CN107247405A - 一种卫星导航授时守时在时钟同步***中的解决方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航授时守时在时钟同步***中的解决方法，卫星导航高精度授时子***用于向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；时间同步子***用于通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；采样脉冲获取模块用于获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；双踪示波器用于将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。本发明采用卫星导航高精度授时子***作为标准时间信号，可以使整个***的采样脉冲时间误差保持在几个μs以内，对应的相位测量误差也就不大于0.5度，完全满足了***的要求。
Description
技术领域
本发明涉及时钟同步技术领域，具体涉及一种卫星导航授时守时在时钟同步***中的解决方法。
背景技术
军工***、金融***、电信***、电力***在运行时都需要对时间、频率进行同步，时间频率标准的发展对于国家的经济、科学技术以及社会和国防安全有十分重要的意义。目前，时间频率标准的授时同步途径正在由短波、长波、电视等技术手段向导航卫星发展。利用导航卫星进行授时同步的主要原理是，通过导航卫星信号接收模块接收卫星信号，根据接收到的导航卫星信号中的1PPS(秒脉冲)信号实现***授时及网络时钟同步。
相位是与电路结构有关的参数，交流电的大小和方向是随时间变化的，相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。
两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
相位测量是正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓相位测量是指对两个同频率信号之间相位差的测量。最常见的是对网络输入与输出信号的相位差，即网络相移的测量。能提供固定或可变相移量的无耗二端口网络称为固定或可变移相器。
在电力***中，为了保证电力***的稳定运行，需要控制***中关键点位间的电压相位差。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种卫星导航授时守时在时钟同步***中的解决方法，采用卫星导航高精度授时子***作为标准时间信号来进行精确的相位测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于卫星导航高精度授时的相位测量***，包括卫星导航高精度授时子***、时间同步子***、多个采样脉冲获取模块、双踪示波器；
所述卫星导航高精度授时子***用于向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
所述时间同步子***用于通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
所述采样脉冲获取模块用于获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
所述双踪示波器用于将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
进一步地，所述卫星导航高精度授时子***包括：
卫星信号接收模块，用于跟踪接收多颗导航卫星发出的卫星PPS信号；
工作状态判断模块，用于实时监控卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量，进而判断授时子***的工作状态为授时状态或守时状态；
晶振控制模块，用于通过一控制参数，控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
恒温晶振，用于在晶振控制模块的控制下输出本地时钟信号；
采样模块，用于对本地时钟信号进行采样，反馈给晶振控制模块和基准信号输出模块；
基准信号输出模块，用于向外部输出PPS基准信号；
恒温模块，用于监控恒温晶振、晶振控制模块和采样模块的温度变化，并将其控制在恒定温度；
其中，当授时子***工作于授时状态下时，晶振控制模块根据卫星PPS信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为卫星PPS信号的标称频率，同时，记录控制参数的变化情况；基准信号输出模块对调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出；
当授时子***工作于守时状态下时，晶振控制模块根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整；基准信号输出模块对补偿调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出。
进一步地，所述恒温模块、恒温晶振、晶振控制模块和采样模块通过一外壳密封在一个密闭空间内，所述恒温模块包括环境温度传感器、恒温控制模块和加热模块；
所述环境温度传感器用于检测密闭空间的温度；
所述加热模块用于工作使密闭空间温度上升；
所述恒温控制模块包括一比较器，用于比较环境传感器温度与比较器自身设定温度值；若环境传感器检测温度低于比较器设定温度值，恒温控制模块控制加热模块工作，使密闭空间温度稳定；若环境传感器检测温度高于比较器设定温度值时，停止加热模块的工作。
