用的电压有5V、4.096V、2.5V和1.2V共四种不同电压，除了5V是外部输入电压外，其余三种都通过二级稳压获得。二级稳压使用的稳压芯片选取的原则是在负载电流充足的情况下封装越小越好。对各个电压的负载需求进行分析，3.3V电压用于给FPGA的I/O、MCU及TDC供电，4.096V电压用于提供电压基准，2.5V电压一路用于提供电压基准，还有一路2.5V用于给FPGA供电，1.2V电压用于给FPGA供电。由以上分析可知，3.3V电压需求交流较大，因此选用可提供1.5A负载能力的AS1117M3‑3.3V芯片供电，这个芯片的封装为6‑PinSOT‑223；用于提供基准电压的4.096V和2.5V，对电流的需求微乎其微，选用小封装的AD1584及AD1582供电，该系列芯片的封装为SOT‑23‑3；用于给FPGA内核供电的2.5V及1.2V需求的负载电流在100mA以内，因此选择了负载电流150mA的TPS70625及TPS70612芯片，TPS706系列芯片的封装为5‑Lead SOT‑23。各路电压的稳压电路如图7所示。 [0076] 在模块中使用了OCXO作为本地时钟，OCXO是易受干扰的频率器件，因此对其电源做了特殊处理，如图8所示。 |
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