一种自主可控多模抗干扰时统设备 |
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| 申请号 | CN202010363001.8 | 申请日 | 2020-04-30 | 公开(公告)号 | CN111596541A | 公开(公告)日 | 2020-08-28 |
| 申请人 | 河南职业技术学院; | 发明人 | 刘拥军; 李小强; 李伟; 肖龙; 韩冬瑞; 高金宇; 施利春; 李太祥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于时统设备技术领域，公开一种自主可控多模抗干扰时统设备，包括时频 信号 接收机模 块 ，多模信息融合模块，时间和 频率 处理模块，时间信号 接口 协议模块，接口转换模块，频率控 制模 块， 人机交互 模块，自检模块及电源模块；所述多模信息融合模块包括UTC处理子模块，短波1PPS处理子模块，长波1PPS处理子模块，1PPS守时子模块，合成1PPS子模块；所述抗欺骗干扰处理单元包括功率一致性检测子单元，功率正常性检测子单元， 定位 模式切换检测子单元，伪距变化率检测子单元，惯 导联 合检测子单元，最小二乘冗余检测子单元及欺骗干扰判决子单元。本发明提高了输出频率的准确度，也提高了三种授时模式都不可用时的守时 精度 和内部 信号处理 的精度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自主可控多模抗干扰时统设备，其特征在于，包括时频信号接收机模块，多模信息融合模块，时间和频率处理模块，时间信号接口协议模块，接口转换模块，频率控制模块，人机交互模块，自检模块及电源模块； |
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| 说明书全文 | 一种自主可控多模抗干扰时统设备技术领域[0001] 本发明属于时统设备技术领域，尤其涉及一种自主可控多模抗干扰时统设备。 背景技术[0002] 时间频率作为一个重要的基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要作用。时间统一设备（简称时统设备）是提供统一标准时间信号和标准频率信号的设备。时间基准已经成为整个国家信息化建设的重要基础信息，高精度的时间服务在通信、网络、金融证券、广电、电力、国防、航空航天、基础研究等领域有着广泛的应用需求。频率信号是所有通信、网络和电子设备的必备信号；频率信号的准确性和稳定性对于这些系统和设备性能起着至关重要的作用（2018年中国时间频率行业发展现状及发展前景分析;中国产业信息网(http://www.chyxx.com/industry/201801/604269.html),2018年01月16日.）。2019年7月14日，欧洲的伽利略卫星导航定位系统技术故障导致部分导航服务中断，就是因为系统的时统出现了故障，导致整个系统的崩溃。 [0003] 现阶段主要的授时方法主要包括短波授时、长波授时、星基授时方式、网络授时等多种方式。其中采用卫星导航定位系统的星基授时模式，如北斗、GPS、Glonass来进行授时，其授时精度高，可以达到50ns，授时响应时间短，一般小于2分钟，但其易受遮挡、干扰和欺骗（张政治,贺振华,郑鹏宇;基于北斗系统的网络时间同步系统建设研究;第九届中国卫星导航学术年会论文集;2018-05-23;哈尔滨.）。短波授时廉价而方便，年阻断率低，一般小于0.13‰，精度只有±lms左右。长波授时覆盖能力比短波强，授时精度达到微秒量级，但是每天只发播8小时，年阻断率较高。网络授时是基于国际互联网或者局域网的授时方式，局域网授时精度可达1ms，国际互联网精度可达10ms，其特点是兼容互联网协议，终端无须其他辅助设备。现阶段，市场上的时统设备绝大部分都是基于星基授时方式，网络授时的时间源也大都基于星基授时方式。但卫星导航定位系统的连续性、可用性和抗干扰性对于某些重要场合仍显得比较薄弱，具体表现在：卫星导航定位系统的信号容易被遮挡，需要将天线置于开阔的室外，才能接收到卫星的信号，室内难以应用；卫星导航定位系统的信号的开放性，使得其容易受到外部的干扰和欺骗，现在导航战已经成为电子战的一个热点方向，干扰和欺骗变得越来越容易；国产化程度低；虽然我国的北斗一代、二代、三代导航定位系统已经成熟，但是大多数接收机的芯片都是国外的芯片，国产自主化程度不高，存在一定的隐患。从以上的四种授时方式的特点可以看出，各有优缺点，如果能够充分融合这几种授时模式，互补克服缺点，互助发挥优势，能够使得时统设备的性能和可靠性的产生倍增效应。这种多模结合方式的时统设备就能在提高系统性能的同时，提高系统的鲁棒性和可靠性。 [0004] 现阶段主要的频率源包括石英晶体振荡器和原子钟，石英晶体振荡器是指内含石英晶体与振荡电路的模组，可直接产生振荡讯号输出。主要包括以下类型：XO : 一般型(Crystal oscillator)； TCXO : 温度补偿型晶振(Temperature compensated crystal oscillator)； OCXO : 恒温晶振(Oven-controlled crystal oscillator)；恒温晶振又分为单槽恒温晶振和双槽恒温晶振； VCXO : 电压控制型晶振(Voltage-controlled crystal oscillator)；压控振荡器是可以通过控制电压来调整输出频率，XO、TCXO、OCXO一般也都有压控功能。 [0005] 原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。根据采用的材料不同主要包括铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟等。原子钟具有准确性高，稳定性好的特点，但是技术难度和成本也很高。现阶段对于国内的频率源的现状主要有：温补晶振TCXO已经接近国际同类产品的水平； 恒温晶振OCXO的性能还难以达到国际先进水平，体积也较国外的大； 铷原子钟、铯原子钟的国产化能力较弱，性能指标和体积差距较大，价格也比国外的贵一倍以上。 [0006] 从以上授时和频率源的现状可以看出，现在很多国产的时统设备能够满足现阶段基本的应用需求；但是这些设备过分依赖卫星导航定位系统，抗干扰能力弱，国产化程度低；难以应对高对抗时期、战时等复杂环境下的应用需求，特别是对于一些关系到国计民生和国防信息安全的关键系统和节点，现阶段的时频设备是比较脆弱的。 [0007] 国内外有较多的基于卫星导航定位系统的授时模块和系统。国内研制的时统设备的性能基本上已经和国外的设备相当。如中国科学院长春光学精密机械与物理研究所基于U-blox的LEA-M8T设计和实现了快速高精度授时系统，正常接收卫星信号的情况下，授时精度可达到30ns。可在恶劣天气只见一颗星情况下输出时间信号，实测同步信号精度为600ns。随着北斗系统的发展，我国一些单位和公司开始研发基于GPS和北斗系统的授时设备，如中国航天科工集团第二研究院706所研究并设计了一种授时定位设备，该设备不仅具备北斗、GPS卫星导航系统移动终端的各种功能特性，而且结合了B码、外校时等辅助授时功能，除此之外，还实现了高精度自守时功能，守时精度约为24小时1ms的误差。成都天奥电子股份有限公司研制一系列北斗二代/GPS授时模块和板卡，还研制了时频信号性能测试仪，该公司能够自主设计和制作铷原子钟，在基本性能方面达到了国际先进水平。西安同步电子科技有限公司研制了种类齐全的北斗二代/GPS授时的时统类板卡和设备，其基于铷原子钟的时钟同步设备的授时精度能够达到10ns。北京泰福特电子科技有限公司研发的HJ5435-BD GPS同步时钟，输出的频率稳定度5*10-12/s；正常接收的情况下1PPS（每秒一个脉冲）的误差小于30ns。 [0008] 这些现有的设备的主要特点如下：（1）基于卫星导航定位系统的授时为主，在授时源上没有备份，当卫星导航定位系统不可用的时候，大多采用频率源守时的方法，累计误差会越来越大。 [0009] （2）抗干扰能力差，基本上都不具备抗压制干扰能力，更不具备抗欺骗干扰的能力。 [0011] （4）在信号处理上，采用多种卫星导航定位系统进行授时的时候，只是对多种模式的1PPS进行了优选和补充，没有进行真正的数据融合处理，对整个系统的性能提高不明显。对频率的控制精度不够，一般只能达到处理器的最高时钟速率，大多数的设备采用的ARM处理器；所以，时间和频率精度都不高，同时也导致其守时精度不高。 [0012] 信息安全已经是任何国家、政府、部门、行业都必须十分重视的问题，是一个不容忽视的国家安全战略。对于时统设备来说，其安全性会直接影响其应用领域的信息安全和系统安全，时统如果出现问题，电网的控制系统，证卷系统就会崩溃；银行系统、互联网系统、军事指挥系统都会受到很大的影响。所以，提高时统设备的抗干扰能力对于很多系统的信息安全具有重要的意义。 [0013] 综上所述，突破基于卫星导航定位系统、长波、短波等授时技术的多模时统技术，时统设备抗压制和抗欺骗干扰技术，自主可控技术等；研究并实现国产化程度高，鲁棒性强、抗干扰能力强的时统设备具有重要的现实意义。 发明内容[0014] 本发明针对现有时统设备对于卫星导航定位系统依赖程度过高、抗干扰能力较弱、自主可控程度低等一系列问题，提出一种自主可控多模抗干扰时统设备。 [0015] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种自主可控多模抗干扰时统设备，包括时频信号接收机模块，多模信息融合模块，时间和频率处理模块，时间信号接口协议模块，接口转换模块，频率控制模块，人机交互模块，自检模块及电源模块； 所述时频信号接收机模块用于接收短波、长波和导航卫星的时间信息，所述时间信息包括1PPS、UTC和状态信息，并将时间信息输入到多模信息融合模块； 所述多模信息融合模块用于将所述时间信息进行融合，包括UTC时间信号的比对，1PPS时间信号的融合和优化； 所述时间和频率处理模块用于利用优化后的1PPS对频率进行修正； 所述时间信号接口协议模块用于根据需求进行UTC及1PPS时间信号接口协议的转换； 所述接口转换模块用于实现电平转换及网络接口功能； 所述频率控制模块用于对时间和频率处理模块输出的频率信息进行控制； 所述人机交互模块包括显控模块和触控屏，用于进行人机交互； 所述自检模块用于实现开机和工作过程中的各个模块的检测和错误码的形成，检测的结果通过显控模块显示出来； 所述电源模块用于将输入的220VAC信号转换为24VDC信号，供整个设备使用。 [0016] 进一步地，所述时频信号接收机模块包括短波接收机子模块，长波接收机子模块和授时型接收机子模块，所述短波接收机子模块包括短波接收机，所述长波接收机子模块包括长波接收机，所述授时型接收机子模块包括授时型接收机、抗干扰天线及抗欺骗干扰处理单元，所述抗欺骗干扰处理单元用于通过对授时型接收机的输出信息的后处理进行欺骗干扰的检测，并向外部输出告警信息。 [0017] 进一步地，所述多模信息融合模块包括UTC处理子模块，短波1PPS处理子模块，长波1PPS处理子模块，1PPS守时子模块，合成1PPS子模块；所述UTC处理子模块用于对三种接收机获得的世界协调时进行校验和比对，选出正确的UTC，并将三种接收机的UTC时间是否一致的状态输出到外部； 所述短波1PPS处理子模块用于在授时型接收机的1PPS有效时，用授时型接收机的1PPS修正短波接收机的1PPS的误差；通过平滑滤波，获得短波接收机的1PPS的累积平均误差值，在修正该误差之后，输出短波接收机的1PPS，并根据误差的稳定度给出短波接收机的置信度参数供后续合成1PPS子模块使用； 所述长波1PPS处理子模块用于授时型接收机的1PPS有效时，用授时型接收机的1PPS修正长波接收机的1PPS的误差；通过平滑滤波，获得长波接收机的1PPS的累积平均误差值，在修正该误差之后，输出长波接收机的1PPS，并根据误差的稳定度给出长波接收机的置信度参数供后续合成1PPS子模块使用； 所述1PPS守时子模块用于对授时型接收机获得的1PPS进行守时，当其无效时，采用已经驯服的准确时钟对其进行计数保持； 所述合成1PPS子模块用于对三种接收机输入的1PPS进行选择，第一选择是授时型接收机输出的1PPS，第二选择和第三选择分别是根据长波接收机和短波接收机的置信度参数，选择误差修正后的长波接收机输出的1PPS及误差修正后的短波接收机输出的1PPS，第四选择是1PPS守时子模块输出的1PPS；合成1PPS子模块还用于利用已经驯服的准确时钟对选择后的1PPS进行平滑滤波。 [0018] 进一步地，所述频率控制模块包括高精度DA、晶振/原子钟、放大器、功分器，所述高精度DA、晶振/原子钟、放大器及功分器依次相连。 [0019] 进一步地，所述抗欺骗干扰处理单元包括功率一致性检测子单元，功率正常性检测子单元，定位模式切换检测子单元，伪距变化率检测子单元，惯导联合检测子单元，最小二乘冗余检测子单元及欺骗干扰判决子单元。 [0021] 进一步地，所述时间和频率处理模块及频率控制模块具体按照如下方式进行频率信号的处理：a、采用低噪声放大器对晶振/原子钟输出的频率信号进行放大，采用功分器对其进行分路，一路给多相位锁相环子模块，其他路输出到外部； b、输入到多相位锁相环子模块的频率信号进行倍频，多相位锁相环子模块同时输出多个不同相位的时钟信号； c、多个不同相位的时钟信号输入到多相位计数器中，分别对外部输入的原始1PPS进行计数； d、对不同相位频率的计数值进行平均，得出计数平均值； e、通过计数平均值及理想计数值计算计数值误差； f、计数值误差值通过环路滤波器进行长期平均，得出频率参数的修正量； g、将频率参数的修正量转换为DA控制量； h、将DA控制量输出到高精度DA； i、高精度DA产生模拟压控信号，压控晶振/原子钟的频率，改变输出的频率，直到计数值误差趋于0。 [0022] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：（1）基于卫星导航定位系统、长波、短波三种授时模式融合的授时技术 三种授时模式本身就能够提高整个设备的可靠性和稳定性。在设计的过程中，不是简单的三模选择，而是先用精度最高的卫星导航授时修正短波授时和长波授时，以获得这两种精度较差的授时方式的误差参数，并根据误差的稳定性给出这两种授时模式的置信度。 使得卫星导航授时不可用的时候，能够选择最佳的第二选择。同时，进行高速、高精度的频率信号处理，提高输出频率的准确度，也提高了三种授时模式都不可用的时候的守时精度和内部信号处理的精度。 [0023] （2）基于天线、信号处理和数据后处理的一体化抗干扰技术本发明的时统设备，把抗干扰技术作为一个重点来考虑，系统地设计了抗干扰方案。采用阵列天线技术从空域上形成波束零点的方式抗强压制干扰，在授时型导航模块的选择上，选择了能够从频域上抑制窄带干扰的授时型接收机子模块。对于卫星导航定位系统最为敏感的欺骗干扰，本发明采用功率一致性检测、功率正常性检测、定位模式切换检测、伪距变化率检测、惯导联合检测、最小二乘冗余检测等六种方式进行欺骗干扰的检测，以防止授时的第一选择卫星导航授时被欺骗而导致的整个系统被欺骗。 附图说明 [0024] 图1为本发明实施例一种自主可控多模抗干扰时统设备架构示意图；图2为本发明实施例一种自主可控多模抗干扰时统设备的多模信息融合结构示意图； 图3为本发明实施例一种自主可控多模抗干扰时统设备的抗欺骗干扰处理单元结构示意图； 图4为本发明实施例用软件无线电方式产生的有欺骗干扰时接收机收到的卫星功率图； 图5为本发明实施例一种自主可控多模抗干扰时统设备的频率信号处理流程示意图； 图6为本发明实施例一种自主可控多模抗干扰时统设备硬件架构示意图。 具体实施方式[0025] 下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：如图1所示，一种自主可控多模抗干扰时统设备，包括： 一种自主可控多模抗干扰时统设备，包括时频信号接收机模块，多模信息融合模块，时间和频率处理模块，时间信号接口协议模块，接口转换模块，频率控制模块，人机交互模块，自检模块及电源模块； 所述时频信号接收机模块用于接收短波、长波和导航卫星的时间信息（包括1PPS、UTC和状态信息。状态信息主要是时间是否有效、信号质量（信噪比等）），并将时间信息输入到多模信息融合模块； 所述多模信息融合模块用于将所述时间信息进行融合，包括UTC（世界协调时）时间信号的比对，1PPS（秒脉冲）时间信号的融合和优化； 所述时间和频率处理模块主要是利用优化后的时间信号1PPS对频率进行修正，采用多相位锁相环技术，结合高速FPGA处理器。利用1PPS具有长稳特性好的特点能，通过1PPS对晶振或者原子钟输出的10MHz的频率进行驯服，输出晶振/原子钟的控制信号，通过控制信号修正晶振/原子钟的频率，多次闭环修正后，使得晶振/原子钟的频率的准确度的误差优于 10-11量级以上； 所述时间信号接口协议模块用于根据需求进行UTC及1PPS时间信号接口协议的转换，包括将UTC时间信号转换为UART串行格式，将1PPS和UTC转换为常用的Irig-B DC码的格式，方便用户使用； 接口转换模块包括电平转换功能和网络接口功能，电平转换可以根据用户需要生成TTL电平、RS232电平、RS422差分电平等不同的电平信号；网络接口功能主要是根据给定的 1PPS和UTC时间信息，产生网络授时协议信号NTP网络授时信号；具体地，所述接口转换模块的电平转换功能通过RS422差分芯片实现；作为一种可实施方式，RS422差分芯片选用芯佰微电子（北京）有限公司自主研发的CBM3485AS芯片； 所述频率控制模块用于对时间和频率处理模块输出的频率信息进行控制； 所述人机交互模块包括显控模块和触控屏，用于进行人机交互；主要是对外输出整机状态、时间信息、位置信息，授时源信息等参数；用户可以通过触控屏输入控制参数，对整机进行参数的控制； 所述自检模块用于实现开机和工作过程中的各个模块的检测和错误码的形成，检测的结果通过显控模块显示出来； 所述电源模块用于将输入的220VAC信号转换为24VDC信号，供整个设备使用；作为一种可实施方式，为了保证整机的电源的稳定性和可靠性，拟采用的是航天长峰朝阳电源有限公司的大功率精密线性电源4NIC-X72 24V3A电源，保证输出功率的同时，有着良好的效率和纹波特性，其主要特点是低噪声，低纹波，集成芯片控制可靠性高；低压差电路设计功耗小，设计裕量大；设备内部其他电压都采用线性电源模块，保证输出功率的同时，有着良好的效率和纹波特性，该电源模块采用外部输入的24VDC作为输入，分别产生12V、9V、5V、 3.3V、1.2V的直流电源，供整个设备的各个模块使用； 具体地，所述时频信号接收机模块包括短波接收机子模块（短波授时），长波接收机子模块（长波授时）和（北斗、GPS、Glonass）授时型接收机子模块（卫星导航（定位系统）授时），所述短波接收机子模块包括短波接收机及对应的天线，所述长波接收机子模块包括长波接收机及对应的天线，所述授时型接收机子模块包括授时型接收机、抗干扰天线、抗欺骗干扰处理单元及惯导模块，所述抗欺骗干扰处理单元用于通过对授时型接收机的输出信息的后处理进行欺骗干扰的检测，并向外部输出告警信息。授时型导航接收机的主要功能是接收多系统的卫星导航信号，实现授时和定位；现阶段能够实现这些功能的国产化模块较多，由于要进行抗干扰的设计；所以，主要从抗干扰角度进行选型和设计。作为一种可实施方式，抗干扰天线选择北京和芯星通科技有限公司的US7760天线作为授时型导航接收机的天线； 选择北京和芯星通科技有限公司基于新一代的Nebulas-II 高性能SoC芯片开发的全系统GNSS 高精度板卡UB4B0作为授时接收机；长波授时接收机采用西安高华科技有限公司自主研发的威赛世电波挂钟机芯；短波接收机选择同方电子科技有限公司（国营第713厂）的SSD033A短波CPCI板卡式接收机进行定制改造，其主要参数如下：工作频率范围：0.1MHz～ 30MHz；频率分辨率：1Hz；解调方式：USB、LSB、ISB、CW、AM、FM。 [0026] 具体地，所述多模信息融合模块包括UTC处理子模块，短波1PPS处理子模块，长波1PPS处理子模块，1PPS守时子模块，合成1PPS子模块；如图2所示。 [0027] 所述UTC处理子模块用于对三种接收机获得的世界协调时进行校验和比对，选出正确的UTC，以防止三个中间的一个出现错误的时间，并将三种接收机的UTC时间是否一致的状态输出到外部；由于电离层扰动等因素的影响，短波授时获得的1PPS的精度只有毫秒级，而授时型接收机获得的1PPS精度可达50ns。所述短波1PPS处理子模块用于在授时型接收机的1PPS有效时，用授时型接收机的1PPS修正短波接收机的1PPS的误差；通过平滑滤波，获得短波接收机的1PPS的累积平均误差值，在修正该误差之后，输出短波接收机的1PPS，并根据误差的稳定度给出短波接收机的置信度参数供后续合成1PPS子模块使用； 所述长波1PPS处理子模块用于授时型接收机的1PPS有效时，用授时型接收机的1PPS修正长波接收机的1PPS的误差；通过平滑滤波，获得长波接收机的1PPS的累积平均误差值，在修正该误差之后，输出长波接收机的1PPS，并根据误差的稳定度给出长波接收机的置信度参数供后续合成1PPS子模块使用； 所述1PPS守时子模块用于对授时型接收机获得的1PPS进行守时，当其无效时，采用已经驯服的准确时钟对其进行计数保持，使得即使卫星导航定位接收机无法定位授时，也能在短时间内保证输出1PPS的基本准确性，例如，如果采用铷原子钟进行守时，一小时的误差小于300ns，但是守时的累积误差会越来越大； 所述合成1PPS子模块用于对三种接收机输入的1PPS进行选择，第一选择是授时型接收机输出的1PPS，第二选择和第三选择分别是根据长波接收机和短波接收机的置信度参数，选择误差修正后的长波接收机输出的1PPS及误差修正后的短波接收机输出的1PPS，第四选择是1PPS守时子模块输出的1PPS；合成1PPS子模块还用于利用已经驯服的准确时钟对选择后的1PPS进行平滑滤波，以减少原始的1PPS的随机抖动。 [0028] 具体地，所述频率控制模块包括高精度DA、晶振/原子钟、放大器、功分器几个部分，时间和频率处理模块输出的频率控制字输入到高精度DA中，DA将控制字转换为模拟电压，该电压压控晶振/原子钟的输出频率，输出的10MHz频率经过低噪声放大器放大后，输入到功分器中，功分器将频率信号分多路输出，一路输入到时间和频率处理模块形成频率调整闭环，其他多路输出到外部供用户使用；作为一种可实施方式，选用成都天奥电子股份有限公司自主研发的XHTF1011铷原子钟，放大器拟选用成都华光瑞芯微电子股份有限公司自主研发的HG511F低噪声放大器进行频率的功率放大，功分器拟选用苏州莱尔微波技术有限公司自主研发的LPD8S-DC-3功分器。 [0029] 具体地，所述抗欺骗干扰处理单元包括功率一致性检测子单元，功率正常性检测子单元，定位模式切换检测子单元，伪距变化率检测子单元，惯导联合检测子单元，最小二乘冗余检测子单元及欺骗干扰判决子单元；如图3所示。 [0030] 抗欺骗干扰处理单元的输入信息包括以下几个：NMEA-0183协议的基本信息；通过串口输出，主要包括位置信息、时间信息、卫星信息等基本的信息； 导航电文信息；一般通过SPI接口输出，主要是所接收的卫星解调出来的导航电文； 定位观测量信息；一般通过SPI接口输出，主要是伪距观测量和载波观测量信息； 惯导模块输出的九轴信息；通过串口输出，主要是三个方向的指向信息、三个轴的速度信息和三个维度的姿态信息。 [0031] 具体地，抗欺骗干扰处理单元的功能在嵌入式处理器香橙派中实现，各子单元功能如下：（1）功率一致性检测子单元 正常接收的各颗在轨卫星的信号的功率是差别较大的，而欺骗干扰的信号是同一个功率放大器放大的，同一个天线发射的，并且到达用户的距离是一样的；所以，如果不是欺骗干扰源进行了非常细致的功率控制处理（每个卫星单独进行功率控制，成本会大大提高），接收机接收到的各颗卫星功率会有很大的一致性，如图4所示，为用软件无线电的方式产生的欺骗干扰对接收机进行干扰时，接收机接收到的卫星信号的功率，从图4中可以看出GPS卫星和北斗卫星的信号功率高度一致。所以，当接收到的卫星的功率一致性过高的时候，可以作为有欺骗干扰的判据。 [0032] （2）功率正常性检测子单元通过导航电文信息中的卫星位置和本地的大概位置，可以根据卫星信号发射功率和自由空间衰减，初略计算出卫星信号到达接收机的最大载噪比。如果超过这个最大载噪比到一定程度，可以作为有欺骗干扰的判据。如图4所示，由于卫星距离用户远近不一样，不可能每颗卫星的信号的功率都有这么大。 [0033] （3）定位模式切换检测子单元本发明选用的授时型接收机可以支持北斗、GPS、Glonass、伽利略、QZSS等多种导航定位系统，并且支持选择其中的一种或多种体制进行定位。现阶段欺骗干扰大多数都是欺骗GPS和北斗信号，对于Glonass、伽利略和QZSS体制的欺骗较少见。可以通过命令控制接收机轮询单独采用以上几种体制进行定位，如果位置一致，则说明信号正常，如果不同体制定出的位置出现较大偏差（如10公里以上），则可认为某些体制的卫星信号可能是欺骗信号。 [0034] （4）伪距变化率检测子单元由于欺骗干扰源一般是固定的，其伪距观测量虽然可以模拟卫星的运动，但是由于其和用户之间的方位不确定，所以难以预测到达用户的伪距观测量的变化。所以，对多颗卫星的伪距观测量的变化进行详细的分析，可以通过其是否符合卫星相对接收机的运动方向来判断是否存在欺骗干扰。 [0035] （5）惯导联合检测子单元惯导模块能够实时地输出设备的九轴运动信息，通过提取惯导输出的三个方向的速度信息和导航接收机输出的速度信息进行比对，由于惯导是难以被欺骗的；所以，如果接收机被欺骗，其对导航接收机通过不同时间的定位的位置差获得速度信息会存在误差或者错误。可设置一定的误差门限，来检测是否存在欺骗干扰。 [0036] （6）最小二乘冗余检测子单元欺骗干扰源一般不是发射所有的导航卫星信号，而是会有选择性的发射一些卫星信号；这时，欺骗信号和真实信号都会被接收机接收。四颗卫星就能采用最小二乘算法实现定位和授时，由于可接收的卫星信号正常可达十几颗，如果都是真实的信号，那么任意四颗卫星的定位结果应该都是相差不大的。如果有真实的信号，也有欺骗的信号，那么定位的结果是不一致的，通过这种每四颗卫星定出一个位置，冗余多次计算位置的方式来检测是否有欺骗干扰。 [0037] （7）欺骗干扰判决子单元根据上述六个检测子单元的检测结果，综合判决给出存在欺骗干扰的风险等级，并通过告警信息输出到外部，供用户做出决策，例如用户可采用放弃卫星导航定位系统，选择短波、长波系统的定时结果等处理方式。 [0038] 具体地，所述时间和频率处理模块包括多相位锁相环子模块，多相位计数器及环路滤波器；所述多相位锁相环子模块用于产生多个不同相位的频率信号。 [0039] 作为一种可实施方式，多模信息融合模块、时间和频率处理模块及时间信号接口协议模块的功能通过FPGA处理器实现，FPGA拟采用国产的上海复旦微电子的FMK50。基于高速FPGA自主设计的时频处理主板，内部时间信息的处理和编码采用全FPGA处理的实现模式；可以避免嵌入式等处理器加载操作系统后的不稳定性的问题，提高了设备的稳定性和可靠性。采用高性能的时间频率处理算法；采用高速的多阶锁相技术，结合多相位的时钟信号，进行时间和频率的处理，提高了设备的精度和性能。采用高速的处理时钟速率；内部处理的时钟达到320MHz，保证了设备的精度。该主板最重要的一个功能是将导航模块给出的1PPS对铷原子钟进行驯服，然后，采用铷原子钟的准确频率，重新产生新的1PPS，通过该处理，能够将导航模块输出的20ns（RMS）精度的1PPS，精度提高到10ns（RMS）以内，满足指标对于时间精度的要求。同时进行Irig-B码的编码，采用FPGA进行编码，能够保证编码的实时性、准确性和各路输出的同步性。 [0040] 具体地，如图5所示，所述时间和频率处理模块及频率控制模块具体按照如下方式进行频率信号的处理：a、由于晶振/原子钟输出的频率不但要给FPGA使用，还要多路输出到外部；所以，首先采用低噪声放大器对晶振/原子钟输出的频率信号进行放大，采用功分器对其进行分路，一路给多相位锁相环子模块（FPGA），其他路输出到外部； b、输入到FPGA内部的10MHz频率信号进入到FPGA内部的多相位锁相环，倍频到320MHz（频率越高，精度越高；320MHz是所选择的FPGA能够稳定运行的较高频率）。多相位锁相环同时输出多个不同相位的320MHz频率，如0相位、60度相位、120度相位、180度相位、240度相位、300度相位6个不同相位的频率信号，同时输出一路320MHz频率信号给FPGA内部其他模块，如多模信息融合模块使用； c、多个不同相位的时钟信号输入到多相位计数器中，分别对外部输入的原始1PPS进行计数； d、对不同相位频率的计数值进行平均，得出计数平均值； e、通过计数平均值及理想计数值计算计数值误差；如果频率和1PPS都是理想的，那么计数值应该是320M（0 319999999计数），所以理想计数值应该是320M。但是由于频率和1PPS~ 的不准确性，计数值不是理想值，对于1PPS来说，虽然每次都是不准确的，但是长期来看其平均值是准确的。所以，长期来看计数平均值和理想计数值之间差是由于频率不准造成的，这个差就是计数值误差； f、计数值误差值通过环路滤波器进行长期平均，得出频率参数的修正量； g、将频率参数的修正量通过一定的比例转换为DA控制量；具体地，所述比例根据每个晶振的不同而不同； h、将DA控制量输出到高精度DA； i、高精度DA产生模拟压控信号，压控晶振/原子钟的频率，改变输出的频率，闭环的修正频率的值，直到计数值误差趋于0。 [0041] 通过上述过程，把外部晶振或者铷原子钟的频率修正到较为准确的10MHz，这样能够为外部提供高精度、高准确度的频率信号；同时，FPGA内部的频率信号也准确可靠，进行1PPS融合处理和守时的时候，能够保证系统的性能。 [0042] 作为一种可实施方式，本发明的硬件架构如图6所示，主要包括前面板、主机和后面板等部分，前面板主要是电源开关、用于指示基本的工作状态的LED指示灯、对外输出的时间和频率信号的接口。各模块的功能和设计如上述具体实施例所述。 [0043] 综上，本发明具有以下有益效果：（1）基于卫星导航定位系统、长波、短波三种授时模式融合的授时技术 三种授时模式本身就能够提高整个设备的可靠性和稳定性。在设计的过程中，不是简单的三模选择，而是先用精度最高的卫星导航授时修正短波授时和长波授时，以获得这两种精度较差的授时方式的误差参数，并根据误差的稳定性给出这两种授时模式的置信度。 使得卫星导航授时不可用的时候，能够选择最佳的第二选择。同时，进行高速、高精度的频率信号处理，提高输出频率的准确度，也提高了三种授时模式都不可用的时候的守时精度和内部信号处理的精度。 [0044] （2）基于天线、信号处理和数据后处理的一体化抗干扰技术本发明的时统设备，把抗干扰技术作为一个重点来考虑，系统地设计了抗干扰方案。采用阵列天线技术从空域上形成波束零点的方式抗强压制干扰，在授时型导航模块的选择上，选择了能够从频域上抑制窄带干扰的授时型接收机子模块。对于卫星导航定位系统最为敏感的欺骗干扰，本发明采用功率一致性检测、功率正常性检测、定位模式切换检测、伪距变化率检测、惯导联合检测、最小二乘冗余检测等六种方式进行欺骗干扰的检测，以防止授时的第一选择卫星导航授时被欺骗而导致的整个系统被欺骗。 [0045] （3）基于主要模块国产化的高度自主可控技术本发明从软硬件的架构入手，全面而细致的进行了国产化方案的设计，并进行了初步的元器件选型。国产化元器件数量和价格比例都达到90%以上。 [0046] 以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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