进一步地，所述卫星导航高精度授时子***还包括一恒温补偿模块，所述恒温补偿模块包括一数字温度传感器，所述数字温度传感器紧贴恒温晶振的金属表面，用于检测恒温晶振的温度，数字温度传感器连接晶振控制模块，晶振控制模块通过读取数字传感器温度变化监控恒温晶振内部的电压变化，其对应监控公式为：
f(y)＝cy3+dy2+ey+f0
式中，f(y)为对应温度下的恒温晶振的频率，a，b，c分别为固定参数，y为数字温度传感器检测到的温度值。
进一步地，所述晶振控制模块包括数据处理模块、补偿控制模块、DAC控制模块和DAC；
DAC控制模块用于向DAC输出控制参数；
DAC用于将DAC控制模块提供的控制参数转换为对应的压控电压，输出给恒温晶振，以控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
数据处理模块用于在授时状态下提取卫星PPS信号的标称频率，提供给DAC控制模块；
补偿控制模块用于在授时状态下记录DAC控制模块输出的控制参数的变化情况；还用于在守时状态下，根据控制参数在授时状态下的变化情况，向DAC控制模块发出补偿指令；
DAC控制模块还用于在授时状态下，根据标称频率和本地时钟信号频率之间的差异，对输出的控制参数进行调整，使本地时钟信号的频率趋向于标称频率；还用于在守时状态下，根据补偿控制模块的补偿指令，对输出的控制参数进行补偿调整。
进一步地，所述卫星导航高精度授时子***在授时状态下，所述补偿控制模块每间隔一段固定时间，对DAC控制模块输出的控制参数进行一次存储；
在守时状态下，补偿控制模块根据授时状态下存储的控制参数，计算出控制参数每改变1的时间周期；每经过一个所述时间周期，补偿控制模块向DAC控制模块发送一个补偿指令，使DAC控制模块输出的控制参数对应加1或减1。
进一步地，所述时间同步子***包括主时间服务器、子站时间服务器、多E1/PTP时间通道适配器和单E1/PTP时间通道适配器，所述主时间服务器与所述多E1/PTP时间通道适配器连接，所述子站时间服务器与所述单E1/PTP时间通道适配器连接，所述多E1/PTP时间通道适配器通过传输网络与所述单E1/PTP时间通道适配器连接；
所述主时间服务器用于接收高精度的PPS基准信号；
所述多E1/PTP时间通道适配器设置有以太PTP接口和多个E1接口，所述多E1/PTP时间通道适配器用于建立所述多个E1接口与子站时间服务器硬件地址的对应关系、实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、根据PTP协议对PTP报文进行处理；
所述单E1/PTP时间通道适配器设置有单个以太PTP接口和单个E1接口，所述单E1/PTP时间通道适配器用于实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、计算所述PTP接口信号和所述E1接口信号的映射和解映射的延时、根据所述PTP协议对PTP报文进行处理；
其中，所述多E1/PTP时间通道适配器包括：
第一同步报文处理单元，用于以广播方式发送同步报文到所述E1接口，将所述同步报文映射到所述E1接口信号，计算所述同步报文从所述以太PTP接口到所述E1接口的处理延时，填入所述同步报文修正域字段；
第一跟随报文处理单元，用于以广播方式发送跟随报文到所述E1接口，将所述跟随报文映射到所述E1接口信号；
第一延迟计算请求报文处理单元，用于计算延迟计算请求报文从所述E1接口到所述以太PTP接口的处理延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域，同时记录E1接口号和所述延迟计算请求报文携带的所述子站时间服务器硬件地址；
第一延迟计算请求响应报文处理单元，用于根据E1接口号和所述子站时间服务器硬件地址的对应关系，将所述延迟计算请求响应报文通过和所述子站时间服务器对应的E1接口发出。
进一步地，所述单E1/PTP时间通道适配器包括：
第二同步报文处理单元，用于发送同步报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述同步报文分别解映射到E1接口信号和PTP接口信号，计算所述同步报文在E1接口到所述PTP接口的解映射延时，填入同步报文修正域字段；
第二跟随报文处理单元，用于发送跟随报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述跟随报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号；
第二延迟计算请求报文处理单元，用于实现子站PTP接口信号到E1接口信号上映射，计算所述子站PTP接口信号到所述E1接口信号的映射延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域；
第二延迟计算请求响应报文处理单元，用于发送延迟计算请求响应报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述延迟计算请求响应报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号。
进一步地，所述多E1/PTP时间通道适配器和所述单E1/PTP时间通道适配器均通过FPGA设计实现；
所述传输网络为同步数字传输体系；
所述子站时间服务器包括PTP从钟接口，所述子站时间服务器处理IEEE1588V2协议；
所述以太PTP接口物理接口为百兆/千兆以太网光电口；
所述单E1/PTP时间通道适配器的个数在2到32之间；
所述单E1/PTP时间通道适配器和所述子站时间服务器的个数相等。
一种基于卫星导航高精度授时的相位测量方法，包括：
卫星导航高精度授时子***向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
时间同步子***通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
