CN109001769B - 一种基于北斗卫星的dcls时间偏差监测方法及*** - Google Patents

一种基于北斗卫星的dcls时间偏差监测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测方法，以北斗二代卫星***的时间为本地基准时间；对DCLS输入的码流进行解码，得出时间报文+秒脉冲的组合；采用硬件时间戳方法，在恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，把本地基准时间标签锁定在两个寄存器中，一个为秒寄存器，一个为纳秒寄存器；将恢复出的时间报文信息与秒寄存器内的锁存时间进行比较，得出秒时间偏差；将恢复出的秒脉冲与本地秒脉冲进行比较，得出纳秒时间偏差；所求的时间偏差＝秒时间偏差+纳秒时间偏差。本发明还提供了一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***。本发明开创性的应用了正、反两个方向的偏差比对方法和硬件时间戳方法，提高了时间偏差计算的精度。

Description

一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测方法及***
技术领域
本发明涉及一种运用北斗卫星授时的DCLS时间偏差测试方法及***，属于通信技术领域。
背景技术
由于现代电子通信技术的发展，许多行业越来越依赖于时间同步技术，时间同步对于电力控制、顺序控制、图像监控、公安侦破和轨道交通等方面的重视程度越来越高。精确的授时信号是各种自动化设备正常运行的必要保障，毫秒甚至微秒级的时间偏差都有可能导致***工作异常，造成无法挽回的损失。由于各个厂家的产品千差万别，怎样判断授时设备的好坏及授时的精度及质量，也即刻摆在了我们面前，当务之急是采用正确的且行之有效的方法，提供更准确的授时测量精度的测试手段，完成时间在线监测。一种第三方的监测手段，一种正确的、可靠的时间监测方法，做到早发现、早预警、早更换，防止更大的不可挽回的问题出现。
当前应用最成熟的是GPS卫星对时技术。尽管GPS***已经相当成熟，但它毕竟受美国军方的控制，美国也从未向任何国家就该***的可靠性做出过承诺。同时，近年来美国官方也不断公布GPS***由于***寿命等原因可能即将出现瘫痪的问题。鉴于此，设备采用北斗二代卫星对时方式很有必要。
北斗卫星***空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，2012年，中国正在实施北斗卫星导航***建设，目前(截止2017年3月)已成功发射23颗北斗导航卫星。2017年中国计划发射6-8颗北斗导航卫星，根据***建设总体规划。北斗***首先具备了覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力，2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航***。北斗卫星导航***的***时间叫做北斗时，属于原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时2006年1月1日0时0分0秒。
目前使用最广泛的电路时间对时方式是DCLS对时，DCLS是IRIG码的一种传输码形，用直流电位来携带码元信息，等效于IRIG调制码的包络。IRIG-DCLS技术比较适用于双绞线局内传输。在利用该技术进行居间传送时间时，需要人工补偿传输***介入的固定时延8ms起始脉冲+个位“秒”信号(4个脉冲)+8ms间隔脉冲+十位“秒”信号(3个脉冲)+8ms间隔脉冲+个位“分”信号(4个脉冲)+8ms间隔脉冲+十位“分”信号(3个脉冲)+8ms间隔脉冲+个位“时”信号(4个脉冲)+8ms间隔信号+十位“时”信号(四个脉冲)。值得说明的是，B000码中，5ms脉冲代表“1”，2ms脉冲代表“0”。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何方便、精确地得到DCLS被测信号的时间偏差。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测方法，其特征在于：该方法由以下6个步骤组成：
步骤1：以北斗二代卫星***的时间为本地基准时间；
步骤2：对DCLS输入信号模块输入的码流进行解码，得出时间报文TOD+秒脉冲1PPS的组合；
步骤3：采用硬件时间戳方法，在DCLS恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，直接把当前计数器中的本地基准时间标签锁定在两个寄存器中，一个为秒寄存器，一个为纳秒寄存器；
步骤4：通过计算得出的DCLS的时间报文TOD时间(包含年月日时分秒信息)与秒寄存器内锁存的时间进行比较，得出秒时间偏差；
步骤5：将DCLS恢复出的秒脉冲与纳秒寄存器内的本地秒脉冲进行比较，得出纳秒时间偏差；
采用正向和反向两个方向的偏差比较方法进行秒脉冲偏差比对：
正向偏差比较方法，是指本地秒脉冲上升沿作为偏差计算的起点，DCLS恢复出的秒脉冲前沿为终点，期间的偏差值为正向偏差；
反向偏差比较方法，是指DCLS恢复出的秒脉冲前沿作为起点，本地秒脉冲前沿作为终点，期间的偏差值为反向偏差；
在正向偏差、反向偏差、纳秒寄存器内的纳秒计数值三者中，若有两者或三者相同，则该相同的值即可所求的纳秒时间偏差，转步骤6；若三者各不相同，则放弃当前秒的偏差监测，1秒后返回步骤2，重新计算；
步骤6：所求的DCLS时间偏差＝秒时间偏差+纳秒时间偏差。
优选地，所述步骤1中，北斗卫星模块输出时会产生秒脉冲的抖动，通过OCXO恒温晶振锁相环电路模块滤除抖动干扰因素。
一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***，其特征在于：包括主控FPGA，主控FPGA通过光电隔离模块连接DCLS输入信号模块，主控FPGA还连接北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU。
优选地，所述主控FPGA内设有解码器、计数器、本地偏差存储器、秒寄存器和纳秒寄存器，解码器通过光电隔离模块连接所述DCLS输入信号模块，计数器连接北斗卫星模块，秒寄存器和纳秒寄存器均连接北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU。
优选地，所述北斗卫星模块输出实时时间至主控FPGA，作为本地基准时间；
DCLS输入信号模块输入码流至主控FPGA，主控FPGA的解码器对输入的码流进行解码，得出时间报文TOD+秒脉冲1PPS的组合；
主控FPGA采用硬件时间戳方法，在DCLS恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，直接把当前计数器中的本地基准时间标签锁定在秒寄存器和纳秒寄存器中；
北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU将硬件时间戳中秒寄存器中的值DCLS恢复出的时间报文进行比较，得出秒时间偏差；
北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU采用正向和反向两个方向的偏差比较方法进行秒脉冲偏差比对：
正向偏差比较方法，是指本地秒脉冲上升沿作为偏差计算的起点，DCLS恢复出的秒脉冲前沿为终点，期间的偏差值为正向偏差；
反向偏差比较方法，是指DCLS恢复出的秒脉冲前沿作为起点，本地秒脉冲前沿作为终点，期间的偏差值为反向偏差；
在正向偏差、反向偏差、纳秒寄存器内的纳秒时间三者中，若有两者或三者相同，则该相同的值即可所求的秒脉冲偏差，所求的DCLS时间偏差＝秒时间偏差+纳秒时间偏差，将DCLS时间偏差存储在本地偏差存储器中；若三者各不相同，则放弃当前秒的监测，当前时间偏差值放弃，下1秒后重新解码计算。
优选地，所述主控FPGA还连接OCXO恒温晶振锁相环电路模块。
更优选地，所述北斗卫星模块输出时会产生秒脉冲的抖动，通过OCXO恒温晶振锁相环电路模块滤除抖动干扰因素。
优选地，所述主控FPGA还连接用于进行实时偏差显示的LCD CPU。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，以北斗二代卫星***为基准时间，通过对外部输入DCLS码的解码和基准时间进行比对，从而得出DCLS输入的时间偏差。为了防止得出的偏差计算出现错误，开创性的应用了正向和反向两个方向的偏差比对方法和硬件时间戳方法，提高了时间偏差计算的精度。
附图说明
图1为本发明提供的基于北斗卫星的时间偏差监测方法的硬件设计示意图；
图2为本发明提供的基于北斗卫星的时间偏差监测方法的FPGA及软件设计示意图；
图3为本发明提供的基于北斗卫星的时间偏差监测方法的硬件及软件锁相环示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种基于精确的北斗时钟同步技术的时间偏差计算方法。偏差监测包括北斗二代接收机、FPGA解码、OCXO恒温晶振锁相环电路、FPGA偏差计算等。
本发明采用软件和硬件相结合的方法对时间偏差进行处理，对于秒以上的信息处理，FPGA解出DCLS里的时间消息内容，参考FPGA解出的DCLS码流中恢复出的秒脉冲信号与北斗主时钟的精确秒脉冲信号进行对比，CPU经过计算综合得出当前输入的DCLS与实际时间的偏差值。为了防止得出的偏差计算出现错误，开创性的应用了正向和反向两个方向的偏差比较方法和硬件时间戳方法进行秒脉冲偏差比对。
硬件时间戳方法，是通过DCLS恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，通过FPGA硬件直接把当前计数器中的时间标签，锁定两个32位寄存器中，一个为秒寄存器(相对于2000年1月1日00：00：00的秒偏差值)，一个为纳秒计数器(本地纳秒计数器的当前值)，准确性和实时性非常高。因为FPGA内部的计数运行时钟为100M，实际测试出的偏差可以精确到10ns。
正向偏差比较方法，是指本地秒脉冲上升沿作为偏差计算的起点，DCLS恢复出的秒脉冲前沿为终点，期间的偏差值，FPGA写入正向偏差计数寄存器。
反向偏差比较方法，是指DCLS恢复出的秒脉冲前沿作为起点，本地秒脉冲前沿作为终点，期间的偏差值，FPGA写入反向偏差计数寄存器。
CPU读写正向偏差值、反向偏差值和DCLS秒脉冲前沿到达时间等三个值，正向偏差值和反向偏差值需要通过数据加工(100M的余数)，得出真实的偏差值，与DCLS恢复秒脉冲前沿到达时间进行比较计算，可以很好地杜绝出错。主要能够避免以下两个方面可能导致的出错：
(1)硬件时间戳锁定出错
硬件时间戳锁定时，正好遇到计数器翻转可能会导致锁存的納秒寄存器时间出错，这时结合正反向偏差值可以补齐纳秒以下时间偏差值，可以得出精确的时间偏差量。
(2)偏差跨秒的情况
正常情况的偏差值都在两秒以内，如果监测DCLS信号出现丢包的情况，读取的偏差值可能会有累积几秒(超过两秒)偏差的情况，软件此时要判断此类情况，给出相应的丢包告警。通过正反向偏差和硬件时间戳锁定的时间等三个计算量，能够杜绝由于IRIG解码错误或数据丢失时造成的错误。能够避免单向数据造成的误判，更好的得出准确的偏差值。
以上两个方法(硬件时间戳和正反向偏差)的应用，基本能够避免由于秒计数时进位导致的偏差计算出现的秒跳跃情况，实现了时间信号测量的抖动输出误差的滤除，进一步提高了时间测量精度。
图1为本实施例提供的基于北斗卫星的时间偏差监测方法的硬件设计示意图，包括主控FPGA、主控MCU、外部输入模块、LCD CPU、北斗卫星模块(SMT360)、24路输入信号模块(DCLS)、OCXO恒温晶振锁相环电路模块、网管及偏差运算CPU等。
监测设备的时间来源于北斗卫星模块(SMT360)，为时间偏差计算提供准确的时间信息。
主控FPGA完成时间部分的管理和分配，包括OCXO恒温晶振锁相环电路模块的驯服算法、北斗卫星模块的管理、设备的管理等功能。
LCD CPU提供时间的显示、设备运行状态的显示等功能。
网管及偏差运算CPU，提供时间偏差计算、数据分析、数据统计、数据存储(TF卡)、数据上传等功能，并对外提供网管功能(WEB、TELNET等)，通过远程完成配置及数据的分析等功能。
24路输入信号模块(DCLS)采用单路光电隔离模式，电路上完全隔离，保证测试信号的独立性，输入测试信号互相间不会干扰。
OCXO恒温晶振锁相环电路模块包括硬件和软件两个部分，软件部分通过数据的采集得出OCXO的驯服曲线，从而相应地控制OCXO的输入参考电压部分，电压控制部分采用16位的数模转换芯片实现。
如图2所示，FPGA硬件编程部分采用正向和反向计算偏差数据提供给网管及偏差运算CPU使用。
FPGA解包，每一路DCLS输入码流都按照DCLS码流的信息位，并行处理，写入每一路码流相关的FPGA寄存器中。这些值最终由网管及偏差计算CPU通过总线到FPGA的寄存器中读出。相应的寄存器中也写入了当前解包时硬件计数器中的时间。
通俗意义上讲，DCLS码流可以看作是TOD+1PPS的组合，FPGA解包还恢复出一个输入DCLS的1PPS，通过此1PPS与内部锁相环生成的精确的1PPS比较，最终得出相位偏差。本实施例采取了正反两个反向的1PPS比较，能滤除抖动引起的偏差计算失误。
如图3所示，设备基于硬件的锁相环电路，结合软件的OCXO伺服算法，完成了北斗卫星的授时，提供给DCLS时间监测一个可靠稳定且精确的时间。

Claims (6)

1.一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测方法，其特征在于：该方法由以下6个步骤组成：
步骤1：以北斗二代卫星***的时间为本地基准时间；
步骤2：对DCLS输入信号模块输入的码流进行解码，得出时间报文TOD+秒脉冲1PPS的组合；
步骤3：采用硬件时间戳方法，在DCLS恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，直接把当前计数器中的本地基准时间标签锁定在两个寄存器中，一个为秒寄存器，一个为纳秒寄存器；
步骤4：将DCLS恢复出的时间报文与秒寄存器内的锁存时间进行比较，得出秒时间偏差；
步骤5：将DCLS恢复出的秒脉冲与本地秒脉冲进行比较，得出纳秒时间偏差；
采用正向和反向两个方向的偏差比较方法进行秒脉冲偏差比对：
正向偏差比较方法，是指本地秒脉冲上升沿作为偏差计算的起点，DCLS恢复出的秒脉冲前沿为终点，期间的偏差值为正向偏差；
反向偏差比较方法，是指DCLS恢复出的秒脉冲前沿作为起点，本地秒脉冲前沿作为终点，期间的偏差值为反向偏差；
在正向偏差、反向偏差、纳秒寄存器内的本地秒脉冲三者中，若有两者或三者相同，则该相同的值即可所求的秒脉冲偏差，转步骤6；若三者各不相同，则放弃当前秒的监测，1秒后返回步骤2，重新计算；
步骤6：所求的DCLS时间偏差＝秒时间偏差+纳秒时间偏差，精确到纳秒。
2.如权利要求1所述的一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测方法，其特征在于：所述步骤1中，北斗卫星模块输出时会产生秒脉冲的抖动，通过OCXO恒温晶振锁相环电路模块滤除抖动干扰因素。
3.一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***，其特征在于：包括主控FPGA，主控FPGA通过光电隔离模块连接DCLS输入信号模块，主控FPGA还连接北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU；
所述主控FPGA内设有解码器、计数器、本地偏差存储器、秒寄存器和纳秒寄存器，解码器通过光电隔离模块连接所述DCLS输入信号模块，计数器连接北斗卫星模块，秒寄存器和纳秒寄存器均连接北斗卫星模块和网管及偏差运算CPU；
北斗卫星模块输出实时时间至主控FPGA，作为本地基准时间；
DCLS输入信号模块输入码流至主控FPGA，主控FPGA的解码器对输入的码流进行解码，得出时间报文TOD+秒脉冲1PPS的组合；
主控FPGA采用硬件时间戳方法，在DCLS恢复出的秒脉冲前沿发生时刻，直接把当前计数器中的本地基准时间标签锁定在秒寄存器和纳秒寄存器中；
网管及偏差运算CPU将DCLS解码出的时间报文与秒脉冲寄存器内的秒进行比较，得出秒时间偏差；
网管及偏差运算CPU采用正向和反向两个方向的偏差比较方法进行秒脉冲偏差比对：
正向偏差比较方法，是指本地秒脉冲上升沿作为偏差计算的起点，DCLS恢复出的秒脉冲前沿为终点，期间的偏差值为正向偏差；
反向偏差比较方法，是指DCLS恢复出的秒脉冲前沿作为起点，本地秒脉冲前沿作为终点，期间的偏差值为反向偏差；
在正向偏差、反向偏差、纳秒寄存器内的本地秒脉冲三者中，若有两者或三者相同，则该相同的值即可所求的纳秒时间偏差，所求的DCLS时间偏差＝秒时间偏差+纳秒时间偏差，将DCLS时间偏差存储在本地偏差存储器中；若三者各不相同，则放弃当前秒的监测，1秒后重新解码计算。
4.如权利要求3所述的一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***，其特征在于：所述主控FPGA还连接OCXO恒温晶振锁相环电路模块。
5.如权利要求4所述的一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***，其特征在于：北斗卫星模块输出时会产生秒脉冲的抖动，通过OCXO恒温晶振锁相环电路模块滤除抖动干扰因素。
6.如权利要求3所述的一种基于北斗卫星的DCLS时间偏差监测***，其特征在于：所述主控FPGA还连接用于进行实时偏差显示的LCD CPU。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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