CN116224756A - 一种时钟驯服设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种时钟驯服设备,涉及海洋探测设备领域,为了克服由于卫星接收机获得的参考信号每秒钟的随机抖动较大导致的工作效率低的问题,本申请GNSS定时接收模块将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块,CPT原子钟模块根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。通过GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块结合,得到连续、可靠、准确性、稳定的1PPS校准信号用于待驯服时钟进行驯服。根据1PPS标准信号来驯服CPT原子钟,CPT原子钟驯服之后,输出的1PPS校准信号相对与UTC时间信息保持同步,稳定性远优于卫星接收机直接输出的1PPS标准信号。
Description
技术领域
本申请涉及海洋探测设备领域,特别是涉及一种时钟驯服设备。
背景技术
在水下物探领域,通常都需要使用较多的水下传感节点来同步开展数据采集工作,采集数据时间戳的准确性直接影响探测结果位置的准确性。实际工作中,为了提高时间的一致性,传感节点投放入下水开始工作前需要将内置时钟的速率和时刻调整一致。调整工作可以利用一个更高精度的时钟信号来做参考,通过测量和控制***,对各水下时钟进行驯服实现。
现有驯服技术方案通常是直接通过北斗、全球定位***(Global PositioningSystem,GPS)接收机获取准确的时间作为参考,对被测时钟进行连续跟踪观测和调整,实现驯服。现有驯服技术方案由于卫星接收机获得的参考信号每秒钟的随机抖动较大,(典型在几十纳秒量级),需要较长时间(比如1h)的观测处理才能实现高精度驯服,特别影响工作效率。
由此可见,提供一种高效率的时钟驯服设备,是本领域人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种时钟驯服设备,克服由于卫星接收机获得的参考信号每秒钟的随机抖动较大导致的工作效率低的问题。
为解决上述技术问题,本申请提供一种时钟驯服设备,包括:GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块、不间断电源模块;
GNSS定时接收模块与CPT原子钟模块连接,CPT原子钟模块与待驯服时钟连接,不间断电源模块为GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块供电;
GNSS定时接收模块定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,GNSS定时接收模块将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块,CPT原子钟模块根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:MCU;
MCU与GNSS定时接收模块连接,GNSS定时接收模块将UTC时间信息发送至MCU。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:时频测量模块,时频测量模块与MCU、CPT原子钟模块、待驯服时钟连接;
待驯服时钟将1PPS本地信号发送至时频测量模块,CPT原子钟模块将1PPS校准信号发送至时频测量模块,时频测量模块根据1PPS本地信号与1PPS校准信号得到时刻偏差与频率偏差,并将时刻偏差与频率偏差发送至MCU。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:串口驱动电路,串口驱动电路与MCU、待驯服时钟连接;
MCU通过串口驱动电路向多个待驯服时钟发送驯服指令。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:驱动电路板;驱动电路板包括多个1PPS通道,1PPS通道之间相互隔离;
CPT原子钟模块与多个待驯服时钟通过驱动电路板连接,通过1PPS通道分别向对应的待驯服时钟发送1PPS校准信号。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:蓄电池;蓄电池与不间断电源模块连接。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:显示模块;
显示模块与MCU连接。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:充放电显示模块;
充放电显示模块与不间断电源模块连接。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,还包括:自守时按键;
自守时按键与MCU连接。
作为一种优选方案,上述时钟驯服设备中,CPT原子钟模块还包括:10MHz输出端口。