采样脉冲获取模块获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
双踪示波器将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明采用卫星导航高精度授时子***作为标准时间信号，可以使整个***的采样脉冲时间误差保持在几个μs以内，对应的相位测量误差也就不大于0.5度，完全满足了***的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明基于卫星导航高精度授时的相位测量***的结构示意图；
图2是本发明相位测量的原理示意图；
图3是本发明卫星导航高精度授时子***的结构示意图；
图4是本发明恒温模块调整过程中温度随时间变化的曲线图；
图5是本发明恒温控制模块的实现原理图；
图6是本发明恒温晶振的频率随环境温度变化的曲线图；
图7是本发明晶振控制模块的结构示意图；
图8是本发明卫星导航高精度授时子***授时方法的流程示意图；
图9是本发明的恒温晶振的控制结构示意图；
图10是本发明时间同步子***的结构示意图；
图11是本发明基于卫星导航高精度授时的相位测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
如图1、图2所示，本发明提供一种基于卫星导航高精度授时的相位测量***，包括卫星导航高精度授时子***、时间同步子***、多个采样脉冲获取模块、双踪示波器；
所述卫星导航高精度授时子***用于向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
所述时间同步子***用于通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
所述采样脉冲获取模块用于获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
所述双踪示波器用于将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
在***的时钟统一后，就可以做到输入信号的采样脉冲同步，就可以很容易地测出电力***中各电站间电压的相位关系。要保证相位测量的准确性，采样脉冲的同步误差就要求非常小，必须严格控制在几个μs之内。对50Hz***来说1度对应于55μs。而利用广播电台或类似手段的对时方式显然是不适合的，它们的对时误差是毫秒级的，而1ms对于50Hz***来说就是18度的相位差，是绝对不能接受的。唯有GPS卫星时钟才能满足这一要求，利用GPS/BD卫星时种的1PPS脉冲同步方式，可以使整个***的采样脉冲时间误差保持在几个μs以内，对应的相角测量误差也就不大于0.5度，完全满足了***的要求。
公式：Φ＝360*(ΔT/T)
T＝1/50Hz＝20mS，对应1°是55μS；卫星导航高精度授时子***的频率精度：≤1E-12；
利用卫星导航高精度授时子***的同步方式，可以使整个***的采样脉冲时间误差保持在亚微秒以内，满足了***的要求。
如图3所示，所述卫星导航高精度授时子***包括：
卫星信号接收模块，用于跟踪接收多颗导航卫星发出的卫星PPS信号；
工作状态判断模块，用于实时监控卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量，进而判断授时子***的工作状态为授时状态或守时状态；
晶振控制模块，用于通过一控制参数，控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
恒温晶振，用于在晶振控制模块的控制下输出本地时钟信号；
采样模块，用于对本地时钟信号进行采样，反馈给晶振控制模块和基准信号输出模块；
基准信号输出模块，用于向外部输出PPS基准信号；
恒温模块，用于监控恒温晶振、晶振控制模块和采样模块的温度变化，并将其控制在恒定温度；
其中，当授时子***工作于授时状态下时，晶振控制模块根据卫星PPS信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为卫星PPS信号的标称频率，同时，记录控制参数的变化情况；基准信号输出模块对调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出；
当授时子***工作于守时状态下时，晶振控制模块根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整；基准信号输出模块对补偿调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出。
作为优选的，所述恒温模块、恒温晶振、晶振控制模块和采样模块通过一外壳密封在一个密闭空间内，在本实施例中采用金属外壳进行密封；所述恒温模块包括环境温度传感器、恒温控制模块和加热模块；
所述环境温度传感器用于检测密闭空间的温度；
所述加热模块用于工作使密闭空间温度上升；
所述恒温控制模块包括一比较器，用于比较环境传感器温度与比较器自身设定温度值；若环境传感器检测温度低于比较器设定温度值，恒温控制模块控制加热模块工作，经过反复震荡，最终稳定在一个理想数据，使密闭空间温度稳定，温度的变化规律如图4所示；若环境传感器检测温度温度高于比较器设定温度值时，停止加热模块的工作。
在本实施例中，恒温控制模块的实现原理如图5所示，温度传感器的电阻值随着温度的变化，加在运放的4脚电压(VTEMP)发送变化；而R20与R24产生的电压V常(R24×(VCC/(R20+R24)))不变；
运放的输出电压：
VOUT＝V常-VTEMP；
当外界温度变小时，温度传感器电阻的电阻增大，如下面公式VTEMP的电压增大；
VTEMP＝R17×(VCC/(R17+R16))
