一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法 |
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申请号 | CN202110387568.3 | 申请日 | 2021-04-12 | 公开(公告)号 | CN113093517B | 公开(公告)日 | 2022-04-08 |
申请人 | 湖南师范大学; | 发明人 | 杜保强; 唐文胜; 沈坤; 余慧敏; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法,包括卫星接收机模 块 、第一时延模块、第二时延模块、第一 相位 重合点模块、第二相位重合点模块、第三相位重合点模块、 逻辑 门 系统模块、闸门 信号 生成模块、时间间隔产生模块、显示模块和电源模块;本发明通过差分 相位同步 检测方法减小相位重合点脉冲的宽度以提取相位重合点边沿脉冲作为闸门 开关 信号,提高了闸门时间测量的准确度,大幅度提高了短时间间隔的测量 分辨率 以及北斗时频系统的检测分辨率及其 稳定性 ,实现了星‑地之间的高 精度 时间同步,加强了厘米至毫米级的北斗卫星 定位 服务能 力 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统,其特征在于:包括卫星接收机模块、第一时延模块、第二时延模块、第一相位重合点模块、第二相位重合点模块、第三相位重合点模块、逻辑门系统模块、闸门信号生成模块、时间间隔产生模块、显示模块和电源模块;卫星接收机模块的信号输出端分别连接第一相位重合点模块的信号输入端、第一时延模块的信号输入端和第二时延模块的信号输入端,第一时延模块的信号输出端连接第二相位重合点模块的信号输入端,第二时延模块的信号输出端连接第三相位重合点模块的信号输入端,第一相位重合点模块的信号输出端和第二相位重合点模块的信号输出端同时连接闸门信号生成模块的信号输入端,第三相位重合点模块的信号输出端连接逻辑门系统模块的信号输入端,逻辑门系统模块的信号输出端连接闸门信号生成模块的信号输入端,闸门信号生成模块的信号输出端连接时间间隔产生模块的信号输入端,时间间隔产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端; |
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说明书全文 | 一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法技术领域[0001] 本发明涉及一种时间间隔测量系统及测量方法,尤其涉及一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法。 背景技术[0002] 在北斗时频系统中,卫星时钟与接收机时钟之间的短时间间隔是北斗高精度定位、北斗精密授时及通信的重要决定因素,所述的短时间间隔是因频标信号和被测信号时标不同产生的时钟误差,简称时差,它代表了天基和地基系统之间的时间同步精度。 [0003] 传统的基于北斗时钟的短时间间隔测量方法多建立在时间处理基础之上,在时间数字化处理过程中,一方面存在着±1字的计数误差,另一方面由于接收机使用环境的变化以及卫星信号受复杂空地背景的影响,闸门边沿的抖动性加强,同时由于北斗时频系统硬件的不一致性和不匹配性所造成的系统误差,降低了闸门时间的稳定性,无法保证卫星和地面之间的高精度时间同步,很难实现厘米至毫米级的北斗卫星定位服务能力。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法,能够有效消除北斗时频硬件误差对测量精度的影响,大幅度提高短时间间隔测量分辨率,实现星‑地之间的高精度时间同步,加强厘米至毫米级的北斗卫星定位服务能力。 [0005] 为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案: [0006] 一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统,包括卫星接收机模块、第一时延模块、第二时延模块、第一相位重合点模块、第二相位重合点模块、第三相位重合点模块、逻辑门系统模块、闸门信号生成模块、时间间隔产生模块、显示模块和电源模块;卫星接收机模块的信号输出端分别连接第一相位重合点模块的信号输入端、第一时延模块的信号输入端和第二时延模块的信号输入端,第一时延模块的信号输出端连接第二相位重合点模块的信号输入端,第二时延模块的信号输出端连接第三相位重合点模块的信号输入端,第一相位重合点模块的信号输出端和第二相位重合点模块的信号输出端同时连接闸门信号生成模块的信号输入端,第三相位重合点模块的信号输出端连接逻辑门系统模块的信号输入端,逻辑门系统模块的信号输出端连接闸门信号生成模块的信号输入端,闸门信号生成模块的信号输出端连接时间间隔产生模块的信号输入端,时间间隔产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端; [0008] 所述的第一时延模块采用时钟周期为第一时钟周期的第一边沿型D触发器,用于被测信号和频标信号的第一时钟周期时延;所述的第二时延模块采用时钟周期为第二时钟周期的第二边沿型D触发器,用于被测信号和频标信号的第二时钟周期时延,所述的第一时钟周期和第二时钟周期的大小不同,且第一时钟周期与第二时钟周期之间的差值的绝对值定义为时间微差; [0009] 