本申请所提供的时钟驯服设备包括:GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块、不间断电源模块;GNSS定时接收模块与CPT原子钟模块连接,CPT原子钟模块与待驯服时钟连接,不间断电源模块为GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块供电;GNSS定时接收模块定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,GNSS定时接收模块将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块,CPT原子钟模块根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。通过GNSS定时接收模块、CPT原子钟模块结合,得到连续、可靠、准确性、稳定的1PPS校准信号用于待驯服时钟进行驯服。根据1PPS标准信号来驯服CPT原子钟,CPT原子钟驯服之后,输出的1PPS校准信号相对与UTC时间信息保持同步,并且每秒抖动小于0.1ns,稳定性远优于卫星接收机直接输出的1PPS标准信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例,下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,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为本申请实施例提供的一种时钟驯服设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种时钟驯服设备,克服由于卫星接收机获得的参考信号每秒钟的随机抖动较大导致的工作效率低的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
在水下物探领域,通常都需要使用较多的水下传感节点来同步开展数据采集工作,采集数据时间戳的准确性直接影响探测结果位置的准确性。实际工作中,为了提高时间的一致性,传感节点投放入下水开始工作前需要将内置时钟的速率和时刻调整一致。调整工作可以利用一个更高精度的时钟信号来做参考,通过测量和控制***,对各水下时钟进行驯服实现。
时钟驯服的基本原理是利用卫星授时接收机提供的固定频率信号,与本地振荡器产生的振荡信号进行比对,获得频率差;再通过对本地振荡器的调节,使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致。在频率调整过程中,还需要对本地振荡器的相位进行补偿,使本地振荡器输出的分频秒信号与接收机输出的秒信号差值在一定范围内。
现有驯服技术方案通常是直接通过北斗、GPS接收机获取准确的时间作为参考,对被测时钟进行连续跟踪观测和调整,实现驯服。现有驯服技术方案存在不足之处主要有:卫星接收机获得的参考信号每秒钟的随机抖动较大,(典型在几十纳秒量级),需要较长时间(比如1h)的观测处理才能实现高精度驯服,特别影响工作效率;此外,卫星信号存在受到外部环境影响,电磁干扰影响而不稳定或者不可用的情况。
因此,本实施例提供一种时钟驯服设备,包括:GNSS定时接收模块11、CPT原子钟模块12、不间断电源模块13;
GNSS定时接收模块11与CPT原子钟模块12连接,CPT原子钟模块12与待驯服时钟连接,不间断电源模块13为GNSS定时接收模块11、CPT原子钟模块12供电;
GNSS定时接收模块11定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,GNSS定时接收模块11将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块12,CPT原子钟模块12根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。
全球导航卫星***(Global Navigation Satellite System,GNSS),又称全球卫星导航***,是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位***。GNSS定时接收模块11是基于全球导航卫星***的一体式数字接收器,通过接收来自卫星传输的信号通过计算来提供实时位置时间等数据。搭载了GNSS模块的设备,可以完成诸多的应用,诸如导航,定位等。本实施例提到的GNSS定时接收模块11定时接收来自卫星传输的协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC)时间信息与1PPS标准信号,通过天线接收GPS、北斗卫星信号,获取UTC时间信息,以及1PPS标准信号。1PPS标准信号发送给CPT原子钟模块12,这个1PPS信号短时间内跳动量级为几十纳秒,但长时间没有累计误差。
在时钟驯服设备进行时钟驯服之前,优选地,提前30分钟加电预热,在晶振未充分预热的情况下,晶振的频率变化较大。提前使晶振充分预热,减小误差。
相干布居囚禁(CPT,Coherent Population Trapping)是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象,利用激光良好的相干特性,在原子体系中制备相干布居囚禁态,而实现的可芯片化被动式新型CPT原子钟是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟,由于不再需要微波谐振腔,因此可以做到真正的微型化。
不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)是一种含有储能装置的不间断电源。主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备,提供不间断的电源。当市电输入正常时,UPS将市电稳压后供应给负载使用,此时的UPS就是一台交流式电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断(事故停电)时,UPS立即将电池的直流电能,通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。因此,优选地,还包括:蓄电池18;蓄电池18与不间断电源模块13连接。通过提前预热驯服原子钟及不间断电源保证不间断产生高精度参考信号源。
1PPS是1Pulse Per Second的缩写,意思是秒脉冲。1PPS=1Hz=1次/秒。本实施例提到的1PPS标准信号指的是GPS北斗时钟服务器向用户提供的时间基准信号,一秒钟一个脉冲。
在本实施例中,GNSS定时接收模块11定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,GNSS定时接收模块11将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块12,CPT原子钟模块12根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。
CPT原子钟在本地可以产生并输出频率稳定度和准确度高的10MHz和1PPS信号,这个准确度在E-10量级,短时间内跳动小于1ns,但长时间会有累计误差(每天偏差在微秒量级)。当有外部1PPS参考信号时候,可以自动校准本地的时钟的准确度,减小长期的累计误差。校准之后,即使GNSS信号短时间内无法使用,本地原子钟可以保持较长时间的准确度。输出的高准确度的1PPS信号用于对外部水下原子钟的驯服。即根据1PPS标准信号来驯服一个内置的高精度CPT原子钟,CPT原子钟驯服之后,输出的1PPS校准信号相对与UTC时间信息保持同步,并且每秒抖动小于0.1ns,稳定性远优于卫星接收机直接输出的1PPS标准信号(几十ns)。待驯服的水下原子钟,只需要在设置为自动驯服模式后,给他一个1PPS校准信号并保持一段时间,水下原子钟自身就能自动驯服。
通过本实施例提供的时钟驯服设备,包括:GNSS定时接收模块11、CPT原子钟模块12、不间断电源模块13;GNSS定时接收模块11与CPT原子钟模块12连接,CPT原子钟模块12与待驯服时钟连接,不间断电源模块13为GNSS定时接收模块11、CPT原子钟模块12供电;GNSS定时接收模块11定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,GNSS定时接收模块11将1PPS标准信号发送至CPT原子钟模块12,CPT原子钟模块12根据1PPS标准信号自动校准,向待驯服时钟输出1PPS校准信号用于待驯服时钟进行校准。通过GNSS定时接收模块11、CPT原子钟模块12结合,得到连续、可靠、准确性、稳定的1PPS校准信号用于待驯服时钟进行驯服。根据1PPS标准信号来驯服CPT原子钟,CPT原子钟驯服之后,输出的1PPS校准信号相对与UTC时间信息保持同步,并且每秒抖动小于0.1ns,稳定性远优于卫星接收机直接输出的1PPS标准信号。
根据上述实施例,本实施例提供一种优选方案,还包括:MCU 14;
MCU 14与GNSS定时接收模块11连接,GNSS定时接收模块11将UTC时间信息发送至MCU 14。
MCU 14接收GNSS定时接收模块11发送的UTC时间信息,做数据分析使用。
根据上述实施例,本实施例提供一种优选方案,时钟驯服设备还包括:时频测量模块15,时频测量模块15与MCU 14、CPT原子钟模块12、待驯服时钟连接;
待驯服时钟将1PPS本地信号发送至时频测量模块15,CPT原子钟模块12将1PPS校准信号发送至时频测量模块15,时频测量模块15根据1PPS本地信号与1PPS校准信号得到时刻偏差与频率偏差,并将时刻偏差与频率偏差发送至MCU 14。
时频测量模块15接收CPT原子钟模块12发送的校准后的1PPS信号和待驯服时钟的1PPS信号,可以得到待驯服时钟的用户外接的时刻偏差,通过连续测量时刻偏差也可以计算出频率偏差,将书发送至MCU 14,可作为分析数据供用户使用。
根据上述实施例,本实施例提供一种优选方案,时钟驯服设备还包括:串口驱动电路16,串口驱动电路16与MCU 14、待驯服时钟连接;
MCU 14通过串口驱动电路16向多个待驯服时钟发送驯服指令。
在时钟驯服设备使用时,一般是同时对多台水下时钟进行驯服,串口信号需要给多个水下时钟发送指令。通过串口驱动电路16可以扩展通道数量。串口驱动电路16可集成在控制电路板上。
根据上述实施例,本实施例提供一种优选方案,时钟驯服设备还包括:驱动电路板17;驱动电路板17包括多个1PPS通道,1PPS通道之间相互隔离;
CPT原子钟模块12与多个待驯服时钟通过驱动电路板17连接,通过1PPS通道分别向对应的待驯服时钟发送1PPS校准信号。
CPT原子钟模块12生成的1PPS校准信号需要给多个水下待驯服时钟作为参考。通过驱动电路板17可以扩展1PPS通道数量,通道之间相互隔离,相互不影响。
为了使用户更方便地了解当前驯服状态,本实施例提供一种优选方案,还包括:显示模块19;
显示模块19与MCU 14连接。
显示模块19与MCU 14连接,接收MCU 14发送的数据并显示,例如上述实施例提到的UTC时间信息、时刻偏差、频率偏差等。
为了使用户更方便地了解当前充放电状态,本实施例提供一种优选方案,还包括:充放电显示模块20;
充放电显示模块20与不间断电源模块13连接。
本实施例不限制充放电显示模块20的显示方式,可以是显示屏,也可以是指示灯,根据实际需要设置即可。显示内容例如:交流电源指示、电池上线就绪、电池充电中、电池欠压等。
根据上述实施例,本实施例提供一种优选方案,还包括:自守时按键21;
自守时按键21与MCU 14连接。
自守时按键21与MCU 14连接,可通过串口驱动电路16通知水下时钟进入自守时工作状态。
优选地,CPT原子钟模块12还包括:10MHz输出端口。
CPT原子钟模块12输出10MHz信号,可作为判断时钟驯服设备的性能的一个信号。
另外,根据实际需要,时钟驯服设备还包括一些其他按键,例如:启动/停止按键:设备的工作电路的启动和停止,交流或电池均可启动;
电池上线按键:作为独立的电池开关,用于接入电池,进行充电或放电;
切换按键:时钟驯服设备时间/频率基准单元GPS/BD驯服铷钟的使能控制键;
测量按键:完成对水下待驯服时钟的测量项目的选择,并将测量数据通过串口输出;
驯服按键:通知水下待驯服时钟的进入驯服工作状态;
守时按键:通知水下待驯服时钟的进入自守时工作状态;
同步按键:同步水下待驯服时钟的UTC时间。
以上对本申请所提供的时钟驯服设备进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以对本申请进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种时钟驯服设备,其特征在于,包括:GNSS定时接收模块(11)、CPT原子钟模块(12)、不间断电源模块(13);
所述GNSS定时接收模块(11)与所述CPT原子钟模块(12)连接,所述CPT原子钟模块(12)与待驯服时钟连接,所述不间断电源模块(13)为所述GNSS定时接收模块(11)、所述CPT原子钟模块(12)供电;
所述GNSS定时接收模块(11)定时接收UTC时间信息与1PPS标准信号,所述GNSS定时接收模块(11)将所述1PPS标准信号发送至所述CPT原子钟模块(12),所述CPT原子钟模块(12)根据所述1PPS标准信号自动校准,向所述待驯服时钟输出1PPS校准信号用于所述待驯服时钟进行校准。
2.根据权利要求1所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:MCU(14);
所述MCU(14)与所述GNSS定时接收模块(11)连接,所述GNSS定时接收模块(11)将所述UTC时间信息发送至所述MCU(14)。
3.根据权利要求2所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:时频测量模块(15),所述时频测量模块(15)与所述MCU(14)、所述CPT原子钟模块(12)、所述待驯服时钟连接;
所述待驯服时钟将1PPS本地信号发送至所述时频测量模块(15),所述CPT原子钟模块(12)将所述1PPS校准信号发送至所述时频测量模块(15),所述时频测量模块(15)根据所述1PPS本地信号与1PPS校准信号得到时刻偏差与频率偏差,并将所述时刻偏差与所述频率偏差发送至所述MCU(14)。
4.根据权利要求3所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:串口驱动电路(16),所述串口驱动电路(16)与所述MCU(14)、所述待驯服时钟连接;
所述MCU(14)通过所述串口驱动电路(16)向多个所述待驯服时钟发送驯服指令。
5.根据权利要求4所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:驱动电路板(17);所述驱动电路板(17)包括多个1PPS通道,所述1PPS通道之间相互隔离;
所述CPT原子钟模块(12)与多个所述待驯服时钟通过所述驱动电路板(17)连接,通过所述1PPS通道分别向对应的所述待驯服时钟发送所述1PPS校准信号。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:蓄电池(18);所述蓄电池(18)与所述不间断电源模块(13)连接。
7.根据权利要求2所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:显示模块(19);
所述显示模块(19)与所述MCU(14)连接。
8.根据权利要求1所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:充放电显示模块(20);
所述充放电显示模块(20)与所述不间断电源模块(13)连接。
9.根据权利要求1所述的时钟驯服设备,其特征在于,还包括:自守时按键(21);
所述自守时按键(21)与所述MCU(14)连接。
10.根据权利要求4所述的时钟驯服设备,其特征在于,所述CPT原子钟模块(12)还包括:10MHz输出端口。
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