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一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置
申请号	CN202410218328.4	申请日	2024-02-28	公开(公告)号	CN118034012A	公开(公告)日	2024-05-14
申请人	中国科学院地质与地球物理研究所;			发明人	胡耀星; 游庆瑜; 张妍; 赵春蕾;
摘要	本申请公开了一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置，运用于地震仪时钟同步技术领域，其方法包括：获取UBX数据包信息；对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息；将所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式；根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值；将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储；有效实现了低功耗GNSS时钟同步，提高了采集工作时长。
权利要求	1.一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，其特征在于，包括：获取UBX数据包信息；对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息；将所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式；根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值；将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储。 2.根据权利要求1所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，其特征在于，在根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值的步骤中，具体包括下述步骤：将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式，当所述本地时钟达到预设周期时进行时钟同步，并将所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值。 3.根据权利要求1所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，其特征在于，在将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储的步骤中，具体包括下述步骤：判断获取的状态信息是否位有效定位，若为有效定位则将所述本地时钟的秒信息与PPS秒脉冲中断信号进行对比，根据所述本地时钟的偏差对采集数据进行线性插值，同时将所述本地时钟进行对应的时钟同步。 4.根据权利要求1所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，其特征在于，所述状态信息为锁定状态时，将所述PPS秒脉冲信号与所述本地时钟进行校正，以及对采集数据进行线性插值后等待进入下一个预设周期的时钟同步状态。 5.根据权利要求1所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，其特征在于，所述状态信息为失锁状态时，将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式进行卫星信号的搜索，直到获取的状态信息为锁定状态时重新进行时钟同步和采集数据的存储；若经过若干次时钟同步后所述状态信息为失锁状态，则将工作模式调整为连续工作模式进行卫星信号的搜索。 6.一种根据权利要求1所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的装置，其特征在于，包括：GNSS模块、主控单元、地震信号采集模块、存储模块和电源模块；所述GNSS模块用于获取所述UBX数据包信息；所述主控单元用于对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息；还用于根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值；所述地震信号采集模块用于根据所述GNSS模块获取的所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式将采集数据发送至所述主控单元；所述存储模块用于存储所述采集数据；所述电源模块用于提供能源。 7.根据权利要求6所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步装置，其特征在于，所述GNSS模块获取到的状态信息为失锁状态时，则所述主控单元发送指令将所述GNSS模块设置为预设周期进行时钟同步；当所述主控单元判断所述状态信息为锁定时，则所述地震信号采集模块进行本地时钟同步，并将采集数据输入存储模块；采集模式完成后，所述主控单元将装置调整为低功耗工作模式。 8.一种设备，其特征在于，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现权利要求1‑5任一项所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种基于低功耗GNSS时钟同步。 9.一种存储介质，其特征在于，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行权利要求1‑5任一项所述的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法。
说明书全文	一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置技术领域 [0001] 本发明涉及地震仪时钟同步技术领域，尤其涉及一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置。背景技术 [0002] 地震仪通常通过GNSS模块来获取自身的位置和时钟信息，随着采集时长的增加，地震仪内部的晶体振荡器会随着温度和环境的变化产生频率漂移而引起时钟误差的累积现象。随着地震仪走向分布式、高精度采集的发展方向，时钟精度成为衡量设备性能的重要指标。传统方法采用GPS作为统一的外部时钟源对地震仪内部时钟进行实时的校正来消除内部时钟的偏差和时钟一致性的问题。地震仪通过获取GPS的时钟信息和PPS 信号来对内部晶振的振荡频率进行标定，当系统RTC时间与GPS的PPS秒脉冲间隔一致时，作为内部时钟为秒单位的振荡频率来实现与GPS的时钟同步进入采集，采集期间通过与实时GPS的PPS信号同步来实现内部时钟的校正功能。由于地震仪内部电源由有限电池供给，如何实现低功耗条件下高精度的数据采集成为了地震仪主要的研究方向。为此目前传统的方法是在仪器进入采集期间通过关闭所有的外部交互设施只保留采集单元和GPS模块来减小整机的运行的功耗来增加工作时长从而实现低功耗的采集功能。 [0003] 因此基于地震仪时钟同步的应用特点实现低功耗GNSS时钟同步成为实际地震采集中急需解决的应用问题。 [0004] 为了克服这些缺陷，本申请提出了一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置。发明内容 [0005] 本申请的目的是提供一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置，旨在解决上述问题。 [0006] 为实现上述目的，本申请提供如下技术方案： [0007] 本申请提供一种基于低功耗GNSS时钟同步方法，包括： [0008] 获取UBX数据包信息； [0009] 对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息； [0010] 将所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式； [0011] 根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值； [0012] 将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储。 [0013] 进一步的，在根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值的步骤中，具体包括下述步骤： [0014] 将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式，当所述本地时钟达到预设周期时进行时钟同步，并将所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值。 [0015] 进一步的，在将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储的步骤中，具体包括下述步骤： [0016] 判断获取的状态信息是否位有效定位，若为有效定位则将所述本地时钟的秒信息与PPS秒脉冲中断信号进行对比，根据所述本地时钟的偏差对采集数据进行线性插值，同时将所述本地时钟进行对应的时钟同步。 [0017] 进一步的，所述状态信息为锁定状态时，将所述PPS秒脉冲信号与所述本地时钟进行校正，以及对采集数据进行线性插值后等待进入下一个预设周期的时钟同步状态。 [0018] 进一步的，所述状态信息为失锁状态时，将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式进行卫星信号的搜索，直到获取的状态信息为锁定状态时重新进行时钟同步和采集数据的存储； [0019] 若经过若干次时钟同步后所述状态信息为失锁状态，则将工作模式调整为连续工作模式进行卫星信号的搜索。 [0020] 本申请还提供一种基于低功耗GNSS时钟同步装置，包括：GNSS模块、主控单元、地震信号采集模块、存储模块和电源模块； [0021] 所述GNSS模块用于获取所述UBX数据包信息； [0022] 所述主控单元用于对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息；还用于根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值； [0023] 所述地震信号采集模块用于根据所述GNSS模块获取的所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式将采集数据发送至所述主控单元； [0024] 所述存储模块用于存储所述采集数据； [0025] 所述电源模块用于提供能源。 [0026] 进一步的，所述GNSS模块获取到的状态信息为失锁状态时，则所述主控单元发送指令将所述GNSS模块设置为预设周期进行时钟同步； [0027] 当所述主控单元判断所述状态信息为锁定时，则所述地震信号采集模块进行本地时钟同步，并将采集数据输入存储模块； [0028] 采集模式完成后，所述主控单元将装置调整为低功耗工作模式。 [0029] 本申请提供一种设备，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种基于低功耗GNSS时钟同步。 [0030] 本申请提供一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行一种基于低功耗GNSS时钟同步方法。 [0031] 本申请提供了一种基于低功耗GNSS时钟同步方法及装置，具有以下有益效果： [0032] (1)通过优化循环跟踪模式，能够在卫星信号较强时实现高精度的时钟同步；同时在信号较弱或只有少数卫星信号时，通过开启全功率连续工作模式，可以快速锁定和定位，进一步提高时钟同步的精度； [0033] (2)根据GNSS接收信号的状态动态调整工作模式，有效地减少了GNSS模块的工作功耗；在卫星信号良好的环境下，通过周期性的工作模式进行时钟同步，显著降低功耗； [0034] (3)本申请提出的方法和装置降低了功耗，使采集装置能够在有限的电源供应下工作更长时间，可以获取更多的数据，提高数据的完整性和可靠性； [0035] (4)本申请适用于各种需要高精度时钟同步的采集设备，尤其是地震仪等需要长时间连续工作的设备，通过动态调整GNSS模块的工作模式和性能参数，适应不同的环境和使用场景，具有广泛的应用前景。附图说明 [0036] 图1为本申请实施例1的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的流程示意图； [0037] 图2为本申请实施例2的一种基于低功耗GNSS时钟同步装置的结构示意图； [0038] 图3为本申请实施例3的设备结构示意图； [0039] 图4为本申请实施例4的存储介质结构示意图。具体实施方式 [0040] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。 [0041] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0042] 实施例1 [0043] 请参阅图1，为本申请实施例1的一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的流程示意图；步骤包括： [0044] S1：获取UBX数据包信息。 [0045] 在本实施例中，UBX数据包信息是NMEA 0183标准的一个扩展，由u‑blox公司开发并用于其GPS模块。UBX协议提供了一种更高效、更灵活的方式来获取GPS数据，相比于传统的NMEA协议，UBX协议的数据包更小，解析更快速，可以提供更多的数据字段和更精确的时间信息。 [0046] 在地震仪采集中，UBX数据包信息被用来实现低功耗的时钟同步。当GPS模块能够稳定地锁定PPS秒脉冲信号时，通过优化循环跟踪模式来实现低功耗的时钟同步。在信号较弱或只有少数卫星信号时，则开启全功率连续工作模式来快速锁定和定位，以确保时钟同步的准确性和稳定性。 [0047] UBX数据包信息提供了高效、灵活、精确的GPS数据获取方式，为实现低功耗的时钟同步提供了有力的支持。 [0048] S2：对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息。 [0049] 在本实施例中，首先获取UBX数据包信息，通常以二进制形式传输，包含了GPS的状态信息和其他相关信息。在UBX协议中，每个数据包都有一个特定的头部，用于标识数据包的类型和长度；通过检查数据包的头部信息，确定是否包含GPS状态信息。 [0050] 确认数据包的类型后则开始解析数据包的内容，通常涉及到将二进制数据转换为可读的信息，如ASCII码。对于GPS的状态信息，需要找到相应的字段，通常包含了关于卫星可见性、信号质量和定位状态等信息。 [0051] 在解析数据包的过程中，提取出关于GPS的状态信息。包括但不限于卫星的数量、PDOP(位置精度稀释度)、HDOP(水平精度稀释度)和VDOP(垂直精度稀释度)等。 [0052] 为了确保数据的准确性，需要进行数据校验。通过计算校验和或使用其他错误检测算法实现。若数据校验失败，则需要重新接收或处理数据包。 [0053] 在整个解析的过程中，我们需要遵循UBX协议的规范，以确保数据的正确性和兼容性。此外，还可以使用各种工具和库来简化解析过程，提高数据处理效率。 [0054] S3：将所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式。 [0055] 在本实施例中，将获取到的UTC时间信息同步到本地的RTC时钟，将接收到的PPS秒脉冲信号与本地晶振频率进行比对，得到本地时钟的真实频率，通过校正完成时钟同步后进入采集模式。 [0056] S4：根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值。 [0057] 在本实施例中，将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式，当所述本地时钟达到预设周期时进行时钟同步，并将所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值。 [0058] S5：将所述本地时钟进行对应的时钟同步，并将线性插值后的采集数据进行存储。 [0059] 在本实施例中，判断获取的状态信息是否位有效定位，若为有效定位则将所述本地时钟的秒信息与PPS秒脉冲中断信号进行对比，根据所述本地时钟的偏差对采集数据进行线性插值，同时将所述本地时钟进行对应的时钟同步。 [0060] 所述状态信息为锁定状态时，将所述PPS秒脉冲信号与所述本地时钟进行校正，以及对采集数据进行线性插值后等待进入下一个预设周期的时钟同步状态。 [0061] 所述状态信息为失锁状态时，将工作模式调整为预设周期的循环跟踪模式进行卫星信号的搜索，直到获取的状态信息为锁定状态时重新进行时钟同步和采集数据的存储； [0062] 若经过若干次时钟同步后所述状态信息为失锁状态，则将工作模式调整为连续工作模式进行卫星信号的搜索。 [0063] 综上所述，本申请的实施例1通过获取状态信息动态调整工作模式，实现采集模式对时钟校正的需求，为低功耗采集的应用提供了技术支撑。 [0064] 实施例2 [0065] 请参阅图2，为本申请实施例2的一种基于低功耗GNSS时钟同步装置的结构示意图；具体内容包括：GNSS模块、主控单元、地震信号采集模块、存储模块和电源模块。 [0066] 所述GNSS模块用于获取所述UBX数据包信息； [0067] 所述主控单元用于对所述UBX数据包信息中GPS的状态信息进行解析，当所述状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息；还用于根据所述状态信息调整工作模式，通过所述PPS秒脉冲信号与本地时钟的偏差进行对齐和线性插值； [0068] 所述地震信号采集模块用于根据所述GNSS模块获取的所述UTC时间信息同步至本地的RTC时钟，通过PPS秒脉冲信号对本地时钟频率进行校正后完成时钟同步，并进入采集模式将采集数据发送至所述主控单元； [0069] 所述存储模块用于存储所述采集数据； [0070] 所述电源模块用于提供能源。 [0071] 在本实施例中，高精度的GNSS模块与地震信号采集模块连接，地震信号采集模块将本地时钟与GPS信号进行时钟同步后进入地震信号的采集模式，并将采集数据发送给主控单元；主控单元通过存储模块进行数据的存储；电源模块提供了装置能源供给的功能。 [0072] 在采集模式期间由于内部石英晶振受到温度等环境变化的影响，晶振的时钟频率会出现偏差，因此地震信号采集模块需要实时与GNSS模块进行时钟同步来消除钟差影响。为了实现低功耗采集，主控单元在采集期间会根据采集时段对GNSS模块采集到的卫星信号的状态信息进行动态调整时钟同步的周期，从而实现低功耗的时钟同步采集的目的。 [0073] 具体的，设备在完成初始化准备进入地震信号采集模块的时钟同步工作流程时，GNSS模块进行初始化并进入全功率连续工作模式下接收GPS信号，通过主控单元对应的串口来获取GNSS模块接收到的UBX数据包信息。主控单元对UBX数据包信息中GPS状态信息进行解析，当状态信息为定位状态时解析对应的UTC时间信息。 [0074] 地震信号采集模块通过GNSS模块获取的UTC时间信息同步到本地的RTC时钟，将接收到的PPS秒脉冲信号与本地晶振频率进行比对，得到本地时钟的真实频率，通过校正完成时钟同步后地震信号采集模块进入到采集模式。 [0075] 主控单元根据GNSS模块接收到的状态信息，将GNSS模块设定为以10s为周期的循环跟踪模式，当采集期间本地时钟达到10s的时间间隔时则开启时钟同步，并将本地时钟偏差与PPS秒脉冲进行对齐和采集数据的线性插值。同时将本地时钟进行对应的时钟同步和线性插值后的采集数据发送给存储模块进行采集数据存储。 [0076] 若同步期间GNSS模块收到的状态信息为失锁状态，主控单元将发送指令将GNSS模块设置为短期的以5s为周期进行时钟同步。主控单元会根据获取的的状态信息进行时钟同步的判断，当接收到的状态信息为锁定时，地震信号采集模块将开启内部的时钟同步和采集数据的存储。 [0077] 若仍然无法进行GPS的时钟同步时，主控单元将GNSS切换成全功率的连续工作模式进行搜索卫星信号的锁定信息，直到接收到锁定信息时才进行本地时钟同步校正和采集数据的存储。时钟同步完成后主控单元将GNSS模块切换成预设周期的循环跟踪模式来进行时钟同步，直到数据采集完成时主控单元将工作模式调整为低功耗的工作模式。 [0078] 综上所述，本申请的实施例2通过高精度的GNSS模块获取UTC时间信息并完成本地的时钟校正后，地震信号采集模块进入到采集状态；采集期间由于受到环境温度的变化内部时钟晶振需要实时与GPS的PPS信号进行时钟的校正，为了进一步降低功耗，主控单元通过状态信息进行动态调节，调整GNSS模块按照周期性的循环工作模式来减少系统工作期间的功耗，实现低功耗GNSS时钟同步，提高整个采集装置的工作时长。 [0079] 实施例3 [0080] 请参阅图3，为本申请实施例3的设备结构示意图。该设备50包括处理器51、与处理器51耦接的存储器52。 [0081] 存储器52存储有用于实现上述一种基于低功耗GNSS时钟同步方法的程序指令。 [0082] 处理器51用于执行存储器52存储的程序指令以实现一种基于低功耗GNSS时钟同步。 [0083] 其中，处理器51还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。 [0084] 处理器51可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器51还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。 [0085] 实施例4 [0086] 请参阅图4，为本申请实施例4的存储介质的结构示意图。本申请实施例的存储介质存储有能够实现上述所有方法的程序文件61，其中，该程序文件61可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等设备。 [0087] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。 [0088] 以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。 [0089] 尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。 [0090] 当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

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