当温度降到一定的程度，VOUT的电压输出0V，打开加热管，相反当温度升到一定程度时，VOUT的电压输出大于0V，从而控制三极管的功率大小。
在实际使用中，恒温晶振的频率与环境温度的对应关系如图6曲线所示，该曲线的变化规律符合下列5阶公式：
f(x)＝ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f0
式中，x表示环境温度值，f(x)为对应的恒温晶振的频率，a，b，c，d，e分别为固定参数，f0为标准频率。
因此在本实施例中，还包括一恒温补偿模块，所述恒温补偿模块包括一数字温度传感器，所述数字温度传感器紧贴恒温晶振的金属表面，用于检测恒温晶振的温度，数字温度传感器连接晶振控制模块，晶振控制模块通过读取数字传感器温度变化监控恒温晶振内部的电压变化，其对应监控公式为：
f(y)＝cy3+dy2+ey+f0
式中，f(y)为对应温度下的恒温晶振的频率，c，d，e分别为固定参数(是由频率，温度变化，频率调整参数确定)，y为数字温度传感器检测到的温度值。
在本实施例中，如图7所示，所述晶振控制模块包括数据处理模块、补偿控制模块、DAC控制模块和DAC；
DAC控制模块用于向DAC输出控制参数；
DAC用于将DAC控制模块提供的控制参数转换为对应的压控电压，输出给恒温晶振，以控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
数据处理模块用于在授时状态下提取卫星PPS信号的标称频率，提供给DAC控制模块；
补偿控制模块用于在授时状态下记录DAC控制模块输出的控制参数的变化情况；
还用于在守时状态下，根据控制参数在授时状态下的变化情况，向DAC控制模块发出补偿指令；
DAC控制模块还用于在授时状态下，根据标称频率和本地时钟信号频率之间的差异，对输出的控制参数进行调整，使本地时钟信号的频率趋向于标称频率；还用于在守时状态下，根据补偿控制模块的补偿指令，对输出的控制参数进行补偿调整。
作为优选的，在授时状态下，所述补偿控制模块每间隔一段固定时间，对DAC控制模块输出的控制参数进行一次存储；
在守时状态下，补偿控制模块根据授时状态下存储的控制参数，计算出控制参数每改变1的时间周期；每经过一个所述时间周期，补偿控制模块向DAC控制模块发送一个补偿指令，使DAC控制模块输出的控制参数对应加1或减1。
如图8所示，本发明提供了卫星导航高精度授时子***的授时方法，包括：
S1、确认授时子***是否定位成功：当授时子***定位成功时，进入授时状态；当授时子***定位失败时，进入守时状态，恒温模块及恒温补偿模块对***温度进行监控和调整，使子***始终处于恒定温度；
S2、判断卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号是否持续有效：当卫星PPS信号持续有效时，授时子***维持在授时状态；当卫星PPS信号失效时，授时子***进入守时状态；
S3、利用卫星PPS信号进行授时：当授时子***处于授时状态时，晶振控制模块根据卫星PPS信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为卫星PPS信号的标称频率，然后对调整后本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出；
S4、利用本地时钟信号进行守时：当授时子***处于守时状态时，断开卫星PPS信号，对本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出。
在步骤S1中，所述恒温的监控和调整方法已有描述，因此不再赘述。
其中，S1和S2的目的在于判断卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号的有效性，进而决定授时子***目前应当工作于授时状态还是守时状态。
具体地，在S1中，当卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量大于或等于4颗时，则判定授时子***定位成功，即卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号有效，授时子***进入授时状态。跟踪到的卫星数量小于4颗时，则判定授时子***定位失败，即卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号无效，授时子***进入守时状态。
在S2中，当卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量持续大于2或等于2颗时，则认定卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号依然保持有效，该卫星PPS信号可用于授时，授时子***维持在授时状态；而一旦跟踪到的卫星数量小于2颗，则认定卫星信号接收模块提供的卫星PPS信号失效，该卫星PPS信号不可用于授时，授时子***转换到守时状态。当授时子***处于守时状态时，需要重新按照S1的判断条件定位成功后才可转换到授时状态。
需要说明的是，S3和S4是并列的，分别定义了授时子***在授时状态和守时状态下的工作方式，两者之间并不存在先后关系。通过S1和S2的判断，使授时子***在S3的授时状态和S4的守时状态之间切换。
为了在卫星PPS信号失效后，授时子***的本地时钟信号频率仍能保持较高的精度，从而使得在守时状态下有本地时钟信号分频得到的PPS基准信号仍能保持与卫星同步，本发明实施例对S3和S4的具体工作方式进行了改进。
作为改进，在S3中，还包括，记录晶振控制模块对恒温晶振进行驯服时输出的控制参数的变化情况；
在S4中，在对本地时钟信号进行分频处理之前，还包括，根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整。
从本质上来说，本发明实施例对于S3和S4的改进在于，在授时状态下记录本地时钟信号的频率变化情况，并且总结其变化规律，以期实现在守时状态下对本地时钟信号的频率进行自动补偿。
实际上，由于在驯服过程中，所述恒温晶振输出的本地时钟信号的频率是不断调整的，即晶振控制模块每一时刻都在使恒温晶振的输出频率趋向于标称频率，这种调整需要一个时间过程，而不是能够立即实现的；因此，我们无法直接记录本地时钟信号的频率变化。
现有技术中，晶振控制模块通常包括一DAC(Digital to analog converter，数字/模拟转换器)和一DAC控制模块，如图9所示，DAC控制模块(通常为单片机)向DAC发送20位的DAC_DATA，DAC根据DAC_DATA的大小改变其输出的压控电压Vc，压控电压Vc输入到恒温晶振的压控脚，压控电压Vc改变，恒温晶振的输出频率也跟着变化。压控电压Vc的大小与DAC_DATA的大小成正比关系，而恒温晶振的输出频率大小又与压控电压Vc成正比关系。其中，DAC_DATA即为以上所述的控制参数。
驯服过程中，为了把恒温晶振的输出频率锁定在标称频率，DAC_DATA是不断变化的，DAC_DATA值随时间的变化即对应地反映了恒温晶振的输出频率随时间的变化；所以，可以通过记录DAC_DATA的值来代替所述本地时钟信号的频率。
具体地，在S3的授时状态下记录控制参数变化情况的方法为：每隔1个小时，将晶振控制模块输出的控制参数(即以上所述的DAC控制模块输出的DAC_DATA)进行一次存储，连续记录24小时。
当卫星PPS信号失效时，授时子***进入守时状态，由授时子***在授时状态下记录的控制参数，能够计算出该控制参数在24小时内的变化值ΔDAC＝DAC24-DACl。为了使所述本地时钟信号的频率与标称频率保持相对恒定，在未来24小时内，所述DAC控制模块必须改变等值的DAC_DATA来补偿恒温晶振。当ΔDAC为正时，DAC_DATA在24小时内增加|ΔDAC|，当ΔDAC为负时，DAC_DATA在24小时内减小|ΔDAC|。
具体地，在S4中，对本地时钟信号的频率进行补偿调整的方法为：以秒为单位，计算出授时状态下的控制参数每改变1的时间周期ΔT＝24*60*60/ΔDAC；在守时状态下，每经过一个所述时间周期，将晶振控制模块输出的控制参数对应加1或减1；DAC输出的压控电压Vc也随着增大或者减小，从而控制恒温晶振的输出频率保持恒定。
如图10所示，所述时间同步子***包括主时间服务器、子站时间服务器、多E1/PTP时间通道适配器和单E1/PTP时间通道适配器，所述主时间服务器与所述多E1/PTP时间通道适配器连接，所述子站时间服务器与多个所述单E1/PTP时间通道适配器连接，所述多E1/PTP时间通道适配器通过传输网络与多个所述单E1/PTP时间通道适配器连接；
所述主时间服务器用于接收高精度的PPS基准信号；
所述多E1/PTP时间通道适配器设置有以太PTP接口和多个E1接口，所述多E1/PTP时间通道适配器用于建立所述多个E1接口与子站时间服务器硬件地址的对应关系、实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、根据PTP协议对PTP报文进行处理；
所述单E1/PTP时间通道适配器设置有单个以太PTP接口和单个E1接口，所述单E1/PTP时间通道适配器用于实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、计算所述PTP接口信号和所述E1接口信号的映射和解映射的延时、根据所述PTP协议对PTP报文进行处理。
本发明时间同步子***，包括多E1/PTP时间通道适配器和单E1/PTP时间通道适配器，所述多E1/PTP时间通道适配器通过传输网络与所述单E1/PTP时间通道适配器进行信息交互，实现时间同步，由于在整个时间同步的过程中参与设备数量少，其数据交互仅仅是在主时间服务器、多E1/PTP时间通道适配器、单E1/PTP时间通道适配器和子站时间服务器之间进行交互，所以其延时大大减少、其时间同步精度有了很大的提高，所以本发明时间同步子***是一种结构简单且具有良好同步精度的时间同步子***。
所述多E1/PTP时间通道适配器和所述单E1/PTP时间通道适配器均通过FPGA设计实现。
所述多E1/PTP时间通道适配器包括：
第一同步报文处理单元，用于以广播方式发送同步报文到所述E1接口，将所述同步报文映射到所述E1接口信号，计算所述同步报文从所述以太PTP接口到所述E1接口的处理延时，填入所述同步报文修正域字段；
第一跟随报文处理单元，用于以广播方式发送跟随报文到所述E1接口，将所述跟随报文映射到所述E1接口信号；
第一延迟计算请求报文处理单元，用于计算延迟计算请求报文从所述E1接口到所述以太PTP接口的处理延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域，同时记录E1接口号和所述延迟计算请求报文携带的所述子站时间服务器硬件地址；
第一延迟计算请求响应报文处理单元，用于根据E1接口号和所述子站时间服务器硬件地址的对应关系，将所述延迟计算请求响应报文通过和所述子站时间服务器对应的E1接口发出。
所述单E1/PTP时间通道适配器包括：
第二同步报文处理单元，用于发送同步报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述同步报文分别解映射到E1接口信号和PTP接口信号，计算所述同步报文在E1接口到所述PTP接口的解映射延时，填入同步报文修正域字段；
第二跟随报文处理单元，用于发送跟随报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述跟随报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号；
