CN116027242B - 基于多源gnss的高精度时频校准与同步***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及时频校准与同步技术，具体为基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***及方法，该***主要包括GNSS控制模块、NMEA解析模块、时钟校准模块和时间同步模块。基于锁相环技术，以单一或者多个导航***GNSS(北斗，GPS，格洛纳斯，伽利略)给出的PPS秒脉冲信号为参考基准，使用FPGA控制自动对压控恒温晶振OCXO进行校准，从而获得兼具高精度和高稳定性的时钟源。该***时钟稳定度可达5ppb，且可以提供高达5ns级别的亚秒级时间分辨率。FPGA控制***可以对GNSS接收机进行配置，从而根据用户需求选用单一或者多个GNSS信号源，保证设备运行的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于时频校准与同步技术领域，特别涉及基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***及方法。
背景技术
甚低频(VLF，Very Low Frequency)指频率范围为3kHz～30kHz的电磁波，可以由自然现象(如闪电)产生，也可以由人工产生(如台站信号和电磁干扰)。VLF对地球电离层和磁层、遥感探测以及导航通信等领域的研究有着非常重要的意义。为了获得更加全面的VLF信号信息，研究人员需要建立由多个观测站点组成的探测网，如何对多个观测站点进行精准的时频同步成为亟待解决的问题。
在VLF探测设备组网工作时，各个设备需要基于同一时间标准工作，以保证运行的有序性和可靠性。传统的基于GNSS秒脉冲的时频校准***往往存在校准精度不足、收敛速度过慢、选用GNSS信号源单一、抗干扰能力差等问题，因而应用于多设备组网的高精度时间同步***有待进一步改进。采用基于误差非线性变换的PID算法，提高了校频的收敛速度和校频精度。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供了一种新型的时频校准与同步方法，时钟校准精度可达5ppb，时间同步的分辨率可达5ns。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，包括GNSS控制模块、NMEA解析模块、时钟校准模块和时间同步模块；
GNSS控制模块与GNSS接收机相连接，通过发送指令更改GNSS接收机的工作状态，切换选用的GNSS***；
NMEA解析模块接收GNSS接收机给出的NMEA报文，通过对报文进行解析获取UTC时间、经纬度信息和卫星姿态信息；
时钟校准模块以GNSS接收机给出的PPS信号为基准，与经恒温晶振OCXO分频获得的本地第一PPS信号比较相位差，调节恒温晶振OCXO的频率，获得本地时钟源；
时间同步模块利用NMEA解析模块获得的UTC时间信息，结合PPS信号，获取UTC秒级时间，再利用时钟校准模块给出的本地时钟源，获取亚秒级时间分辨率。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***中，GNSS控制模块接收上位机指令，根据指令选择对应的控制指令ID，然后使用该Command ID在存储GNSS指令的ROM中获取GNSS控制指令的内容，通过通信接口发送至GNSS接收机，从而实现切换不同GNSS***、保存/重置配置、设置NMEA输出报文类型的功能。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***中，NMEA解析模块接收来自GNSS接收机的NMEA报文，解析获得UTC时间、经纬度、海拔信息。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***中，时钟校准模块采用锁相环结构，包括分频器、倍频器、数字鉴相器、Kalman滤波器、PID模块和DAC控制模块；
分频器对来自本地恒温晶振OCXO的时钟进行分频，获得本地第一PPS信号；
倍频器对来自本地恒温晶振OCXO的时钟进行倍频，获得高频鉴相时钟；
数字鉴相器比较来自GNSS的第一PPS信号与本地第一PPS信号的相位差异，通过对高频鉴相时钟进行计数，从而获取两个PPS信号间的相位差第一相位差；
Kalman滤波器对第一相位差进行滤波，消除相位抖动，输出滤波结果第二相位差；
PID模块接受相位误差err，通过PID算法计算输出控制信号；
DAC控制模块根据控制信号调节DAC的输出电压，从而调整本地恒温晶振OCXO的输出频率。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***中，时间同步模块输入接口包括：PPS信号、NMEA解析模块解析获得的时间信息NMEA_UTC_time、恒温晶振OCXO的时钟信号OCXO_10M；输出信号包括：UTC时间UTC_time、从PPS上升沿开始的OCXO时钟计数cnt_10M；NMEA_UTC_time、UTC_time为一组信号的总和，包括UTC year/month/day、UTC hh/mm/ss。