所述的第一相位重合点模块采用第一异频相位检测电路,用于产生被测信号和频标信号之间的第一相位重合点脉冲;所述的第二相位重合点模块采用第二异频相位检测电路,用于产生被第一时延模块延迟后的被测信号和频标信号之间的第二相位重合点脉冲;所述的第三相位重合点模块采用第三异频相位检测电路,用于产生被第二时延模块延迟后的被测信号和频标信号之间的第三相位重合点脉冲; [0010] 所述的逻辑门系统模块采用反相器,用于对第三相位重合点脉冲的相位取反; [0012] 所述的时间间隔产生模块采用可编程计数器,用于测量被测信号和频标信号之间钟差的大小; [0013] 所述的显示模块,用于接收时间间隔产生模块的测量结果并进行显示。 [0014] 所述的北斗接收机采用XHTF7107‑B型。 [0015] 所述的第一边沿型D触发器和第二边沿型D触发器均采用74LS175芯片。 [0016] 所述的第一异频相位检测电路、第二异频相位检测电路和第三异频相位检测电路均采用异频相位检测电路,所述的异频相位检测电路由第一D触发器、第二D触发器、第一逻辑与门、第二逻辑与门、第三逻辑与门、第一逻辑非门和第二逻辑非门构成,第一D触发器的D1输入端和D2输入端分别连接第一逻辑与门的A1输入端和第一D触发器的Q1输出端,第一D触发器的Q2输出端连接第一逻辑非门的输入端,第一逻辑非门的输出端连接第一逻辑与门的B1输入端,第二D触发器的D3输入端和D4输入端分别连接第二逻辑与门的A2输入端和第二D触发器的Q3输出端,第二D触发器的Q4输出端连接第二逻辑非门的输入端,第二逻辑非门的输出端连接第二逻辑与门的B2输入端,第二逻辑与门的输出端Y1和第二逻辑与门的输出端Y2分别连接第三逻辑与门的A3输入端和B3输入端;第三逻辑与门的输出端Y3为异频相位重合检测电路的输出端;所述的第一异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为频标信号和被测信号的输入端,所述的第二异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为经第一延时模块延时后的频标信号和被测信号的输入端,所述的第三异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为经第二延时模块延时后的频标信号和被测信号的输入端。 [0017] 所述的反相器采用74LS04芯片。 [0018] 所述的三输入与门电路采用74LS11芯片。 [0019] 所述的可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现,所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。 [0020] 一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量方法,包括以下步骤: [0021] 步骤1:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第一相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第一相位重合点脉冲,第一相位重合点脉冲是一系列不能被系统检测分辨率所识别的相位差脉冲组成,其包络呈现高斯型随机分布; [0022] 步骤2:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第一时延模块,第一时钟周期时延的时延量的大小由第一边沿型D触发器的第一时钟周期决定,第一时钟周期时延后的频标信号和被测信号被送入第二相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第二相位重合点脉冲,第二相位重合点脉冲与第一相位重合点脉冲相比,脉冲宽度相同,相位上延迟了一个第一时钟周期; [0023] 步骤3:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第二时延模块,第二时钟周期时延的时延量的大小由第二边沿型D触发器的第二时钟周期决定,第二时钟周期时延后的频标信号和被测信号被送入第三相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第三相位重合点脉冲,然后第三相位重合点脉冲被送入逻辑门系统模块即反相器进行相位取反,获得反相的第三相位重合点脉冲,反相的第三相位重合点脉冲与第一相位重合点脉冲相比,脉冲宽度相同,相位上相反且延迟了一个第二时钟周期; [0024] 步骤4:将第一相位重合点脉冲、第二相位重合点脉冲和反相的第三相位重合点脉冲同时送入闸门信号生成模块即三输入与逻辑门电路,生成闸门开关脉冲信号,闸门开关脉冲信号的宽度与时间微差的宽度相同; [0025] 步骤5:闸门开关脉冲信号被送入时间间隔产生模块即可编程计数器,作为可编程计数器的闸门开关,在闸门时间内对频标信号进行无间隙计数,通过计数值的大小获得频标信号和被测信号之间钟差的测量结果。 [0026] 与现有技术相比,本发明的有益效果为: [0027] 本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统利用FPGA技术使测量系统芯片化和集成化,系统结构简单,相位噪声低,稳定性和功能性强; [0028] 进一步的,本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量方法通过差分相位同步检测方法减小相位重合点脉冲的宽度以提取相位重合点边沿脉冲作为闸门开关信号,增强了闸门信号的稳定性,提高了闸门时间测量的准确度;基于此,本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量方法区别于现有的短时间间隔测量方法,大幅度提高了短时间间隔的测量分辨率以及北斗时频系统的检测分辨率及其稳定性,实现了星‑地之间的高精度时间同步,加强了厘米至毫米级的北斗卫星定位服务能力。附图说明 [0029] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0030] 图1为本发明的原理框图。 具体实施方式[0031] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。 [0032] 如图1所示:本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统,包括卫星接收机模块、第一时延模块、第二时延模块、第一相位重合点模块、第二相位重合点模块、第三相位重合点模块、逻辑门系统模块、闸门信号生成模块、时间间隔产生模块、显示模块和电源模块;卫星接收机模块的信号输出端分别连接第一相位重合点模块的信号输入端、第一时延模块的信号输入端和第二时延模块的信号输入端,第一时延模块的信号输出端连接第二相位重合点模块的信号输入端,第二时延模块的信号输出端连接第三相位重合点模块的信号输入端,第一相位重合点模块的信号输出端和第二相位重合点模块的信号输出端同时连接闸门信号生成模块的信号输入端,第三相位重合点模块的信号输出端连接逻辑门系统模块的信号输入端,逻辑门系统模块的信号输出端连接闸门信号生成模块的信号输入端,闸门信号生成模块的信号输出端连接时间间隔产生模块的信号输入端,时间间隔产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端; [0033] 所述的卫星接收机模块采用北斗接收机,优选的,所述的北斗接收机采用XHTF7107‑B型北斗接收机,用于提供卫星频率信号和接收机振荡器信号,即被测信号和频标信号;被测信号和频标信号都是频率为1575.42MHz( L1波段频率)的脉冲信号,被测信号采用卫星时标,频标信号采用接收机时标,两者因所依据的时标不同产生时钟误差即钟差,钟差是一种短时间间隔; [0034] 所述的第一时延模块采用时钟周期为第一时钟周期的第一边沿型D触发器,用于被测信号和频标信号的第一时钟周期时延;所述的第二时延模块采用时钟周期为第二时钟周期的第二边沿型D触发器,用于被测信号和频标信号的第二时钟周期时延,所述的第一时钟周期和第二时钟周期的大小不同,且第一时钟周期与第二时钟周期之间的差值的绝对值定义为时间微差;优选的,所述的第一边沿型D触发器和第二边沿型D触发器均采用74LS175芯片; [0035] 所述的第一相位重合点模块采用第一异频相位检测电路,用于产生被测信号和频标信号之间的第一相位重合点脉冲;所述的第二相位重合点模块采用第二异频相位检测电路,用于产生被第一时延模块延迟后的被测信号和频标信号之间的第二相位重合点脉冲;所述的第三相位重合点模块采用第三异频相位检测电路,用于产生被第二时延模块延迟后的被测信号和频标信号之间的第三相位重合点脉冲;优选的,所述的第一异频相位检测电路、第二异频相位检测电路和第三异频相位检测电路均采用异频相位检测电路,所述的异频相位检测电路由第一D触发器、第二D触发器、第一逻辑与门、第二逻辑与门、第三逻辑与门、第一逻辑非门和第二逻辑非门构成,第一D触发器的D1输入端和D2输入端分别连接第一逻辑与门的A1输入端和第一D触发器的Q1输出端,第一D触发器的Q2输出端连接第一逻辑非门的输入端,第一逻辑非门的输出端连接第一逻辑与门的B1输入端,第二D触发器的D3输入端和D4输入端分别连接第二逻辑与门的A2输入端和第二D触发器的Q3输出端,第二D触发器的Q4输出端连接第二逻辑非门的输入端,第二逻辑非门的输出端连接第二逻辑与门的B2输入端,第二逻辑与门的输出端Y1和第二逻辑与门的输出端Y2分别连接第三逻辑与门的A3输入端和B3输入端;第三逻辑与门的输出端Y3为异频相位重合检测电路的输出端;所述的第一异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为频标信号和被测信号的输入端,频标信号和被测信号被送入所述的第一异频相位检测电路,进行异频鉴相,由所述的第一异频相位检测电路的第三逻辑与门的输出端Y3输出第一相位重合点脉冲,第一相位重合点脉冲是一系列不能被系统检测分辨率所识别的相位差脉冲组成,其包络呈现高斯型随机分布;所述的第二异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为经第一延时模块延时后的频标信号和被测信号的输入端,经第一延时模块延时后的频标信号和被测信号被送入所述的第二异频相位检测电路,进行异频鉴相,由所述的第二异频相位检测电路的第三逻辑与门的输出端Y3输出第二相位重合点脉冲,第二相位重合点脉冲与第一相位重合点脉冲相比,在脉冲宽度上相同,在相位上延迟了一个第一时钟周期