CN108132593A - 一种基于卫星共视的时间码测量装置 - Google Patents

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张明
杨帆
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Abstract

本发明公开了一种基于卫星共视的时间码测量装置，所述装置包括：天线、共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元、测量结果精确处理单元以及校准结果输出单元。本发明的时间码测量装置采用共视比对的方式，与守时实验室的共视接收机进行数据交互，消除了时间码测量时自身时间参考带来的误差，提高了时间码现场校准的精度。

Description

一种基于卫星共视的时间码测量装置
技术领域
本发明涉及时间码测量装置技术领域，具体涉及一种基于卫星共视的时间码测量装置。
背景技术
随着技术的发展，时间同步在各种电子***尤其是武器***中的重要性日益体现。为了完成多军种、多***的信息融合、协同作战，各***必须工作在统一的时空坐标体系之内。为此，许多***都配备了高精度的时间统一设备。
时统设备通过接收北斗等卫星导航***信号或IRIG-B码等有线信号获取初始时间，内部通过铷原子钟或高稳晶振对时间进行保持，对外输出1PPS、1PPM、1PPH、IRIG-B(DC)码、IRIG-B(AC)码、TOD、NTP以及PTP等信号，为用时***提供高精度的时间统一服务。
这些时统设备大多集成于***中，不宜拆卸，因此无法做到周期性送交计量部门予以计量校准。大量的时统设备未经校准，为时间统一体系带来了严重的隐患。因此，研究解决高精度时统设备的现场校准问题具有重要的意义。
对时统设备进行校准测试的设备称为时间码测量仪。时间码测量仪针对时统设备输出的各种时间码信号进行解调，恢复出1PPS信号和时间信号，并与自身的时间参考进行比较，从而给出时间偏差的测量结果。
目前，国际上市场接受度最高的时间码测量仪是英国Time&Frequency Solutions公司生产的TimeACC 007。该款产品采用内置的C/A码GPS接收机，内时基精度30ns(1σ)，内置时间间隔测量分辨力为0.2ns。可测信号包括1PPS(秒脉冲)、1PPM(分钟脉冲)、1PPH(小时脉冲)、IRIG-B(DC)码、IRIG-B(AC)码、TOD(串行时间码)、NTP(网络时间协议)以及PTP(精密时间协议)等。该款产品由于良好的便携性以及可测信号的丰富性获得了市场的高度认可，在国际上，包括我国的电力、电信等部门得到了大量的应用。国内也出现了一系列的类似产品。
但是此类产品在真正用于高精度时统设备校准时，具有一个严重的问题。由于被校设备一般也基于卫星导航***获取时间，时间解调精度一般为(30～50)ns，与校准仪器的精度在同一量级。因此，校准时其权威性、准确性饱受质疑。
由时统设备和时间码测量仪的原理可知，在进行时间码测量时，除1PPS等脉冲信号可直接进行时间间隔测量外，其他时间码信号都先通过时间信号解调模块恢复出1PPS和时间信号，再通过时间间隔测量和时间信息比对获取其与本地时间参考的偏差。由上述测量原理可知，测量误差来源主要由三部分组成：时间信号解调误差、时间间隔测量误差和本地时间参考的误差。
时间间隔测量技术目前已较为成熟，采用模拟内插法、双混频时差法以及高速TDC等技术，时间间隔测量分辨率可达皮秒量级，受限于器件噪声的影响，测量误差一般为50ps左右。针对IRIG-B(DC)码、ASCII串行时间码等时间信号的解调可采用FPGA(可编程逻辑器件)进行，解调误差为纳秒量级。IRIG-B(AC)码解调误差为微秒量级，NTP解调误差为毫秒量级，PTP解调误差为几十纳秒量级。受限于北斗/GPS单向授时技术，本地时间参考误差一般为(30～50)ns。
综上分析可知，本地时间参考带来的误差严重制约了时间码测量仪的测量精度。由于北斗/GPS单向授时精度较难提高，因此应采取更高精度的时间传递手段提高本地时间参考的水平。基于卫星共视(GNSS Common View)的时间传递技术是最佳选择。
卫星共视时间传递技术是一种利用卫星导航***进行远程时间传递的技术方法。位于不同地点的两个观测站在同一时刻观测同一颗导航卫星，获取各自本地时间与导航***时间之间的偏差，然后通过交换数据求解两站之间的时间偏差。卫星共视时间传递技术消除了卫星钟误差的影响，其传递不确定度可达2ns(A类)，传递精度比传统的北斗/GPS单向授时技术可提高一个数量级。
卫星共视时间传递技术一般应用于守时***之间的时间比对，一个典型的卫星共视比对***如图1所示。
A、B两地在同一时刻观测同一颗GNSS卫星，GNSS接收机输出的秒脉冲即代表GNSS时间(GNSST)，将其送至接收机的内置时间间隔计数器，并与本地原子钟输出的秒脉冲(代表本地时间)比较。在A地，我们得到本地时刻TA与GNSS***时间GNSST之差。同时，在B地得到TB与GNSST的差。两地通过计算机网络进行数据交换，便可获得两地原子钟之间的时间差。
假设两地在同一时刻观测卫星S。于是有
A地：ΔTAS＝TA-GNSST-dA＝UTC(A)和卫星S的钟差
B地：ΔTBS＝TB-GNSST-dB＝UTC(B)和卫星S的钟差
共视作差得两站之间的时间偏差为：
ΔTAB＝ΔTAS-ΔTBS＝(TA-GNSST-dA)-(TB-GNSST-dB) (1)
其中，dA和dB分别为两站与卫星之间的路径时延，该时延主要包括卫星钟差、电离层时延、对流层时延、地球自转效应和接收机时延等。其中，卫星钟差可在两站交换数据时相互抵消；电离层时延、对流层时延、地球自转效应均可用相应的模型公式进行修正；接收机时延可通过相对校准和绝对校准两种方式修正。目前，采用卫星共视进行远程时间比对的技术已较为成熟。
发明内容
基于以上背景技术，本发明提供一种基于卫星共视的时间码测量装置，解决传统时间码测量装置本地时间参考误差较大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于卫星共视的时间码测量装置，所述装置包括：
天线，用以接收卫星导航信号，并输送至共视接收单元；
共视接收单元，通过天线接收卫星导航***的信号，并与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差；
远程数据传输单元，用以获得守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差；
时间保持单元，用以产生本地的10MHz信号和1PPS信号；
时间信号测量单元，用以将被测的时间码信号进行解调，恢复出1PPS信号，并将其与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到初步的时差测量结果；
测量结果精确处理单元，用以收集处理本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差、守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差、初步的时差测量结果，解算得到精确时差测量信息；
校准结果输出单元，用以展示精确时差测量信息。
具体的，所述共视接收单元采用卫星接收板卡。
具体的，所述远程数据传输单元采用GPRS传输模块和以太网传输模块。
具体的，所述时间保持单元包括内频标和时间保持电路。
更具体的，所述内频标采用小型化铷原子钟，所述时间保持电路采用FPGA芯片。
具体的，所述时间信号测量单元包括信号调理电路、FPGA芯片和ARM芯片。
具体的，所述测量结果精确处理单元与校准结果输出单元共用一个便携式计算机。
更具体的，所述共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元皆集成化为PCI板卡，***至便携式计算机中。
更具体的，所述携式计算机的显示屏为10英寸，操作***为Windows***。
本发明的有益效果
本发明提供的时间码测量装置采用共视比对的方式，与守时实验室的共视接收机进行数据交互，消除了时间码测量时自身时间参考带来的误差，提高了时间码现场校准的精度。
附图说明
图1为典型的卫星共视时间传递***框图；
图2为本发明基于卫星共视的时间码测量装置；
图3为本发明时间码测量装置的工作原理框图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据以上发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明公开一种基于卫星共视的时间码测量装置，如图2和图3所示，所述时间码测量装置包括：天线、共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元、测量结果精确处理单元以及校准结果输出单元。
天线，用以接收卫星导航信号，并输送至共视接收单元；
共视接收单元，通过天线接收卫星导航***的信号，并与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差ΔT1；具体的，共视接收单元接收北斗、GPS等导航***的信号采用卫星接收板卡来实现；
ΔT1＝Tlocal-GNSST-dA (2)
其中，GNSST——卫星导航***时间；
dA——装置内共视接收机与卫星***的路径延迟；
远程数据传输单元，用以获得守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差ΔT2；具体的，远程数据传输单元通过GPRS、以太网或北斗段报文等方式获得守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差，采用GPRS传输模块和以太网传输模块实现；
ΔT2＝Tremote-GNSST-dB (3)
其中，Tremote——守时试验室保持的时间；
dB——守时试验室共视接收机与卫星***的路径延迟；
时间保持单元，用以产生本地的10MHz信号和1PPS信号；具体的，时间保持单元包括内频标和时间保持电路。内频标采用小型化铷原子钟，输出信号为10MHz正弦信号。时间保持电路采用FPGA芯片实现。首先对10MHz正弦信号进行整形滤波，经过比较器后转化为方波信号输送至FPGA。在FPGA内部，对10MHz信号进行107次分频得到1PPS信号，并分频得到年、月、日、时、分、秒等信息。
时间信号测量单元，用以将被测的时间码信号进行解调，恢复出1PPS信号和时间信息，并将其与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到初步的时差测量结果Tcursory；具体的，所述时间信号测量单元包括信号调理电路、FPGA芯片和ARM芯片。被测的脉冲信号和B(DC)码信号通过电平转换电路后输入至FPGA芯片；被测的B(AC)码信号经过模数转换后输入至FPGA芯片；PTP、NTP等网络授时信号进入ARM芯片。在FPGA芯片和ARM芯片内，通过软件对被测时间码信号进行解调，并与时间保持单元输出的参考时间进行比对后，得到粗测结果。
Tcursory＝Tcode-Tlocal (4)
其中，Tcursory——粗测结果；
Tcode——被测时间码信号的时间；
Tlocal——时间保持单元输出的时间参考；
测量结果精确处理单元，用以收集处理本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差(ΔT1)、守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差(ΔT2)、初步的时差测量结果(Tcursory)，解算得到精确时差测量信息Tprecision；
校准结果输出单元，用以展示精确时差测量信息。
具体的，测量结果精确处理单元采用工业级便携式计算机实现，显示屏为10英寸，操作***采用Windows***。计算机收集共视比对信息、远程比对信息以及时差粗测结果，进行解算得到精确时差测量信息。所述测量结果精确处理单元与校准结果输出单元共用一个便携式计算机。校准结果输出单元与测量结果精确处理单元共用一个工业级便携式计算机实现，通过用户友好的人机交互界面，将测量结果进行展示。在本优选实施例中，所述携式计算机的显示屏为10英寸，操作***为Windows***。
共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元皆采用集成化、小型化设计。设计为2块PCI板卡，***至便携式计算机中。因此，整机外观与一台便携式计算机相似，具有良好的便携性，适合现场校准使用。
更具体的，所述共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元皆集成化为PCI板卡，***至便携式计算机中。
本发明的时间码测量装置，在使用时需要于守时试验室的共视接收机进行远程交互，交换共视比对信息。该共视接收机可以采用普通商用的共视接收机即可。
显然，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，都属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种基于卫星共视的时间码测量装置，其特征在于，所述装置包括：
天线，用以接收卫星导航信号，并输送至共视接收单元；
共视接收单元，通过天线接收卫星导航***的信号，并与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差；
远程数据传输单元，用以获得守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差；
时间保持单元，用以产生本地的10MHz信号和1PPS信号；
时间信号测量单元，用以将被测的时间码信号进行解调，恢复出1PPS信号，并将其与时间保持单元输出的1PPS信号进行比对，得到初步的时差测量结果；
测量结果精确处理单元，用以收集处理本地时间保持单元输出的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差、守时试验室保持的1PPS信号与卫星导航***的信号的时差、初步的时差测量结果，解算得到精确时差测量信息；
校准结果输出单元，用以展示精确时差测量信息。
2.根据权利要求1所述的时间码测量装置，其特征在于，所述共视接收单元采用卫星接收板卡。
3.根据权利要求1所述的时间码测量装置，其特征在于，所述远程数据传输单元采用GPRS传输模块和以太网传输模块。
4.根据权利要求1所述的时间码测量装置，其特征在于，所述时间保持单元包括内频标和时间保持电路。
5.根据权利要求4所述的时间码测量装置，其特征在于，所述内频标采用小型化铷原子钟，所述时间保持电路采用FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的时间码测量装置，其特征在于，，所述时间信号测量单元包括信号调理电路、FPGA芯片和ARM芯片。
7.根据权利要求1所述的时间码测量装置，其特征在于，所述测量结果精确处理单元与校准结果输出单元共用一个便携式计算机。
8.根据权利要求7所述的时间码测量装置，其特征在于，所述共视接收单元、远程数据传输单元、时间保持单元、时间信号测量单元皆集成化为PCI板卡，***至便携式计算机中。
9.根据权利要求8所述的时间码测量装置，其特征在于，所述携式计算机的显示屏为10英寸，操作***为Windows***。
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