CN1112247A - 利用卫星全球定位***的时间同步装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本装置包括振荡器产生GPS所需振荡频率；计 数器计数振荡频率以得到内部1PPS；比较器对内部 1PPS与GPS1PPS比较相位以产生相位差值；缓冲 器存储该相位差值；第一控制器校正内部1PPS的相 位差；第二控制器校正振荡频率与第一控制器输出频 率的相位差；微处理器利用GPS跟踪信号和缓冲器 的数据来同步时间并向第一和第二控制器提供相位 差校正信号以及输出频率误差值；数/模转换器将微 处理器输出转换成模拟信号并传送给振荡器。

Description

本发明涉及利用卫星全球定位***（GPS）的时间同步装置和方法，具体涉及利用GPS时钟能提供误差范围在100ns以内、时间信息正确的装置和方法。
按照常规方式，令卫星GPS时间同步***计算一个公式中内部振荡器的频率误差、漂移误差、GPS卫星时钟的相位差误差及内部振荡器的频率，并根据计算结果的数值校正内部振荡器的工作，来提供正确的时间信息。
常规的时间同步***校正频率误差所需的时间太长，尤其当卫星处于非服务位置范围内时，不能保证校正的精确度。
鉴此，本发明的一个目的是提供一种利用卫星全球定位***的时间同步装置和方法。
本发明的另一个目的是当GPS卫星处在服务位置范围内时，依靠从卫星信号中获得一个GPS  1PPS（每秒1周）信号，能提供出误差范围在±1ns以内、有稳定精确时间信号的装置和方法，使得在计及得到的GPS  1PPS和内部振荡器特性下，可保证精确的时间信息其误差范围在100ns以内。
为了实现本发明的上述目的，本发明的装置包括以下部件：一个振荡器，用以产生卫星全球定位***所需的频率;一个计数器，用以计数振荡器的振荡频率以产生内部1PPS;一个比较器，用以将计数器输出的内部1PPS相位与全球定位***输出的GPS  1PPS相位进行比较以输出一个相位差信号;一个缓冲器，用以存储比较器的相位差比较输出;一个第一控制器，用以校正计数器输出的内部1PPS相位差;一个第二控制器，用以校正振荡器输出的振荡频率与第一控制器输出的频率的相位差;一个微处理器，它利用GPS检测出的GPS跟踪状态信号和缓冲器内存储的相位差比较输出来同步时间，并向第一和第二控制器提供相位差校正信号以校正相位差，以及输出频率误差值;一个数/模转换器，它将微处理器单元输出的误差值转换成模拟信号，并将转换的信号传送给振荡器作为其工作控制信号，以调整振荡器的振荡频率。
图1示出按照本发明的利用卫星GPS的一个时间同步装置方框图。
图2示出图1中微处理器单元内时间同步处理算法的流程图。
图3示出图1中比较器内部结构的方框图。
图4示出图1中比较器的稳定性曲线图。
参照图1，本发明的装置包括：一个GPS接收单元10，通过接收GPS卫星的时钟信息来得到GPS  1PPS;一个振荡器30，产生GPS中所需的频率;一个计数器40，计数振荡器30的振荡频率来产生内部1PPS;一个比较器50，将计数器40的内部1PPS输出信号与GPS接收单元10的GPS  1PPS输出信号进行比较;一个缓冲器60，输出比较器40的比较值;一个第一控制器70，按1μs时间单位校正计数器40内部1PPS输出信号的相位差;一个第二控制器80，按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与第一控制器70输出频率之间的相位差于1～995ns范围内;一个微处理器单元20，依靠GPS接收单元10检测出的跟踪状态信号和缓冲器60内存储的比较输出数据来同步时间。此外，本发明的装置还包括一个数/模转换器90，借助于将微处理器单元20输出的频率差值转换成模拟信号和将转换的信号提供给振荡器30作为其控制信号，以保持精确的振荡器状态。
当微处理器单元20确认，由GPS接收单元10输入来的卫星状态检测信号跟踪GPS卫星时，便对于GPS接收单元10输出的GPS  1PPS实施时间同步控制作用。由计数器40将内部振荡器30的振荡频率计数到内部1PPS，并将内部1PPS的相位差与GPS  1PPS的相位差进行比较。比较器50的比较输出存储在缓冲器60中。微处理器单元20利用存储在缓冲器60中的比较数据来同步时间，输出相位差校正信号和计算频率误差值。第一控制器70根据微处理器单元20来的相位差校正信号按1μs时间单位校正计数器40的信号。第二控制器80按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与第一控制器70输出频率之间的相位差于1～995ns范围内。此外，通过数/模转换器90将微处理器单元20计算出的频率误差转换成模拟值，并把转换的信号提供给振荡器30作为其控制信号，以精确地控制振荡器30的振荡频率。经过上述的过程，可保证精确的时间信息。这里，内部振荡器的相位误差可由下式表示：
tk＝t0+k（1+f）＝k2d+δk
式中，t0是初始相位误差，f是频率误差＝（f1-f0）/f0，d是漂移误差，δk是与第k个脉冲有关的随机误差。t0、f和d都是变量。
如果卫星跟踪状态不能确保，或者接收信号有热噪声，则振荡器的工作特性维持于已校正的状态。
参照图3，图中示出时基1，产生时钟;门控制器3，以GPS接收单元10的GPS  1PPS输出信号和计数器40的内部1PPS输出信号作为其输入信号;“与”门2，将门控制器3的输出信号和时基1的时钟输出相“与”。图4示出比较器50的稳定性曲线，这是通过分析从比较器50获得的相位差比较值而得出的。图中，短期稳定性与GPS  1PPS的具体变化有关，长期稳定性与内部振荡器的频率误差值有关。
由微处理器单元20实施的时间同步处理算法示于图2中。
参照图2，微处理器单元20内的时间同步处理算法可划分为以下步骤S1至S15。亦即，微处理器单元20包括：第一步S1，确认通过GPS接收单元10可得到相位跟踪状态，第二步S2，由比较器50比较GPS 1PPS与内部1PPS之间的相位差;第三步S3，判断相位差比较是否完成;第四步S4，在缓冲器60中存储相位差值;第五步S5，判断比较数是否超过900;第六步S6，判断比较数是否等于900;第七步S7，相位差值加900;第八步S8，半相加后的“和”数值除以900，计算出相位误差;第九步S9，执行相位误差校正程序;第十步S10，判断相位差比较数是否大于900;第十一步S11，判断标准差值是否小于1×10-6，如果标准差值大于1×10-6，程序回到第二步S2;第十二步S12，标准差值小于1×10-6时判断存储的比较数数据是否等于10600;第十三步S13，比较数等于10600时判断标准差值是否小于4×10-8;第十四步S14，标准差值小于4×10-8时计算频率误差;第十五步S15，在数/模转换器90中将数字形式的频率误差值转换后，调整振荡器30的振荡频率。第十三步S13中标准差值大于4×10-8时程序返回到第二步S2。
本发明利用GPS卫星能提供误差在100ns以内、精确的时间信息，因此，它适用于综合信息网、数字移动通信站和卫星通信网站。