一种基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法，基于锁相环结构，以单一或者多个导航***GNSS给出的PPS秒脉冲信号为参考基准，使用FPGA控制对压控恒温晶振OCXO进行校准，从而获得时钟源。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法中，FPGA控制的核心算法包括：数字鉴相算法、Kalman-PID联合控制算法和非线性PID控制算法。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法中，该方法通过FPGA对GNSS接收机进行配置，根据用户需求选用单一或者多个GNSS信号源。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法中，非线性PID控制算法包括：首先对输入误差e(t)进行非线性变换，获得ε(t)，再对ε(t)分别进行比例、积分、微分运算，并将三者进行加权求和运算，获得控制量u(t)；
设非线性变换函数g(x)，g(x)为奇函数：
对于输入误差err，通过变换函数g(x)进行计算，得到变换结果第二误差err2；设置参数Kp＝0.1，Ki＝0.01，Kd＝0，通过式：
计算控制量u(t)。
在上述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法中，GNSS信号源包括北斗、GPS、格洛纳斯以及伽利略***。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明使用FPGA控制自动对压控恒温晶振OCXO进行校准，从而获得兼具高精度和高稳定性的时钟源。该***时钟稳定度可达5ppb，且可以提供高达5ns级别的亚秒级时间分辨率。该***通过FPGA对GNSS接收机进行配置，根据用户需求选用单一或者多个GNSS信号源，以保证设备运行的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中时频校准与同步***的硬件连接示意图；
图2为本发明实施例中时钟校准模块框图；
图3为本发明实施例中非线性PID算法框图；
图4为本发明实施例中时间同步模块接口示意图；
图5为本发明实施例中时间同步模块输入输出信号的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，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。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，该***基于锁相环技术，以单一或者多个导航***GNSS给出的PPS秒脉冲信号为参考基准，使用FPGA控制自动对压控恒温晶振OCXO进行校准，从而获得兼具高精度和高稳定性的时钟源。实际测试表明，该***时钟稳定度可达5ppb，且可以提供高达5ns级别的亚秒级时间分辨率。FPGA控制整套***的运行，其核心算法主要包括：高精度数字鉴相算法、Kalman-PID联合控制算法、非线性PID控制算法。另外，该***可以通过FPGA对GNSS接收机进行配置，从而根据用户需求选用单一或者多个GNSS信号源，以及保证设备运行的可靠性和安全性。
如图1所示，基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，包括：GNSS控制模块、NMEA解析模块、时钟校准模块、时间同步模块。
GNSS控制模块与GNSS接收机相连接，可通过发送指令更改GNSS接收机的工作状态，切换选用的GNSS***。NMEA解析模块接收GNSS接收机给出的NMEA报文，通过对报文进行解析获取UTC时间、经纬度信息、卫星姿态等信息。时钟校准模块以GNSS接收机给出的PPS信号为基准，与经OCXO分频获得的本地1PPS信号比较相位差，从而调节OCXO的频率，获得高精度、高稳定性的本地时钟源。时间同步模块利用NMEA解析模块获得的时间信息，结合PPS信号，获取精确的UTC秒级时间，再利用时钟校准模块给出的高精度本地时钟源，获取高精度的亚秒级时间分辨率。
GNSS控制模块接收上位机指令，根据指令选择对应的控制指令ID，然后使用该Command ID在存储GNSS指令的ROM中获取GNSS控制指令的内容，通过通信接口(本实施例中选用了UART接口)发送至GNSS接收机，从而实现切换不同GNSS***、保存/重置配置、设置NMEA输出报文类型等功能。GNSS指令ROM的数据存储格式如下：每(Max Command Len+1)个单元为一组，每组数据的起始地址为Command ID×(Max Command Len+1)，每组数据的第一个存储单元记录本条指令的长度，从第二个存储单元开始存储实际的指令内容，其中MaxCommand Len为最大指令长度(Bytes)。