第二延迟计算请求报文处理单元，用于实现子站PTP接口信号到E1接口信号上映射，计算所述子站PTP接口信号到所述E1接口信号的映射延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域；
第二延迟计算请求响应报文处理单元，用于发送延迟计算请求响应报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述延迟计算请求响应报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号。
下面将详细说明多E1/PTP时间通道适配器和单E1/PTP时间通道适配器对报文的处理过程。
主站发往子站的同步报文(PTP Sync报文)的处理过程。
主时间服务器发出PTP Sync报文，多E1/PTP时间通道适配器收到PTP Sync报文，启动以太PTP接口到E1接口的映射过程，完成PTP Sync报文到所有N个E1接口的映射，相当于PTP Sync报文向所有N个E1接口广播。同时计算以太PTP接口Sync报文入到E1接口出的处理延时(各E1接口分别计算)，填入Sync报文修正域字段CorrectFieldSyncl。子站时间服务器E1接口处的报文为PTP Sync报文+CorrectFieldSync1。传输网络透传这个报文，单E1/PTP时间通道适配器设备E1接口入的报文也是PTP Sync报文+CorrectFieldSync1。单E1/PTP时间通道适配器设备收到PTP Sync报文+CorrectFieldSync1报文，启动，E1接口信号到PTP接口信号解映射，计算E1接口到PTP接口的解映射延时，填入Sync报文修正域字段CorrectFieldSync2。单E1/PTP时间通道适配器设备以太PTP接口出的报文为PTP Sync报文+CorrectFieldSyncl+CorrectFieldSync2到达子站时间服务器设备。
主站发往子站的跟随报文(PTP follow up)报文的处理过程。
主时间服务器设备发出PTP follow up报文(PTP follow up报文)，多E1/PTP时间通道适配器设备收到PTP follow up报文报文，启动以太PTP接口到E1接口的映射过程，完成PTP follow up报文报文到所有N个E1接口的映射，相当于PTP follow up报文报文向所有N个E1接口广播。传输网络透传PTP follow up报文报文，单E1/PTP时间通道适配器设备进行E1接口信号到PTP接口信号解映射，透传PTP follow up报文报文。子站时间服务器设备收PTP follow up报文报文。
子站发往主站的延迟计算请求报文(PTP Delay_Req报文)的处理过程。
子站时间服务器设备收到PTP Sync报文报文和PTP follow up报文报文后，发出PTP Delay_Req报文(PTP Delay Req报文)。单E1/PTP时间通道适配器设备收到PTP Delay_Req报文报文，启动以太PTP接口到E1接口的映射过程，计算以太PTP接口PTP Delay_Req报文报文入到E1接口出的处理延时，填入Delay_Req报文修正域字段CorrectFieldDelayReq2。单E1/PTP时间通道适配器设备E1接口出的报文为PTP Delay_Req报文+CorrectFieldDelayReq2。传输网络透传这个报文，多E1/PTP时间通道适配器设备E1接口入的报文也是PTP Delay_Req报文+CorrectFieldDelayReq2。多E1/PTP时间通道适配器设备收到PTP Delay_Req报文+CorrectFieldDelayReq2报文，启动E1接口信号到PTP接口信号解映射，计算E1接口到PTP接口的解映射延时，填入Delay_Req报文修正域字段CorrectFieldDelayReq1。多E1/PTP时间通道适配器设备从PTP Delay_Req报文报文中提取源MAC(子站MAC)地址，并记录子站时间服务器硬件地址和E1接口号之间的对应关系。多E1/PTP时间通道适配器设备以太PTP接口出的报文为PTP Delay_Req报文+CorrectFieldDelayReq2+CorrectFieldDelayReq1到达主时间服务器设备。
主站发往子站的延迟计算请求响应报文(PTP Delay_Resp报文)的处理过程。
主时间服务器设备收到PTP Delay_Req报文报文后，发出PTP Delay_Resp报文(PTP Delay_Resp报文)。多E1/PTP时间通道适配器设备收到PTP Delay_Resp报文报文，提取PTP Delay_Resp报文报文中的目的MAC地址(子站时间服务器硬件地址)，根据多E1/PTP时间通道适配器设备子站时间服务器硬件地址和E1接口号之间的对应关系，确定需要启动以太PTP接口到E1接口的映射过程的E1接口号，完成PTP Delay_Resp报文报文到确定E1接口的映射。传输网络透传PTPDelay_Resp报文报文，单E1/PTP时间通道适配器设备进行E1接口信号到PTP接口信号解映射，透传PTP Delay_Resp报文报文。子站时间服务器设备收PTPDelay_Resp报文报文。
所述传输网络为同步数字传输体系。
同步数字体系是一种光纤通信***中的数字通信体系，光纤通信在电信网中获得了广泛的应用，其具有传输质量高，可靠性高，保密性强；网络时延小，抗干扰能力强，无噪声积累、全透明网络；灵活的连接方式，组网环境；采用路由迂回和备用方式，使电路安全可靠等特点。
所述子站时间服务器包括PTP从钟接口，所述子站时间服务器处理IEEE1588V2协议。
所述以太PTP接口物理接口为百兆/千兆以太网光电口。
所述单E1/PTP时间通道适配器的个数在2到32之间。
选择合适的单E1/PTP时间通道适配器的个数能够在保证实现时间同步功能的同时最大限度的减少***中的设备，简化***结构。
所述单E1/PTP时间通道适配器和所述子站时间服务器的个数相等。
每一个子站时间服务器分别连接一个单E1/PTP时间通道适配器可以更高效、更精确实现本发明时间同步***的时间同步功能。
实施例2
如图11所示，本发明还一种基于卫星导航高精度授时的相位测量方法，包括：
卫星导航高精度授时子***向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
时间同步子***通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
采样脉冲获取模块获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
双踪示波器将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
本发明采用卫星导航高精度授时子***作为标准时间信号，可以使整个***的采样脉冲时间误差保持在几个μs以内，对应的相位测量误差也就不大于0.5度，完全满足了***的要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，包括卫星导航高精度授时子***、时间同步子***、多个采样脉冲获取模块、双踪示波器；
所述卫星导航高精度授时子***用于向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
所述时间同步子***用于通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
所述采样脉冲获取模块用于获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
所述双踪示波器用于将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
2.根据权利要求1所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述卫星导航高精度授时子***包括：
卫星信号接收模块，用于跟踪接收多颗导航卫星发出的卫星PPS信号；
工作状态判断模块，用于实时监控卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量，进而判断授时子***的工作状态为授时状态或守时状态；
晶振控制模块，用于通过一控制参数，控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
恒温晶振，用于在晶振控制模块的控制下输出本地时钟信号；
采样模块，用于对本地时钟信号进行采样，反馈给晶振控制模块和基准信号输出模块；
基准信号输出模块，用于向外部输出PPS基准信号；
恒温模块，用于监控恒温晶振、晶振控制模块和采样模块的温度变化，并将其控制在恒定温度；
其中，当授时子***工作于授时状态下时，晶振控制模块根据卫星PPS信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为卫星PPS信号的标称频率，同时，记录控制参数的变化情况；基准信号输出模块对调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出；
当授时子***工作于守时状态下时，晶振控制模块根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整；基准信号输出模块对补偿调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到PPS基准信号进行输出。
3.根据权利要求2所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述恒温模块、恒温晶振、晶振控制模块和采样模块通过一外壳密封在一个密闭空间内，所述恒温模块包括环境温度传感器、恒温控制模块和加热模块；
所述环境温度传感器用于检测密闭空间的温度；
所述加热模块用于工作使密闭空间温度上升；
所述恒温控制模块包括一比较器，用于比较环境传感器温度与比较器自身设定温度值；若环境传感器检测温度低于比较器设定温度值，恒温控制模块控制加热模块工作，使密闭空间温度稳定；若环境传感器检测温度高于比较器设定温度值时，停止加热模块的工作。
4.根据权利要求2所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述卫星导航高精度授时子***还包括一恒温补偿模块，所述恒温补偿模块包括一数字温度传感器，所述数字温度传感器紧贴恒温晶振的金属表面，用于检测恒温晶振的温度，数字温度传感器连接晶振控制模块，晶振控制模块通过读取数字传感器温度变化监控恒温晶振内部的电压变化，其对应监控公式为：
f(y)＝cy3+dy2+ey+f0
式中，f(y)为对应温度下的恒温晶振的频率，a，b，c分别为固定参数，y为数字温度传感器检测到的温度值。
5.根据权利要求2所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述晶振控制模块包括数据处理模块、补偿控制模块、DAC控制模块和DAC；
DAC控制模块用于向DAC输出控制参数；
DAC用于将DAC控制模块提供的控制参数转换为对应的压控电压，输出给恒温晶振，以控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；
数据处理模块用于在授时状态下提取卫星PPS信号的标称频率，提供给DAC控制模块；
补偿控制模块用于在授时状态下记录DAC控制模块输出的控制参数的变化情况；还用于在守时状态下，根据控制参数在授时状态下的变化情况，向DAC控制模块发出补偿指令；