Claims (5)

1、一种利用卫星全球定位***的时间同步装置，其特征在于包括：
一个振荡器，产生卫星全球定位***所需的振荡频率；
一个计数器，计数该振荡器的振荡频率以产生一个内部1PPS；
一个比较器，将该计数器输出的内部1PPS相位与GPS输出的GPS  1PPS相位进行比较，输出相位差值；
一个缓冲器，存储该比较器的相位差比较输出；
一个第一控制器，校正计数器输出的内部1PPS的相位差；
一个第二控制器，校正振荡器输出的振荡频率与第一控制器输出频率的相位差；
一个微处理器，利用GPS检测出的GPS跟踪状态信号和缓冲器内存储的相位差比较输出来同步时间，并向第一和第二控制器提供相位差校正信号以校正相位差，以及输出频率误差值；
一个数/模转换器，将微处理器单元输出的误差值转换成模拟信号，并将转换的信号传送给振荡器作为其工作控制信号，以调整振荡器的振荡频率。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的比较器包括：一个时基，用以产生一个预定的时钟;一个门控制器，其输入有GPS输出的GPS  1PPS和计数器输出的内部1PPS;一个“与”门，将该门控制器的输出和该时基的输出相“与”。
3、利用一个卫星全球定位***的时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步检测是否是GPS跟踪状态和计算从GPS输入的信息;
第二步产生一个GPS所需的振荡频率，并从振荡频率中产生一个内部1PPS;
第三步比较内部1PPS与GPS  1PPS之间的相位差;
第四步是在第一步中检测出GPS跟踪状态和在第三步中计算出比较所得的相位差值后，计算出该相位差值的平均值;
第五步是利用第四步中得到的相位差平均值来校正相位误差，并调整第二步中产生的振荡频率。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的第四步中包括对第四步得到的相位差值加上一个预定数900，再将和数值除以900来计算相位差平均值。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当第四步中得到的相位差数超过一个预定数时，所述的第五步执行以下分支步;
第一支步判断相位差平均值的标准差是否小于1×10-6;
第二支步是当上述第一步中标准差小于1×10-6时判断第四步中比较所得的相位差比较数是否等于10600;
第三支步是当第二支步中相位差比较数等于10600时判断标准差是否小于4×10-8;
第四支步是当第三支步中标准差值小于4×10-8时调整前述第二步中产生的振荡频率。
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