NMEA解析模块接收来自GNSS接收机的NMEA报文，解析获得UTC时间、经纬度、海拔等信息。值得注意的是，解析NMEA报文获得的UTC时间并非NMEA报文发出的时间，而是对应于下一个第一PPS信号的上升沿，每个第一PPS信号的上升沿对齐于UTC秒的起始时刻，因此NMEA报文解析模块输出的UTC时间总是提前于真实时间，需要在第一PPS信号上升沿对其进行寄存，寄存器输出的值才对应真实的UTC时间。本实施例选择解析RMC报文，该报文中包含了UTC日期、UTC时间、经纬度等信息，时空信息较为全面。
时钟校准模块结构如图2所示，采用锁相环结构，主要包括：数字鉴相器、分频器、倍频器、Kalman滤波器、PID模块、DAC控制模块。分频器对来自本地恒温晶振OCXO的时钟进行分频，获得本地第一1PPS信号。倍频器对来自OCXO的时钟进行倍频，获得高频鉴相时钟。数字鉴相器比较来自GNSS的第一1PPS信号与本地1PPS信号的相位差异，通过对高频鉴相时钟进行计数，从而获取两个PPS信号间的相位差，如图中所示第一相位差1。Kalman滤波器对第一相位差1进行滤波，消除可能存在的相位抖动，输出滤波结果，即第二相位差2。注意到本地第一1PPS信号可能与第一1PPS信号存在较大初始偏移，使用PID算法消除该偏移需要极长的时间，是不现实的，同时也没有实际意义，因此在reset时应记录初始相位差，将初始相位差保存在图中所示reg寄存器中，在锁相过程中以第二相位差2减去该初始相位差，得到相位误差err，作为PID模块的实际输入误差。PID模块接受相位误差err，通过PID算法计算输出控制信号。DAC控制模块根据控制信号，调节DAC的输出电压，从而调整OCXO的输出频率。
为了进一步提高校频的收敛速度和校频精度，对传统PID算法进行改进，采用基于误差非线性变换的PID算法，其算法结构如图3所示。非线性PID算法首先对输入误差e(t)进行非线性变换，获得ε(t)，再对ε(t)分别进行比例、积分、微分运算，并将三者进行加权求和运算，获得控制量u(t)。
非线性PID算法的非线性变换函数，可根据不同的需求选取不同的表达形式，但须注意选取的非线性变换函数应为奇函数，在区间[0,+∞]单调增，且参数Kp、Ki、Kd参数应适当，以满足PID算法的收敛性。相较之下，传统PID算法如需要改变前期与后期的控制特性，需要人为修改参数Kp、Ki、Kd，而这很容易出现不满足收敛条件的情况。
对于离散域下的传统PID算法：
在只使用比例项P和积分项I时(即取Kd＝0)，需满足
才能保证PID算法的收敛，为了算法有较好的抗干扰性能，一般取Kp＝0.01～0.1，Ki＝(0.01～0.1)Kp。
对于一种较为普遍的情况，希望在算法前期采用较大的控制参数，以使PID算法能够尽快收敛到目标值附近，然后改用较小的控制参数，使算法进入微调状态，以获得更高的调节精度。对于该需求，可以设计一种作用等价的、且便于硬件实现的非线性变换函数如下
仍只使用比例项P和积分项I，若要满足收敛条件，应有
其中a＝max{g′(x)}，b＝max{g(x)/x}，在本实施例中，a＝1,b＝1。因此可取参数Kp＝0.1，Ki＝0.01。
数字鉴相器对第一1PPS信号和本地第一1PPS信号的上升沿时间间隔进行测量，以倍频器输出时钟作为计数时钟，输出两个上升沿间的高频计数时钟的计数个数，以该计数值作为两个PPS信号的相位差。
时间同步模块接口如图4所示，输入接口有：PPS信号、所述NMEA解析模块解析获得的时间信息NMEA_UTC_time、恒温晶振OCXO的时钟信号OCXO_10M(本实施例采用10MHz压控恒温晶振)，输出信号有：UTC时间UTC_time、从PPS上升沿开始的OCXO时钟计数cnt_10M。所述NMEA_UTC_time、UTC_time是一组信号的总和，包括UTC year/month/day、UTC hh/mm/ss。
时间同步模块输入输出信号的时序图如图5所示，时间同步模块以恒温晶振OCXO的时钟OCXO_10M作为工作时钟，在OCXO_10M的上升沿检测PPS信号是否发生上跳变。若检测到PPS的上升沿，则将cnt_10M置零，同时将NMEA_UTC_time的值寄存到UTC_time中；否则，在OCXO_10M上升沿，cnt_10M自增1，而UTC_time进行保持。通过这样的设计，使得UTC_time的改变与cnt_10M变为0的时刻严格同步，从而避免了后续时间获取时出现跳变的问题。在后级模块获取时间时，UTC_time即精确的秒级时间，通过cnt_10M的值计算就可以获取精确的亚秒级时间。例如，UTC_time＝16/11/22 09:13:47，cnt_10M＝354，则对应UTC时间：2022年11月16日09时13分47秒000毫秒035微秒400纳秒。
在本实施例中，由于采用10M的驱动时钟，因此亚秒级时间分辨率为100ns，时间同步模块输出时间与绝对精确UTC时间的误差小于100ns。由于OCXO_10M频率已经通过PPS秒脉冲进行了校正，对OCXO_10M使用锁相环PLL进行倍频，其精度将传递至倍频后的时钟，从而提高到亚秒级时间分辨率以及时间精确度。具体地，将OCXO_10M倍频到100MHz，设该倍频时钟为clk_100M，由于OCXO_10M的时钟频率准确度为5ppb，则clk_100M的频率准确度也为5ppb，对该时钟进行计数获取的亚秒级时间，其最大时间误差为max{1/100e6,5e-9}s＝10ns，式中前者对应于时间分辨率引起的误差，反比于工作时钟频率，后者对应于时钟的频率准确度，即clk_100M的频率误差导致的1s内的最大累积相位误差，由前述锁相环时钟校准模块工作性能决定。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法的步骤。
具体实施时，一种使用多种GNSS信号源的、基于FPGA实现的新型高精度时频校准与同步***。通过锁相环结构，结合卫星导航***秒脉冲信号，实现对OCXO频率的校准，同时结合Kalman滤波与非线性PID控制算法，实现自适应动态调参，提高了锁相环的收敛速度和校频精度。
首先按图1所示连接FPGA、OCXO、DAC、GNSS接收机，其中FPGA与GNSS接收机通过UART接口相连，FPGA同时也接收GNSS接收机发出的PPS信号，FPGA通过SPI接口连接DAC，DAC电压输出端口连接到OCXO的电压控制引脚，OCXO的时钟输出连接到FPGA，并对FPGA进行引脚配置。本实施例中，GNSS接收机选用U-Blox F9T，DAC芯片选用DAC8531，OCXO频率选用10MHz。
然后，在FPGA中实现UART功能，并在此基础上设计GNSS控制模块和NMEA解析模块，分别实现对U-Blox的功能配置、通过NMEA报文解析获取UTC时间信息等功能。并通过GNSS控制模块，配置U-Blox使用多GNSS***进行解算，提高解算时间的准确度。
设置U-Blox的PPS信号输出频率到1Hz，在FPGA中对OCXO的10MHz时钟进行分频，获得本地第一1PPS信号PPS_local，在FPGA中使用PLL IP核，对OCXO的10MHz时钟OCXO_10M进行倍频，获得200MHz计数时钟clk_200M。
按照图2设计锁相环结构的时钟校准模块。设计数字鉴相器，通过clk_200M计数时钟，对PPS信号和PPS_local信号的相位差进行测量，输出第一相位差phase1。设计Kalman滤波器，对第一相位差phase1进行滤波，输出滤波结果第二相位差phase2。构建寄存器reg，在开机后或时钟校准模块reset时，存储该时刻的第二相位差phase2，该相位差即PPS信号与PPS_local间的初始相位偏差phase0。将上述第二相位差phase2与初始相位偏差phase0进行相减，获得相位误差err＝phase2-phase0，作为PID模块的输入误差。构建PID模块，根据相位误差err计算获得控制信号u。构建DAC控制模块，根据控制信号u，通过SPI控制DAC8531的输出电压。通过以上步骤，构建出的锁相环结构，可以对OCXO的频率偏差进行负反馈，从而实现对OCXO频率的校准，获得频率精度高达5ppb的OCXO_10M。
具体地，对于PID控制模块，使用如图3所示的非线性PID算法进行实现。设计非线性变换函数g(x)，g(x)为奇函数
对于输入误差err，通过变换函数g(x)进行计算，得到变换结果err2。设置参数Kp＝0.1，Ki＝0.01，Kd＝0，通过
计算控制量u。
设计时间同步模块，如图4和图5所示，工作时钟可将图中所示OCXO_10M替换为由OCXO_10M倍频得到的clk_200M，相应的cnt_10M替换为cnt_200M。在每个clk_200M的上升沿检测PPS的状态，并将其值寄存于PPS_reg中，若检测到(～PPS_reg)&PPS为高，则表明PPS出现上升沿，此时将cnt_200M置0，并将NMEA解析模块解析获得的UTC时间NMEA_UTC_time寄存到UTC_time寄存器中。若在clk_200M上升沿未检测到PPS的上升沿，则保持UTC_time不变，同时使cnt_200M记录的计数值自增一。其他FPGA功能模块通过读取UTC_time获取高精确的UTC秒级时间，通过cnt_200M获取高精度亚秒级时间。cnt_200M是以5ns为单位的时间计数器，将cnt_200M的计数值乘以5ns即获得高精度亚秒级时间，该高精度时间的分辨率为5ns。
下面分析本实施例构建的时频校准同步***的时间准确度。由于cnt_200M仅限于计算1s以内的亚秒级时间，因此clk_200M的频率误差导致的相位累积误差最多累积1s，由于clk_200M的频率准确度等于OCXO_10M的频率准确度，即5ppb，因此由频率误差引起的最大时间误差为5ppb×1s＝5ns。由clk_200M的±1计数误差导致的时间误差等同于其时间分辨率，即5ns。因此本实施例时间同步***的最大时间误差为max{5ns,5ns}＝5ns。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，其特征在于，包括GNSS控制模块、NMEA解析模块、时钟校准模块和时间同步模块；
GNSS控制模块与GNSS接收机相连接，通过发送指令更改GNSS接收机的工作状态，切换选用的GNSS***；
NMEA解析模块接收GNSS接收机给出的NMEA报文，通过对报文进行解析获取UTC时间、经纬度信息和卫星姿态信息；
时钟校准模块以GNSS接收机给出的PPS信号为基准，与经恒温晶振OCXO分频获得的本地第一PPS信号比较相位差，调节恒温晶振OCXO的频率，获得本地时钟源；校准与同步方法具体包括以下步骤：
时钟校准模块采用锁相环结构，包括分频器、倍频器、数字鉴相器、Kalman滤波器、PID模块和DAC控制模块；
分频器对来自本地恒温晶振OCXO的时钟进行分频，获得本地第一PPS信号；
倍频器对来自本地恒温晶振OCXO的时钟进行倍频，获得高频鉴相时钟；
数字鉴相器比较来自GNSS的第一PPS信号与本地第一PPS信号的相位差异，通过对高频鉴相时钟进行计数，从而获取两个PPS信号间的相位差第一相位差；
Kalman滤波器对第一相位差进行滤波，消除相位抖动，输出滤波结果第二相位差；
PID模块接受相位误差err，通过PID算法计算输出控制信号；
DAC控制模块根据控制信号调节DAC的输出电压，从而调整本地恒温晶振OCXO的输出频率；
采用基于误差非线性变换的PID算法包括：首先对输入误差e(t)进行非线性变换，获得ε(t)，再对ε(t)分别进行比例、积分、微分运算，并将三者进行加权求和运算，获得控制量u(t)；
时间同步模块利用NMEA解析模块获得的UTC时间信息，结合PPS信号，获取UTC秒级时间，再利用时钟校准模块给出的本地时钟源，获取亚秒级时间分辨率。
2.根据权利要求1所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，其特征在于，GNSS控制模块接收上位机指令，根据指令选择对应的控制指令ID，然后使用该控制指令ID在存储GNSS指令的ROM中获取GNSS控制指令的内容，通过通信接口发送至GNSS接收机，从而实现切换不同GNSS***、保存/重置配置、设置NMEA输出报文类型的功能。
3.根据权利要求1所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，其特征在于，NMEA解析模块接收来自GNSS接收机的NMEA报文，解析获得UTC时间、经纬度、海拔信息。
4.根据权利要求1所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***，其特征在于，时间同步模块输入接口包括：PPS信号、NMEA解析模块解析获得的时间信息NMEA_UTC_time、恒温晶振OCXO的时钟信号OCXO_10M；输出信号包括：UTC时间UTC_time、从PPS上升沿开始的OCXO时钟计数cnt_10M；NMEA_UTC_time、UTC_time为一组信号的总和，包括UTC year/month/day、UTC hh/mm/ss。
5.根据权利要求1-4任意一项所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法，其特征在于，基于锁相环结构，以单一或者多个导航***GNSS给出的PPS秒脉冲信号为参考基准，使用FPGA控制对压控恒温晶振OCXO进行校准，从而获得时钟源。
6.根据权利要求5所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法，其特征在于，FPGA控制的核心算法包括：数字鉴相算法、Kalman-PID联合控制算法和非线性PID控制算法。
7.根据权利要求5所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法，其特征在于，该方法通过FPGA对GNSS接收机进行配置，根据用户需求选用单一或者多个GNSS信号源。
8.根据权利要求7所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法，其特征在于，GNSS信号源包括北斗、GPS、格洛纳斯以及伽利略***。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现如权利要求5所述基于多源GNSS的高精度时频校准与同步***的方法的步骤。
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