;所述的第三异频相位检测电路的第一D触发器的D1输入端和第二D触发器的D3输入端分别作为经第二延时模块延时后的频标信号和被测信号的输入端,经第二延时模块延时后的频标信号和被测信号被送入所述的第三异频相位检测电路,进行异频鉴相,由所述的第三异频相位检测电路的第三逻辑与门的输出端Y3输出第三相位重合点脉冲,所述的第三相位重合点脉冲被送入所述的逻辑门系统模块,优选的,所述的逻辑门系统模块采用反相器,所述的反相器采用74LS04芯片,用于对第三相位重合点脉冲的相位取反;上述过程中,频标信号和被测信号分别被送入第一相位重合点模块、第一时延模块和第二时延模块的时间相同,且第一时钟周期和第二时钟周期大小不同,存在一个时间微差,该时间微差为系统的测量分辨率,通过调节第一时钟频率和第二时钟频率的大小可以获得更好的系统测量分辨率; [0036] 所述的闸门信号生成模块采用三输入与门电路,优选的,所述的三输入与门电路采用74LS11芯片,用于产生闸门开关脉冲信号,即可编程计数器的计数闸门的开关信号; [0037] 所述的时间间隔产生模块采用可编程计数器,优选的,所述的可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现,所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75,用于测量被测信号和频标信号之间钟差的大小,即所述的短时间间隔的大小; [0038] 所述的显示模块采用LCD液晶显示器,用于接收时间间隔产生模块的测量结果并进行显示; [0039] 进一步的,所述的电源模块对整个系统进行供电,可采用开关电源,相比于模拟电源具有输出稳定的优点。 [0040] 本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量方法,包括以下步骤: [0041] 步骤1:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第一相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第一相位重合点脉冲,第一相位重合点脉冲是一系列不能被系统检测分辨率所识别的相位差脉冲组成,其包络呈现高斯型随机分布; [0042] 步骤2:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第一时延模块,第一时钟周期时延的时延量的大小由第一边沿型D触发器的第一时钟周期决定,第一时钟周期时延后的频标信号和被测信号被送入第二相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第二相位重合点脉冲,第二相位重合点脉冲与第一相位重合点脉冲相比,脉冲宽度相同,相位上延迟了一个第一时钟周期; [0043] 步骤3:由卫星接收机模块提供的频标信号和被测信号被送入第二时延模块,第二时钟周期时延的时延量的大小由第二边沿型D触发器的第二时钟周期决定,第二时钟周期时延后的频标信号和被测信号被送入第三相位重合点模块,进行异频鉴相,产生第三相位重合点脉冲,然后第三相位重合点脉冲被送入逻辑门系统模块即反相器进行相位取反,获得反相的第三相位重合点脉冲,反相的第三相位重合点脉冲与第一相位重合点脉冲相比,脉冲宽度相同,相位上相反且延迟了一个第二时钟周期; [0044] 上述过程中,频标信号和被测信号分别被送入第一相位重合点模块、第一时延模块和第二时延模块的时间相同,且第一时钟周期和第二时钟周期大小不同,存在一个时间微差,所述的时间微差为系统测量分辨率,通过调节第一时钟频率和第二时钟频率的大小可以获得更好的系统测量分辨率; [0045] 步骤4:将第一相位重合点脉冲、第二相位重合点脉冲和反相的第三相位重合点脉冲同时送入闸门信号生成模块即三输入与逻辑门电路,生成闸门开关脉冲信号,闸门开关脉冲信号的宽度与时间微差的宽度相同; [0046] 步骤5:闸门开关脉冲信号被送入时间间隔产生模块即可编程计数器,作为可编程计数器的闸门开关,在闸门时间内对频标信号进行无间隙计数,通过计数值的大小获得频标信号和被测信号之间钟差的测量结果。 [0047] 与现有技术相比,本发明所述的一种基于北斗时钟的精密短时间间隔测量系统及测量方法的有益效果在于: [0048] 现有的北斗时频系统中,频标跟踪电路保证了频标信号和被测信号之间频率关系的稳定性即作为系统测量分辨率的稳定性,在稳定的测量分辨率下,系统的测量精度主要受检测器件的影响,高的测量分辨率和低的检测分辨率在异频相位检测时会产生由一系列相位重合点脉冲,检测器件的分辨率不同,相位重合点脉冲的边沿特征也不同,在参考闸门内开门信号和关门信号在对应时刻并不严格同步,影响了实际闸门时间的测量精度; [0049] 本发明通过差分相位同步检测方法减小相位重合点脉冲的宽度以提取相位重合点边沿脉冲作为闸门开关信号,增强了闸门信号的稳定性,提高了闸门时间测量的准确度;基于此,本发明区别于现有的短时间间隔测量方法,大幅度提高了短时间间隔的测量分辨率以及北斗时频系统的检测分辨率及其稳定性,实现了星‑地之间的高精度时间同步,加强了厘米至毫米级的北斗卫星定位服务能力;进一步的,本发明利用FPGA技术使测量系统芯片化和集成化,系统结构简单,相位噪声低,稳定性和功能性强。 [0050] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |