CN104597747B - 基于驯服铷钟的同步测试***及其提高同步精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于驯服铷钟的同步测试***及其提高同步精度的方法,属于陆基定位和无线通信技术领域。本发明包括主基站同步仪和从基站同步仪,主基站同步仪和从基站同步仪分别给出经过驯服后铷钟的10MHz时钟信号和驯服后的稳定PPS秒脉冲信号,并将这两个信号与AIS岸站相连。利用本发明对现有AIS岸站的简单升级,就可以使AIS岸站具有很高的同步精度,并且在GNSS信号消失的情况下仍能长时间维持较高的同步精度,为AIS***实现自主定位奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及基于驯服铷钟的同步测试***及其提高同步精度的方法,属于陆基定位和无线通信技术领域。
背景技术
船舶同时安装天基和陆基双备份定位导航***是保证船舶航行安全的必要措施,也是未来国际海事组织将强制推行的一项政策。然而,目前路基定位导航***的终端产品价格昂贵,船舶安装率很低,而船舶自动识别***(AIS,Automatic identificationSystem)终端设备的安装率很高,并且世界主要沿海区域已经基本覆盖AIS岸站***。因此,可以通过对现有的AIS***进行改造,使其具有自主定位的能力。
AIS***要实现自主定位,首先必须实现岸站之间的时钟同步。而现有AIS岸站之间的同步情况如下:一方面,同步的精度不能满足定位的需求;另外一方面,同步完全依赖于GNSS设备的授时信号,同步功能会随着GNSS信号的消失而立即失效。因此,需要研制一种同步测试***,能够很方便地对现有AIS岸站进行升级,使其具有很高的同步精度,并且在GNSS信号消失的情况下仍能长时间维持较高的同步精度。
发明内容
为了克服上述的不足,本发明的目的在于提供一种基于驯服铷钟的同步测试***,通过它对现有AIS岸站的简单升级,就可以使AIS岸站具有很高的同步精度,并且在GNSS信号消失的情况下仍能长时间维持较高的同步精度,从而使AIS***具有自主定位的前提条件。
本发明采取的技术方案如下:
基于驯服铷钟的同步测试***,包括主基站同步仪和从基站同步仪,主基站同步仪和从基站同步仪分别给出经过驯服后铷钟的10MHz时钟信号和驯服后的稳定PPS秒脉冲信号,并将这两个信号与AIS岸站相连。
主基站同步仪和从基站同步仪的结构基本相同,主要由铷钟,GNSS接收机和FPGA芯片构成,从基站同步仪需要接入主基站同步仪给出的PPSMS信号;FPGA芯片主要由分频模块、上变频模块、计数比较模块和数据处理模块构成,铷钟给出的10MHz时钟信号经过上变频模块的处理后变成200MHz的时钟信号,作为FPGA芯片的工作主时钟;分频模块对铷钟给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;主基站同步仪的计数比较模块只需要比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差;而从基站同步仪的计数比较模块则需要比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机给出的PPSGNSS秒脉冲以及主基站同步仪给出的PPSMS信号,获得的相位偏差值都将送入数据处理模块进行处理;在数据处理模块的工作过程中,主基站同步仪根据PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,利用滤波算法得到铷钟的频率修正数,通过串口写入铷钟,实现铷钟的驯服;而从基站同步仪不仅要完成铷钟的驯服,还要根据主基站同步仪给出的PPSMS信号,统计出本基站的PPSint秒脉冲与PPSMS信号之间的固定偏差值,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPS信号输出。
基于驯服铷钟的同步测试***提高同步精度的方法,包括如下步骤:
第一步:将主基站同步仪给出的PPSMS信号正确接入从基站同步仪;
第二步:主基站同步仪和从基站同步仪同时工作,铷钟给出的10MHz时钟信号经过上变频模块的处理后变成200MHz的时钟信号;分频模块对铷钟给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;
第三步:主基站同步仪的计数比较模块比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机(5)给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,送入数据处理模块进行处理,利用滤波算法得到铷钟的频率修正,再通过串口写入铷钟;
第四步:主基站同步仪修正铷钟的频率同时对它给出的PPSMS信号产生影响;
第五步:从基站同步仪的计数比较模块比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机给出的PPSGNSS秒脉冲以及主基站同步仪给出的PPSMS秒脉冲,获得的相位偏差值也送入数据处理模块进行处理;
第六步:从基站同步仪的数据处理模块在工作时,一方面,比较PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲的数据,利用滤波算法得到铷钟的频率修正,再通过串口写入铷钟;另外一方面,统计分析PPSint秒脉冲和PPSMS秒脉冲的数据,获得主基站同步仪和从基站同步仪给出的秒脉冲信号的固定误差,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPSSS信号;
第七步:断开主基站同步仪与从基站同步仪的连接,断开后从基站同步仪将记录最新的偏差值,用于以后的同步过程;
第八步:***中所有的从基站同步仪都按照上述步骤一至七进行同步;
第九步:将主基站同步仪和多个从基站同步仪都分别与一个现有AIS基站连接,在基站能接收到GNSS信号时,所有从基站同步仪都和主基站同步仪保持高精度同步;
第十步:当基站无法接收到GNSS信号时,由于经过之前的驯服,铷钟的稳定性很高;并且利用驯服过程中获得的铷钟漂移的规律,可以补偿部分漂移。因此,所有从基站同步仪都和主基站同步仪维持较高精度同步;
第十一步:当基站重新接收到GNSS信号后,所有从基站同步仪都和主基站同步仪恢复高精度同步。
本发明的有益效果: 利用本发明对现有AIS岸站的简单升级,就可以使AIS岸站具有很高的同步精度,并且在GNSS信号消失的情况下仍能长时间维持较高的同步精度,为AIS***实现自主定位奠定基础。
附图说明
图1是本发明基于驯服铷钟的同步测试***结构简图;
图2是本发明的主基站同步仪的结构框图;
图3是本发明的从基站同步仪的结构框图;
图中:1、主基站同步仪,2、从基站同步仪,3、现有AIS岸站,4、铷钟,5、GNSS接收机,6、FPGA芯片,7、分频模块,8、上变频模块,9、计数比较模块,10、数据处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
如图1所示:基于驯服铷钟的同步测试***,包括主基站同步仪1和从基站同步仪2,主基站同步仪1和从基站同步仪2分别给出经过驯服后铷钟的10MHz时钟信号和驯服后的稳定PPS秒脉冲信号,并将这两个信号与AIS岸站(3)相连。
如图2及图3所示:主基站同步仪1和从基站同步仪2的结构基本相同,主要由铷钟4,GNSS接收机5和FPGA芯片6构成,从基站同步仪2需要接入主基站同步仪1给出的PPSMS信号;FPGA芯片6主要由分频模块7、上变频模块8、计数比较模块9和数据处理模块10构成,铷钟4给出的10MHz时钟信号经过上变频模块8的处理后变成200MHz的时钟信号,作为FPGA芯片6的工作主时钟;分频模块7对铷钟4给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;主基站同步仪1的计数比较模块9只需要比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机5给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差;而从基站同步仪2的计数比较模块9则需要比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机5给出的PPSGNSS秒脉冲以及主基站同步仪1给出的PPSMS信号,获得的相位偏差值都将送入数据处理模块10进行处理;在数据处理模块10的工作过程中,主基站同步仪1根据PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,利用滤波算法得到铷钟4的频率修正数,通过串口写入铷钟4,实现铷钟的驯服;而从基站同步仪2不仅要完成铷钟的驯服,还要根据主基站同步仪1给出的PPSMS信号,统计出本基站的PPSint秒脉冲与PPSMS信号之间的固定偏差值,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPS信号输出。
基于驯服铷钟的同步测试***提高同步精度的方法,包括如下步骤:
第一步:将主基站同步仪1给出的PPSMS信号正确接入从基站同步仪2;
第二步:主基站同步仪1和从基站同步仪2同时工作,铷钟(4)给出的10MHz时钟信号经过上变频模块8的处理后变成200MHz的时钟信号;分频模块7对铷钟4给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;
第三步:主基站同步仪1的计数比较模块9比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机5给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,送入数据处理模块10进行处理,利用滤波算法得到铷钟4的频率修正,再通过串口写入铷钟4;
第四步:主基站同步仪1修正铷钟4的频率同时对它给出的PPSMS信号产生影响;
第五步:从基站同步仪2的计数比较模块9比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机5给出的PPSGNSS秒脉冲以及主基站同步仪1给出的PPSMS秒脉冲,获得的相位偏差值也送入数据处理模块10进行处理;
第六步:从基站同步仪2的数据处理模块10在工作时,一方面,比较PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲的数据,利用滤波算法得到铷钟4的频率修正,再通过串口写入铷钟4;另外一方面,统计分析PPSint秒脉冲和PPSMS秒脉冲的数据,获得主基站同步仪1和从基站同步仪2给出的秒脉冲信号的固定误差,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPSSS信号;
第七步:断开主基站同步仪1与从基站同步仪2的连接,断开后从基站同步仪(2)将记录最新的偏差值,用于以后的同步过程。
第八步:***中所有的从基站同步仪2都按照上述步骤一至七进行同步。
第九步:将主基站同步仪1和多个从基站同步仪2都分别与一个现有AIS基站连接,在基站能接收到GNSS信号时,所有从基站同步仪2都和主基站同步仪1保持高精度同步;
第十步:当基站无法接收到GNSS信号时,由于经过之前的驯服,铷钟的稳定性很高;并且利用驯服过程中获得的铷钟漂移的规律,可以补偿部分漂移。因此,所有从基站同步仪2都和主基站同步仪1维持较高精度同步;
第十一步:当基站重新接收到GNSS信号后,所有从基站同步仪2都和主基站同步仪1恢复高精度同步。
下面将本发明应用于AIS通信***,通过实例对本发明做进一步说明。
(1) 同步测试仪之间的同步
利用一台主基站同步仪对三台从基站同步仪进行初次同步。将主基站同步仪给出的PPSMS秒脉冲信号分别接入三台从基站同步仪,所有同步仪都进行铷钟的驯服,从基站同步仪同时还要记录自身产生的PPSSS秒脉冲与PPSMS秒脉冲之间的相位差,用此相位差对自身产生的PPSSS秒脉冲进行修正,使每个从基站同步仪的PPSSS秒脉冲与PPSMS秒脉冲之间的同步误差都小于5纳秒,三台从基站分别将相位误差修正值记录到各自的存储器中。
(2) 对现有AIS岸站进行升级
将三台从基站同步仪分别与三个现有AIS岸站设备相连接,将现有AIS岸站设备连接的GNSS接收机替换为从基站同步仪,并将晶振时钟替换为同步仪给出的驯服铷钟的10MHz时钟。在能够接收到GNSS信号的情况下,在驯服铷钟的同时,利用存储的相位误差修正值来修正PPSSS秒脉冲,使三个AIS岸站能够保持10纳秒以内的精度。如果接收不到GNSS信号,则铷钟停止驯服,但经过了前段时间的驯服,铷钟的稳定性很高,并且利用驯服过程中获得的铷钟漂移的规律,可以补偿部分漂移,使三个基站在24小时内的同步精度仍能保持在30纳秒以内。这样应用于陆基定位***时,即使24小时内都无法接收到GNSS信号,利用AIS岸站进行同步,定位精度最高仍然可以达到10米以内。
本发明涉及到的术语解释如下:
AIS,Automatic Identification System:自动识别***。
GNSS,Global Navigation Satellite System: 全球导航卫星***。
FPGA,Field Programmable Gate Array:现场可编程门阵列。
PPS,Pulse Per Second:秒脉冲。
PPSint:内部秒脉冲。
PPSGNSS:GNSS接收机的秒脉冲。
PPSMS:主基站的秒脉冲。
PPSSS:从基站的秒脉冲。
Claims (2)
1.基于驯服铷钟的同步测试***,其特征在于:包括主基站同步仪(1)和从基站同步仪(2),主基站同步仪(1)和从基站同步仪(2)分别给出经过驯服后铷钟的10MHz时钟信号和驯服后的稳定PPS秒脉冲信号,并将这两个信号与AIS岸站(3)相连;
其中,所述主基站同步仪(1)和从基站同步仪(2)的结构基本相同,主要由铷钟(4),GNSS接收机(5)和FPGA芯片(6)构成,从基站同步仪(2)需要接入主基站同步仪(1)给出的PPSMS信号;FPGA芯片(6)主要由分频模块(7)、上变频模块(8)、计数比较模块(9)和数据处理模块(10)构成,铷钟(4)给出的10MHz时钟信号经过上变频模块(8)的处理后变成200MHz的时钟信号,作为FPGA芯片(6)的工作主时钟;分频模块(7)对铷钟(4)给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;主基站同步仪(1)的计数比较模块(9)只需要比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机(5)给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差;而从基站同步仪(2)的计数比较模块(9)则需要比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机(5)给出的PPSGNSS秒脉冲以及主基站同步仪(1)给出的PPSMS信号,获得的相位偏差值都将送入数据处理模块(10)进行处理;在数据处理模块(10)的工作过程中,主基站同步仪(1)根据PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,利用滤波算法得到铷钟(4)的频率修正数,通过串口写入铷钟(4),实现铷钟的驯服;而从基站同步仪(2)不仅要完成铷钟的驯服,还要根据主基站同步仪(1)给出的PPSMS信号,统计出本基站的PPSint秒脉冲与PPSMS信号之间的固定偏差值,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPS信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于驯服铷钟的同步测试***,其特征在于 :提高同步精度的方法包括如下步骤:
第一步:将主基站同步仪(1)给出的PPSMS信号正确接入从基站同步仪(2);
第二步:主基站同步仪(1)和从基站同步仪(2)同时工作,铷钟(4)给出的10MHz时钟信号经过上变频模块(8)的处理后变成200MHz的时钟信号;分频模块(7)对铷钟(4)给出的10MHz时钟信号进行分频,获得PPSint秒脉冲;
第三步:主基站同步仪(1)的计数比较模块(9)比较PPSint秒脉冲和GNSS接收机(5)给出的PPSGNSS秒脉冲之间的相位偏差,送入数据处理模块(10)进行处理,利用滤波算法得到铷钟(4)的频率修正,再通过串口写入铷钟(4);
第四步:主基站同步仪(1)修正铷钟(4)的频率同时对它给出的PPSMS信号产生影响;
第五步:从基站同步仪(2)的计数比较模块(9)比较PPSint秒脉冲、GNSS接收机(5)给出的PPSGNSS秒脉冲以及PPSint秒脉冲和主基站同步仪(1)给出的PPSMS秒脉冲,获得的相位偏差值也送入数据处理模块(10)进行处理;
第六步:从基站同步仪(2)的数据处理模块(10)在工作时,一方面,利用步骤五中的PPSint秒脉冲和PPSGNSS秒脉冲的比较数据,利用滤波算法得到铷钟(4)的频率修正,再通过串口写入铷钟(4);另外一方面,统计分析PPSint秒脉冲和PPSMS秒脉冲的比较数据,获得主基站同步仪(1)和从基站同步仪(2)给出的秒脉冲信号的固定误差,利用该偏差值进行修正,从而获得与主基站同步的PPSSS信号;
第七步:断开主基站同步仪(1)与从基站同步仪(2)的连接,断开后从基站同步仪(2)将记录最新的偏差值,用于以后的同步过程;
第八步:***中所有的从基站同步仪(2)都按照上述步骤一至七进行同步;
第九步:将主基站同步仪(1)和多个从基站同步仪(2)都分别与一个现有AIS基站连接,在基站能接收到GNSS信号时,所有从基站同步仪(2)都和主基站同步仪(1)保持高精度同步;
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Granted publication date: 20170315 Termination date: 20190115 |