CN106527111B - 一种扩频编码gps信号同步*** - Google Patents

Abstract

一种扩频编码GPS信号同步***，包含电源模块(1)、GPS天线***模块(2)，GPS接收***模块(3)、稳恒晶振模块(4)、GPS时钟模块(5)、GPS信息提取模块(6)、脉冲计数模块(7)、数码显示模块(8)、时间计算模块(9)、数据比较模块(10)、数码管电路模块(11)、同步时间设置模块(12)、按键控制电路模块(13)、信号发射模块(14)、信号接收模块(15)、信息存储模块(16)。它利用GPS提取的时间信息，通过人工设置同步时间，可实现扩频编码***中发射机***与接收机***的严格工作时间同步。

Description

一种扩频编码GPS信号同步***

技术领域

本发明涉及一种扩频编码GPS信号同步***，特别涉及一种用于地球物理勘探领域的扩频编码GPS信号同步***。

背景技术

频率域电磁法勘探是地球物理勘探技术的重要组成部分，在近些年的地质勘探中发挥着重要的作用。它是根据电磁信号在地下的穿透深度与地下介质的导电性质以及所用电磁波频率的密切关系来反演地下介质的分布结构，因而频率域电磁法需要得到多个频率的探测结果。

频率域勘探电磁法主要包括：变频法、奇次谐波法、双频电流法、大地电磁法、aⁿ伪随机序列法、扩频编码探测方法等。传统的变频法、奇次谐波法、双频电流法由于探测频率少、效率低等原因很难得到理想的探测效果；大地电磁法受远场探测限制；aⁿ伪随机序列法含有频率跳变，会造成地层测深的不连续。

201210214512.9扩频编码探测方法通过发送一系列经过扩频编码的具有伪随机特性的信号，结合相关检测技术实现对地下介质的探测，发送的扩频编码信号为0.001Hz～65535Hz之间按编码图案变化的单极性或双极性正弦波或方波。扩频编码探测方法发送的编码信号具有频率范围宽、频谱信息丰富、频谱精细化程度高、主频能量分布均匀的特点，可克服其他频率域电磁法发送序列单一，能量分布不均，单次观测探测效率低等问题，且正弦波形不容易丢失探测的有用信息。

扩频编码探测方法的探测激励中含有多个频率的信号，在探测时需要同时记录发射信号以及接收信号的波形，在处理时采用发射信号和接收信号相关算法，去除外界不相关的干扰信号。为了更好的进行数据处理，对发射信号和接收信号要实现严格的时间同步采集，就需要设计时间同步触发模块，保证扩频编码发射机***与接收机***同时发射和接收信号。目前的时间同步技术主要有有线同步、晶体同步、电台同步、GPS同步等。有线同步、晶体同步、电台同步等方式受环境因素影响较大，同步精度较低；GPS同步方式同步距离远，精度高，应用较为广泛。但现有的GPS同步技术主要应用于多个接收机之间接收信号的同步，时间同步要求较低，很难应用在扩频编码的探测***上。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的的缺点，提出一种扩频编码GPS信号同步***。本发明可以满足扩频编码探测方法对发送信号和接收信号严格时间同步的要求。

本发明***主要包括电源模块、GPS天线***模块，GPS接收***模块、稳恒晶振模块、GPS时钟模块、GPS信息提取模块、脉冲计数模块、数码显示模块、时间计算模块、数据比较模块、数码管电路模块、同步时间设置模块、按键控制电路模块、信号发射模块、信号接收模块，以及信息存储模块。

所述的电源模块用于给整个***提供电源，连接GPS天线***模块，GPS接收***模块、稳恒晶振模块、GPS时钟模块、GPS信息提取模块、脉冲计数模块、数码显示模块、时间计算模块、数据比较模块、数码管电路模块、同步时间设置模块、按键控制电路模块、信号发射模块、信号接收模块，以及信息存储模块的供电端口。

所述的GPS天线***模块用于接收卫星信号，GPS天线***模块的输出与GPS接收***模块的输入相连。GPS接收***模块对接收的信号进行整理，输出的GPS信息包括卫星信息、时间信息、地理位置信息等。GPS天线***模块有两个输出端，一个输出端与GPS信息提取模块的输入相连，输出GPS信息，另一个输出端与脉冲计数单元的输入相连，输出与GPS信息同步的秒脉冲信号(1PPS)。

所述的脉冲计数单元对输入的脉冲信号进行计数并输出。脉冲计数单元的输出与数据比较模块的计数输入端相连。

所述的稳恒晶振模块用于产生高精度的时钟信号。稳恒晶振模块的输出与GPS时钟模块的输入相连。

所述的GPS时钟模块针对GPS***对输入的时钟信号进行分频调整，输出GPS信息的读取时钟信号。GPS时钟模块的输出与GPS信息提取模块的时钟输入端相连。

所述的GPS信息提取模块用于提取GPS信息中含有的协调世界时(Universal TimeCoordinated，简称UTC)信息、地理位置信息等。GPS信息提取模块有两个输入端和两个输出端，一个输入端是信息输入端，与GPS接收***模块输出GPS信息的输出端相连，另一个输入端是时钟输入端，与GPS时钟模块的输出相连；两个输出端中：一个是时间信息输出端，与数码显示模块的当前时间输入端和时间计算模块的当前时间输入端相连，输出提取的UTC信息，另一个输出端是位置输出端，与信息存储模块的输入端相连，输出提取的地理位置信息。

所述的信息存储模块用于存储地理位置信息，其输出端与扩频编码探测***的数据处理功能模块相连，输出存储的地理位置信息，提供给后期数据处理。

所述的按键控制电路模块通过按键开关向***输入电平控制信号，按键控制电路模块的输出与同步时间设置模块的输入相连。

所述的同步时间设置模块参考提取的协调世界时信号，通过输入的控制信号设置***触发的同步时间，它的输出与数码显示模块的设置时间输入端和时间计算模块的设置时间输入端相连。

所述的数码显示模块有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端，数码显示模块对输入的时间进行ASCII码调整，输出时间的数码管控制信号。数码显示模块的输出与数码管电路模块的输入相连。

所述的数码管电路模块利用输入的信号在数码管上显示当前时间和设置的同步时间。

所述的数码显示模块有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端，它对两个时间求差，可以计算得到同步时间与当前时间的差值。数码显示模块的输出与数据比较模块的时间差输入端相连。

所述的数据比较模块有两个输入端，分别为计数输入端与时间差输入端。数据比较模块对两个输入端输入的数据进行比较，当计数输入端输入的计数值小于时间差输入端输入的时间差值时，数据比较模块输出为0，反之，数据比较模块输出触发信号。在发射机***中，数据比较模块的输出与信号发射模块的触发输入相连，当有触发信号时，信号发射模块开始发射信号；在接收机***中，数据比较模块的输出与信号接收模块的触发输入相连，当有触发信号时，信号接收模块开始采集信号。

所述的GPS时钟模块、GPS信息提取模块、脉冲计数模块、数码显示模块、时间计算模块、数据比较模块、同步时间设置模块、信号发射模块、信号接收模块、信息存储模块都均采用可编程逻辑器件实现。

所述的GPS时钟模块可以根据不同的GPS***调整GPS信息读取时钟信号的频率。所述的GPS信息提取模块可以根据不同的GPS***判断GPS***是否工作，定位数据是否有效，输入GPS信息的信息字头是否正确，正确则根据GPS数据类型的排列次序提取UTC时间信息和地理位置信息。

本发明***的具体工作流程如下：

1)首先连接电源模块，由电源模块对***的各个用电模块进行供电；

2)GPS天线***模块接收卫星信号，并将该信号传输给GPS接收***模块，由GPS接收***模块对信息进行调整，输出GPS信息给GPS信息提取模块，输出秒脉冲信号给脉冲计数单元；

3)稳恒晶振模块产生高精度时钟信号，经GPS时钟模块调整后输送给GPS信息提取模块作为GPS信息的读取时钟信号；

4)GPS信息提取模块将提取到的UTC信号输送给时间计算模块和数码显示模块，由数码显示模块进行数据调整后，显示在数码管上，同时GPS信息提取模块还将提取的地理信息存储到信息存储模块，用于后期数据处理使用；

5)同步时间设置模块根据数码管显示的UTC时间，通过按键控制电路模块设置同步时间，并将设置的同步时间输送给时间计算模块和数码显示模块，由数码显示模块进行数据调整后，显示在数码管上；

6)时间计算模块根据输入的UTC时间和同步时间计算求解时间差值，并将此时间差值输送给数据比较模块；

7)脉冲计数单元对输入的秒脉冲信号进行计数，并将计数结果在数据比较模块中与时间差值进行比较，当计数值小于时间差值时，数据比较模块无动作；当计数值等于时间差值时，数据比较模块输出触发信号；

8)在发射机***中，输出的触发信号触发信号发射模块开始发射信号；在接收机***中，输出的触发信号触发信号接收模块开始工作，采集信号，这样就实现了发射机和接收机之间的严格工作时间同步。

本发明扩频编码GPS信号同步***，可实现扩频编码***中发射机***与接收机***的严格工作时间同步，克服了传统频率域电磁法***同步功能单一，不能实现发射和接收之间同步的问题。

附图说明

图1本发明扩频编码GPS信号同步***结构框图；

图2本发明GPS信息提取模块的工作流程图。

具体实施方式

以下以M-87 GPS信号同步***为例，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明***主要包括电源模块1、GPS天线***模块2，GPS接收***模块3、稳恒晶振模块4、GPS时钟模块5、GPS信息提取模块6、脉冲计数模块7、数码显示模块8、时间计算模块9、数据比较模块10、数码管电路模块11、同步时间设置模块12、按键控制电路模块13、信号发射模块14、信号接收模块15，以及信息存储模块16，如图1所示。

所述的电源模块1用于给整个***提供电源，其输出端与GPS天线***模块，GPS接收***模块、稳恒晶振模块、GPS时钟模块、GPS信息提取模块、脉冲计数模块、数码显示模块、时间计算模块、数据比较模块、数码管电路模块、同步时间设置模块、按键控制电路模块、信号发射模块、信号接收模块，以及信息存储模块的供电端口连接。

所述的GPS天线***模块2用于接收卫星信号。GPS天线***模块2的输出与GPS接收***模块3的输入相连。

所述的GPS接收***模块3对接收的信号进行整理，GPS接收***模块3输出的GPS信息包括卫星信息、时间信息、地理位置信息等。GPS接收***模块3有两个输出端，一个输出端与GPS信息提取模块6的输入相连，输出GPS信息；另一个输出端同脉冲计数单元7的输入相连，输出与GPS信息同步的秒脉冲信号(1PPS)。

所述的脉冲计数单元7对输入的脉冲信号进行计数并输出。脉冲计数单元7的输出与数据比较模块10的计数输入端相连。

所述的稳恒晶振模块4用于产生高精度的时钟信号。稳恒晶振模块4的输出与GPS时钟模块5的输入相连。

所述的GPS时钟模块5针对具体的GPS***对输入的时钟信号进行分频调整，输出GPS信息的读取时钟信号。GPS时钟模块5的输出与GPS信息提取模块6的时钟输入端相连。

所述的GPS信息提取模块6用于提取GPS信息中含有的协调世界时(UniversalTime Coordinated，简称UTC)信息、地理位置信息等。GPS信息提取模块6有两个输入端和两个输出端。两个输入端中，一个是信息输入端，与GPS接收***模块3输出GPS信息的输出端相连，另一个是时钟输入端，与GPS时钟模块5的输出相连；两个输出端中，一个是时间信息输出端，输出提取的UTC信息，与数码显示模块(8)的当前时间输入端和时间计算模块9的当前时间输入端相连，另一个是位置输出端，输出提取的地理位置信息，与信息存储模块16的输入端相连。

所述的信息存储模块16用于存储地理位置信息，信息存储模块16的输出端与扩频编码探测***的数据处理功能模块相连，输出存储的地理位置信息，提供给后期数据处理。

所述的按键控制电路模块13通过按键开关向***输入电平控制信号，按键控制电路模块13的输出与同步时间设置模块12的输入相连。

所述的同步时间设置模块12参考提取的协调世界时信号，通过输入的控制信号设置***触发的同步时间。同步时间设置模块12的输出分别与数码显示模块9的设置时间输入端和时间计算模块9的设置时间输入端相连。

数码显示模块8有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端。数码显示模块8通过对输入的时间进行ASCII码调整，输出时间的数码管控制信号。数码显示模块8的输出与数码管电路模块11的输入相连。数码管电路模块11利用输入的信号在数码管上显示当前时间和设置的同步时间。

所述的时间计算模块9有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端。时间计算模块9对两个时间求差，可以计算得到同步时间与当前时间的差值。时间计算模块9的输出与数据比较模块10的时间差输入端相连。

所述的数据比较模块10有两个输入端，分别为计数输入端与时间差输入端。数据比较模块10对两个输入端输入的数据进行比较，当计数输入端输入的计数值小于时间差输入端输入的时间差值时，数据比较模块10输出为0，反之，数据比较模块10输出触发信号。在发射机***中，数据比较模块10的输出与信号发射模块14的触发输入相连，当有触发信号时，信号发射模块开始发射信号；在接收机***中，数据比较模块10的输出与信号接收模块15的触发输入相连，当有触发信号时，信号接收模块开始采集信号。

所述的GPS时钟模块5、GPS信息提取模块6、脉冲计数模块7、数码显示模块8、时间计算模块9、数据比较模块10、同步时间设置模块12、信号发射模块14、信号接收模块15以及信息存储模块16)都是采用可编程逻辑器件FPGA实现的。

所述的GPS时钟模块5可以根据不同的GPS***调整GPS信息读取时钟信号的频率。在M-87 GPS信号同步***中，GPS时钟模块5输出时钟频率为4800Hz。所述的GPS信息提取模块6)可以根据不同的GPS***判断GPS***是否工作，定位数据是否有效，输入GPS信息的信息字头是否正确，正确则根据GPS数据类型的排列次序提取UTC时间信息和地理位置信息。在M-87 GPS信号同步***中，GPS信息提取模块6)提取GPS信息的流程如附图2所示。

本发明***的具体工作流程如下：

1)首先连接电源模块1，由电源模块1对***的各个用电模块进行供电；

2)GPS天线***模块2接收卫星信号，并将该信号传输给GPS接收***模块3，由GPS接收***模块3对信息进行调整，输出GPS信息给GPS信息提取模块6，输出秒脉冲信号给脉冲计数单元7；

3)稳恒晶振模块4产生高精度时钟信号，经GPS时钟模块5调整后输送给GPS信息提取模块6作为GPS信息的读取时钟信号；

4)GPS信息提取模块6将提取到的UTC信号输送给时间计算模块9和数码显示模块8，由数码显示模块8进行数据调整后，显示在数码管电路模块11的数码管上，同时GPS信息提取模块6还将提取的地理信息存储到信息存储模块16，用于后期数据处理使用；

5)同步时间设置模块12根据数码管显示的UTC时间，通过按键控制电路模块13设置同步时间，并将设置的同步时间输送给时间计算模块9和数码显示模块8，由数码显示模块8进行数据调整后，显示在数码管上；

6)时间计算模块9根据输入的UTC时间和同步时间计算求解时间差值，并将此时间差值输送给数据比较模块10；

7)脉冲计数单元7对输入的秒脉冲信号进行计数，并将计数结果在数据比较模块10中与时间差值进行比较，当计数值小于时间差值时，数据比较模块无动作；当计数值等于时间差值时，数据比较模块输出触发信号；

8)在发射机***中，输出的触发信号触发信号发射模块14开始发射信号；在接收机***中，输出的触发信号触发信号接收模块15开始工作，采集信号，如此实现了发射机和接收机之间的严格工作时间同步。

本发明扩频编码GPS信号同步***，可实现扩频编码***中发射机***与接收机***的严格工作时间同步，克服了传统频率域电磁法***同步功能单一，不能实现发射和接收之间同步的问题。

Claims (4)

1.一种扩频编码GPS信号同步***，其特征在于：所述的扩频编码GPS信号同步***包括电源模块(1)、GPS天线***模块(2)、GPS接收***模块(3)、稳恒晶振模块(4)、GPS时钟模块(5)、GPS信息提取模块(6)、脉冲计数模块(7)、数码显示模块(8)、时间计算模块(9)、数据比较模块(10)、数码管电路模块(11)、同步时间设置模块(12)、按键控制电路模块(13)、信号发射模块(14)、信号接收模块(15)，以及信息存储模块(16)；所述的电源模块(1)与GPS天线***模块(2)，GPS接收***模块(3)、稳恒晶振模块(4)、GPS时钟模块(5)、GPS信息提取模块(6)、脉冲计数模块(7)、数码显示模块(8)、时间计算模块(9)、数据比较模块(10)、数码管电路模块(11)、同步时间设置模块(12)、按键控制电路模块(13)、信号发射模块(14)、信号接收模块(15)，以及信息存储模块(16)的供电端口连接，用于给扩频编码GPS信号同步***提供电源；GPS天线***模块(2)的输出与GPS接收***模块(3)的输入相连，用于接收卫星信号；GPS接收***模块(3)对接收的信号进行整理，输出的GPS信息包括卫星信息、时间信息和地理位置信息，GPS接收***模块(3)有两个输出端，一个输出端同GPS信息提取模块(6)的输入相连，输出GPS信息，另一个输出端同脉冲计数模块(7)的输入相连，输出与GPS信息同步的秒脉冲信号(1PPS)；脉冲计数模块(7)的输出与数据比较模块(10)的计数输入端相连，对输入的脉冲信号进行计数并输出；稳恒晶振模块(4)用于产生高精度的时钟信号，稳恒晶振模块(4)的输出与GPS时钟模块(5)的输入相连；GPS时钟模块(5)输出GPS信息的读取时钟信号，针对具体的GPS***对输入的时钟信号进行分频调整；GPS时钟模块(5)的输出与GPS信息提取模块(6)的时钟输入端相连；GPS信息提取模块(6)用于提取GPS信息中含有的协调世界时信息及地理位置信息，GPS信息提取模块(6)有两个输入端和两个输出端：一个输入端是信息输入端，与GPS接收***模块(3)输出GPS信息的输出端相连，另一个是时钟输入端，与GPS时钟模块(5)的输出相连；一个输出端是时间信息输出端，输出提取的UTC信息，与数码显示模块(8)的当前时间输入端和时间计算模块(9)的当前时间输入端相连，另一个是位置输出端，输出提取的地理位置信息，与信息存储模块(16)的输入端相连；信息存储模块(16)用于存储地理位置信息，信息存储模块(16)的输出端与扩频编码探测***的数据处理功能模块相连，输出存储的地理位置信息，提供给后期数据处理；按键控制电路模块(13)通过按键开关向***输入电平控制信号，按键控制电路模块(13)的输出与同步时间设置模块(12)的输入相连；同步时间设置模块(12)参考提取的协调世界时信号，通过输入的控制信号设置***触发的同步时间，同步时间设置模块(12)的输出分别与数码显示模块(8)的设置时间输入端和时间计算模块(9)的设置时间输入端相连；数码显示模块(8)有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端，数码显示模块(8)通过对输入的时间进行ASCII码调整，输出时间的数码管控制信号，数码显示模块(8)的输出与数码管电路模块(11)的输入相连；数码管电路模块(11)利用输入的信号在数码管上显示当前时间和设置的同步时间；时间计算模块(9)有两个输入端，分别为当前时间输入端和设置时间输入端，时间计算模块(9)对两个时间求差，计算得到同步时间与当前时间的差值；时间计算模块(9)的输出与数据比较模块(10)的时间差输入端相连；数据比较模块(10)有两个输入端，分别为计数输入端与时间差输入端，数据比较模块(10)对两个输入端输入的数据进行比较，当计数输入端输入的计数值小于时间差输入端输入的时间差值时，数据比较模块输出为0，反之，数据比较模块输出触发信号；在发射机***中，数据比较模块(10)的输出与信号发射模块(14)的触发输入相连，当有触发信号时，信号发射模块开始发射信号；在接收机***中，数据比较模块(10)的输出与信号接收模块(15)的触发输入相连，当有触发信号时，信号接收模块开始采集信号。

2.根据权利要求1所述的扩频编码GPS信号同步***，其特征在于：所述的GPS时钟模块(5)、GPS信息提取模块(6)、脉冲计数模块(7)、数码显示模块(8)、时间计算模块(9)、数据比较模块(10)、同步时间设置模块(12)、信号发射模块(14)、信号接收模块(15)、信息存储模块(16)采用可编程逻辑器件实现。

3.根据权利要求1所述的扩频编码GPS信号同步***，其特征在于：所述的GPS时钟模块(5)根据不同的GPS***调整GPS信息读取时钟信号的频率。

4.根据权利要求1所述的扩频编码GPS信号同步***，其特征在于：所述的GPS信息提取模块(6)根据不同的GPS***判断GPS***是否工作，定位数据是否有效，输入GPS信息的信息字头是否正确，正确则根据GPS数据类型的排列次序提取UTC时间信息和地理位置信息。