DAC控制模块还用于在授时状态下，根据标称频率和本地时钟信号频率之间的差异，对输出的控制参数进行调整，使本地时钟信号的频率趋向于标称频率；还用于在守时状态下，根据补偿控制模块的补偿指令，对输出的控制参数进行补偿调整。
6.根据权利要求2所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述卫星导航高精度授时子***在授时状态下，所述补偿控制模块每间隔一段固定时间，对DAC控制模块输出的控制参数进行一次存储；
在守时状态下，补偿控制模块根据授时状态下存储的控制参数，计算出控制参数每改变1的时间周期；每经过一个所述时间周期，补偿控制模块向DAC控制模块发送一个补偿指令，使DAC控制模块输出的控制参数对应加1或减1。
7.根据权利要求1所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述时间同步子***包括主时间服务器、子站时间服务器、多E1/PTP时间通道适配器和单E1/PTP时间通道适配器，所述主时间服务器与所述多E1/PTP时间通道适配器连接，所述子站时间服务器与所述单E1/PTP时间通道适配器连接，所述多E1/PTP时间通道适配器通过传输网络与所述单E1/PTP时间通道适配器连接；
所述主时间服务器用于接收高精度的PPS基准信号；
所述多E1/PTP时间通道适配器设置有以太PTP接口和多个E1接口，所述多E1/PTP时间通道适配器用于建立所述多个E1接口与子站时间服务器硬件地址的对应关系、实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、根据PTP协议对PTP报文进行处理；
所述单E1/PTP时间通道适配器设置有单个以太PTP接口和单个E1接口，所述单E1/PTP时间通道适配器用于实现以太PTP接口信号和E1接口信号的映射和解映射、计算所述PTP接口信号和所述E1接口信号的映射和解映射的延时、根据所述PTP协议对PTP报文进行处理；
其中，所述多E1/PTP时间通道适配器包括：
第一同步报文处理单元，用于以广播方式发送同步报文到所述E1接口，将所述同步报文映射到所述E1接口信号，计算所述同步报文从所述以太PTP接口到所述E1接口的处理延时，填入所述同步报文修正域字段；
第一跟随报文处理单元，用于以广播方式发送跟随报文到所述E1接口，将所述跟随报文映射到所述E1接口信号；
第一延迟计算请求报文处理单元，用于计算延迟计算请求报文从所述E1接口到所述以太PTP接口的处理延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域，同时记录E1接口号和所述延迟计算请求报文携带的所述子站时间服务器硬件地址；
第一延迟计算请求响应报文处理单元，用于根据E1接口号和所述子站时间服务器硬件地址的对应关系，将所述延迟计算请求响应报文通过和所述子站时间服务器对应的E1接口发出。
8.根据权利要求7所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述单E1/PTP时间通道适配器包括：
第二同步报文处理单元，用于发送同步报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述同步报文分别解映射到E1接口信号和PTP接口信号，计算所述同步报文在E1接口到所述PTP接口的解映射延时，填入同步报文修正域字段；
第二跟随报文处理单元，用于发送跟随报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述跟随报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号；
第二延迟计算请求报文处理单元，用于实现子站PTP接口信号到E1接口信号上映射，计算所述子站PTP接口信号到所述E1接口信号的映射延时，填入所述延迟计算请求报文的修正域；
第二延迟计算请求响应报文处理单元，用于发送延迟计算请求响应报文到所述E1接口和所述PTP接口，将所述延迟计算请求响应报文分别解映射到所述E1接口信号和所述PTP接口信号。
9.根据权利要求7所述的基于卫星导航高精度授时的相位测量***，其特征在于，所述多E1/PTP时间通道适配器和所述单E1/PTP时间通道适配器均通过FPGA设计实现；
所述传输网络为同步数字传输体系；
所述子站时间服务器包括PTP从钟接口，所述子站时间服务器处理IEEE 1588V2协议；
所述以太PTP接口物理接口为百兆/千兆以太网光电口；
所述单E1/PTP时间通道适配器的个数在2到32之间；
所述单E1/PTP时间通道适配器和所述子站时间服务器的个数相等。
10.一种基于卫星导航高精度授时的相位测量方法，其特征在于，包括：
卫星导航高精度授时子***向时间同步子***提供高精度的PPS基准信号；
时间同步子***通过接收高精度的PPS基准信号使多个采样脉冲获取模块与卫星导航高精度授时子***的时间保持同步；
采样脉冲获取模块获取同一时间的待测量点的采样脉冲信号；
双踪示波器将同一时间的待测量点的采样脉冲信号同时加到两个Y通道，根据两个波形的时间间隔ΔT与波形周期T的比，计算相位差Φ，Φ＝360*(ΔT/T)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Jian Inventor after: Yang Kun Inventor before: Tang Daoyong Inventor before: Wang Jian Inventor before: Yang Kun |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171013 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |