CN204631463U - 一种辐射源监测定位的gps时钟同步*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种辐射源监测定位的GPS时钟同步***，包括：可编程门阵列FPGA电路板和与其连接的数字信号处理器DSP，其中，FPGA电路板连接有GPS接收机和压控恒温晶体振荡器VCOCXO，其中，所述FPGA电路板上设有：解码模块、时间数据整合模块、显示/输出模块、时间间隔测量模块、分频器、D/A转化器，且所述GPS接收机接收GPS传来的信号，并以1PPS的方式传递给时间间隔测量模块，所述GPS接收机将串行时间信息传递给解码模块，所述解码模块将时刻信息传递给时间数据整合模块，所述时间数据模块将时刻输出给显示/输出模块。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种辐射源监测定位的GPS时钟同步***。
背景技术
目前，随着无线电通信事业的飞速发展，我国建设了大量的通信设施，有限的频率资源十分紧张，各种通信***间的干扰时有发生，因此需要对电磁环境进行监测，及时了解重点区域的电磁环境状况，发现并消除干扰，保证通信***畅通。
要及时发现干扰源必须要对其进行精确的定位，目前常用的时差定位(TDOA)技术，将多个室外型监测接收机进行联网，对同一辐射源进行同步扫描，获得带有时标的时域数据，将时域数据汇聚到计算中心后利用时差定位技术估计辐射源的位置。而定位精度的高低与时标的准确度和各联网监测接收机之间的同步程度有着密切的关系，因此要得到精确的定位结果必须要保证各联网监测接收机之间高度的同步。
各联网监测接收机间要实现同步即对各监测接收机进行统一的授时使之与国际标准时间达到精确同步。通常的授时***可用原子钟、铯钟等来保证仪器的时间与国际标准时间达到精确同步，但是它们的价格昂贵且搬运不方便，不适合在监测网中使用。目前，许多正在应用的微机监控***、数据采集***、大型网络设备、移动通信网络***大都采用了GPS标准时钟，以确保整个***的时间具有高度的一致性，以免***发生由于时间的不一致而导致的不可预测性错误。尤其在一些数据采集***领域，为了在不同的地理区域采集到同一时刻的不同数据，进而将数据进行分析得出正确的结论，这就要求每个采集***在时间上保持高度的一致性，否则得到的将是不正确的结论。
实用新型内容
本实用新型在于通过外部时间(GPS)基准，对本地晶振的频率和分频产生的秒脉冲进行测量和校正，获得和国际标准时间一致的秒脉冲信号和时间 信息从而利用这些信息对辐射源进行精准的定位。
本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种辐射源监测定位的GPS时钟同步***，包括：可编程门阵列FPGA电路板和与其连接的数字信号处理器DSP，其中，FPGA电路板连接有GPS接收机和压控恒温晶体振荡器VCOCXO，其中，所述FPGA电路板上设有：解码模块、时间数据整合模块、显示/输出模块、时间间隔测量模块、分频器、D/A转化器，且所述GPS接收机接收GPS传来的信号，并以1PPS的方式传递给时间间隔测量模块，所述GPS接收机将串行时间信息传递给解码模块，所述解码模块将时刻信息传递给时间数据整合模块，所述时间数据模块将时刻输出给显示/输出模块。
进一步地，优选的是，所述数字信号处理器DSP内设时差处理模块和秒信号时差校准模块，且所述时间数据整合模块连接所述时差处理模块，所述时差处理模块连接所述秒信号时差校准模块，所述秒信号时差校准模块连接到所述D/A转化器。
进一步地，优选的是，所述D/A转化器连接所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO，所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO连接到所述分频器，所述分频器的输出一端连接显示/输出模块，一端连接到时间间隔测量模块。
本专利应用于监测接收机网络中对干扰源的定位，为干扰源的定位提供精确的标准时间信息。同时，可将以本专利为基础的***应用于为航天测控***和战略导弹、常规武器试验时的测控***提供标准时间信号和标准频率信号。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进行详细的描述，以使得本实用新型的上述优点更加明确。
图1是本实用新型辐射源监测定位的GPS时钟同步***的授时校频*** 框图；
图2本实用新型辐射源监测定位的GPS时钟同步***的时间同步模块；
图3本实用新型辐射源监测定位的GPS时钟同步***的调频过程流程图；
图4本实用新型辐射源监测定位的GPS时钟同步***的秒脉冲校准框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细地说明。
本实用新型介绍的GPS同步***是基于外部时间基准校准本地晶振输出频率的授时校频***。主要是通过外部时间(GPS)基准，对本地晶振的频率和分频产生的秒脉冲进行测量和校正，获得和国际标准时间一致的秒脉冲信号和准确的100MHz频率输出，来替代本地晶振的输出提供准确的时间标准和频率标准，其中，PPS:pulse per second的简写所以1pps＝1Hz＝1次/秒。
本实用新型所使用的技术方案主要包括以下三大部分。
时间间隔测量：通过FPGA对GPS接收机输出的秒脉冲和本地晶振分频产生的秒脉冲进行鉴相处理，得到时间差。
将GPS接收机接收到的秒脉冲信号GPS_1pps作为起始信号，本地晶振分频后产生的秒信号local_1s作为终止信号，将这两路脉冲信号输入FPGA进行比较，用频率为100MHz的计数器实现接收机秒脉冲和本地晶振秒脉冲的时间间隔计量。
当GPS接收机秒脉冲上升沿到来时计数器开始计数，本地晶振秒脉冲上升沿到来时计数停止，两个上升沿的时间间隔就是本地振荡器对GPS接收机秒脉冲的时间差。最终的测量结果最大误差为10ns。
时差处理：
由于GPS的秒脉冲上升沿相对准确的GPS***时刻有一定的随机抖动，因此不能直接使用测得的时间间隔即时差进行时间同步，为了消除这个随机误差的影响，必须对测得的时间间隔数据加以处理。这里采用改进的最小二乘直线拟合算法对数据进行滤波处理。
在对这些数据做最小二乘拟合之前，我们先对鉴相数据做一些初步的处理，剔除野值，这样可以使得到估计值更加精确。
假设鉴相数组如下分布，数组长度b，数组数量a，鉴相初值S，相差y(每秒同方向跑y)，
数组第一个元素array_phase0[0]：
每秒鉴相值：S；S+y；S+2y；...；S+(b-1)y.一共b个，
相加，并去除最大最小两个值，累计和"array_phase0[0]"＝(b-2)S+bby/2-3by/2+y.
数组第二个元素array_phase0[1]：
每秒鉴相值：S+by；S+by+y；S+by+2y；...；S+by+(b-1)y.一共b个，
相加，并去除最大最小两个值，累计和"array_phase0[1]"＝(b-2)(S+by)+bby/2-3by/2+y.
数组第三个元素array_phase0[2]：
每秒鉴相值：S+2by；S+2by+y；S+2by+2y；...；S+2by+(b-1)y.一共b个，
相加，并去除最大最小两个值，累计和"array_phase0[2]"＝(b-2)(S+2by)+bby/2-3by/2+y.
数组最后一个元素array_phase0[a-1]：
每秒鉴相值：S+(a-1)by；S+(a-1)by+y；S+(a-1)by+2y；...；S+(a-1)by+(b-1)y.一共b个，
相加，并去除最大最小两个值，累计和"array_phase0[a-1]"＝(b-2)(S+(a-1)by)++bby/2-3by/2+y.
数组全部累计和，不再额外去除数组的最大最小值，得到以下的算式和＝(aabb/2-aab-ab/2+a)y+(ab-2a)S
将这些处理后的数据保存以备后用。
最小二乘直线拟合的算法思想：
对符合y'＝Kx+B的一组数据，通过测量的实际点与直线上点的偏差的平方和最小来得到最佳的K和B。其中B为初始相差，K是相位差的变化速率，可以通过对K与B的估计值，得到GPS秒脉冲与本地钟秒信号之间相位差的估计值。
针对关系式中相位差的估计值推导如下：
其中上式中x是时间序列，y'是实际的相位差序列；均为已知序列，代入公式可得K与B的估计值与将和对应到上面的数据处理推导中，可以得到和分别对应 和已由最小二乘拟合公式得到，因此可以得到拟合后的鉴相数组的一秒相差的变化量即频差鉴相初值
此估计值已经减小了相位差中的随机抖动，获得了相对比较真实的相位差。
秒信号时差校准。秒信号时差校准由频率校准和秒脉冲同步校准两部分组成。
频率校准部分。
在频率校准阶段，高稳晶振的分频秒脉冲开始跟踪外部时间基准的1PPS。此时由于存在一定相位差，并且高稳晶振的电压控制端电压尚未建立，高稳晶振的频率还存在一定的偏差，该阶段主要通过改变DAC的控制量去调整本地压控晶振的压控端进行频率的校准，并逐步消除相位差。
对频差进行调整前需要进行频率超前和滞后的判断，不同的情况对应不同的调频方式，为了减少频率超前滞后的判断复杂性，在时间间隔测量模块中我们人为的将本地秒脉冲信号延迟了一个固定的时间T，始终认为本地秒脉冲滞后于标准秒脉冲，因此在判断频率超前滞后时分为三种情况，
频差>0为频率滞后；
频差<0为频率超前；
频差＝0为频率相等；
我们在得到了频率真正的超前滞后关系后，根据这个关系，就可以制定DAC值的控制策略。
DAC粗调：
定义一个常量EPSILON，这里取值为1，时差处理模块得到的频差值y落入此区间之前，我们进行粗调，粗调的参考模型是
DacValue＝DacValue+K*y
当初始时刻y很大时，DAC的值调整较多，而随着频率的逼近，y逐渐收敛，DacValue也趋于稳定。这里需要注意的是比例系数K，K值取值越小，调整的斜率越缓慢，相应的锁定时间越长；K值取值越大，斜率越陡，锁定时间越短，理论上如果K值过大，则不会收敛，震荡。
DAC微调：
因环境温度变化导致本地晶振的频率飘移，不能一次性地认为频差调整为0就是真正的锁定了。我们还需要在此基础上进行微调。当y的绝对值小于等于EPSILON时，进入微调流程，参考模型是
DacValue＝DacValue±D
步进精度D越小，理论上抖动应该越小，但温度变化导致频漂，较小的步进精度不一定可以跟踪上频率的变化，调整几次之后，y可能会超出EPSILON的范围，变回粗调。如果假设DAC值与晶振的频率是成线性正比例关系，那么DAC步进1，调整的频率应该是±△f*(1/4095)，△f为晶振可调频率范围。如果步进精度D取值过大，又会使精调抖动加大，达不到精调的效果。
锁定判断：
当y第一次落入EPSILON区间时，频率差仍然是存在的，需要经过多次调整，才能逼近频率相同的点。如果此时立即采用微调策略，收敛时间会变得很长。
因此定义了一个y落入EPSILON区间次数(常量DAC_LOCK_NUM)，当判断y连续DAC_LOCK_NUM次落入EPSILON区间后，我们认为频率真正锁定了。而在此过程中，仍然采用粗调策略。
秒脉冲同步校准。秒脉冲同步校准由计数器、比较器和分频计数器构成。其中计数器在开始校正时计数，校正值与计数器输出数值进行比较，如果计数器输出值小于待校正值，比较模块输出为低电平，分频计数器不工作，产生秒脉冲信号停止并保持现状态，秒脉冲信号就相当于向后延迟了。当计数 器输出值大于等于待校正值时，分频计数器继续工作，假设校正值为n，这时候输出的秒脉冲相当于向后延迟了n个时钟周期。如果计数器用采用100MHz时钟，则向后延迟了n×10ns。分频计数器用于产生校正后的秒信号。
为此，如图1-4所示，一种辐射源监测定位的GPS时钟同步***，包括：可编程门阵列FPGA电路板和与其连接的数字信号处理器DSP，其中，FPGA电路板连接有GPS接收机和压控恒温晶体振荡器VCOCXO，其中，所述FPGA电路板上设有：解码模块、时间数据整合模块、显示/输出模块、时间间隔测量模块、分频器、D/A转化器，且所述GPS接收机接收GPS传来的信号，并以1PPS的方式传递给时间间隔测量模块，所述GPS接收机将串行时间信息传递给解码模块，所述解码模块将时刻信息传递给时间数据整合模块，所述时间数据模块将时刻输出给显示/输出模块。
进一步地，优选的是，所述数字信号处理器DSP内设时差处理模块和秒信号时差校准模块，且所述时间数据整合模块连接所述时差处理模块，所述时差处理模块连接所述秒信号时差校准模块，所述秒信号时差校准模块连接到所述D/A转化器。
进一步地，优选的是，所述D/A转化器连接所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO，所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO连接到所述分频器，所述分频器的输出一端连接显示/输出模块，一端连接到时间间隔测量模块。
本专利应用于监测接收机网络中对干扰源的定位，为干扰源的定位提供精确的标准时间信息。同时，可将以本专利为基础的***应用于为航天测控***和战略导弹、常规武器试验时的测控***提供标准时间信号和标准频率信号。
在一个具体实施例中，具体包括：
时间间隔测量。本地晶振分频产生的秒脉冲和GPS接收机通过GPS天线接收到的秒脉冲两路信号送入FPGA中，在FPGA中进行鉴相即时间间隔的测量。
时差数据的预处理：
每50s为一个周期，得到50个鉴相值，分别传给DSP，在DSP中进行时 差处理，将这50个鉴相值分为5组，每组长度为10，这里的5和10分别对应时差处理算法中的a和b，用最小二乘拟合算法拟合出y'＝Kx+B中系数K和B的估计值与分别对应由此可以得到拟合后的鉴相数组的一秒相差的变化量即频差鉴相初值此估计值已经减小了相位差中的随机抖动，获得了比较真实的相位差及对应的相对频差。
3.频率校准：
在DSP中进行频率校准，定义一个常量EPSILON，时差处理模块得到的频差值y落入此区间之前，我们进行粗调，粗调的参考模型是DacValue＝DacValue+K*y，当y的绝对值小于等于EPSILON时，进入微调流程，参考模型是DacValue＝DacValue±D。定义一个y落入EPSILON区间次数(常量DAC_LOCK_NUM)，当判断y连续DAC_LOCK_NUM次落入EPSILON区间后，我们认为频率真正锁定了。而在此过程中，仍然采用粗调策略。用此调频方法对DAC进行累加调整，DAC将调整量由数字量转为模拟量送到压控晶体振荡器的压控端对晶振进行频率校准，使晶振的频率值逐步达到标准频率。
4.秒脉冲校准：
频率校准的同时进行秒脉冲校准，开始校准信号有效时对频率进行计数，将计数器的输出值与校正值进行比较，如果计数器输出值小于待校正值，比较模块输出为低电平，分频计数器不工作，产生秒脉冲信号停止并保持现状态，秒脉冲信号就相当于向后延迟了。当计数器输出值大于等于待校正值时，分频计数器继续工作，假设校正值为n，这时候输出的秒脉冲相当于向后延迟了n个时钟周期。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种辐射源监测定位的GPS时钟同步***，其特征在于，包括：可编程门阵列FPGA电路板和与其连接的数字信号处理器DSP，其中，FPGA电路板连接有GPS接收机和压控恒温晶体振荡器VCOCXO，其中，所述FPGA电路板上设有：解码模块、时间数据整合模块、显示/输出模块、时间间隔测量模块、分频器、D/A转化器，且所述GPS接收机接收GPS传来的信号，并以1PPS的方式传递给时间间隔测量模块，所述GPS接收机将串行时间信息传递给解码模块，所述解码模块将时刻信息传递给时间数据整合模块，所述时间数据模块将时刻输出给显示/输出模块。
2.根据权利要求1所述的辐射源监测定位的GPS时钟同步***，其特征在于，所述数字信号处理器DSP内设时差处理模块和秒信号时差校准模块，且所述时间数据整合模块连接所述时差处理模块，所述时差处理模块连接所述秒信号时差校准模块，所述秒信号时差校准模块连接到所述D/A转化器。
3.根据权利要求1或2所述的辐射源监测定位的GPS时钟同步***，其特征在于，所述D/A转化器连接所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO，所述压控恒温晶体振荡器VCOCXO连接到所述分频器，所述分频器的输出一端连接显示/输出模块，一端连接到时间间隔测量模块。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105549379A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-05-04 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于高精度时间基准触发的同步测量装置及方法 |
| CN109541553A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-03-29 | 四川九洲电器集团有限责任公司 | 一种同步时钟反馈电路 |
| CN109839838A (zh) * | 2017-11-29 | 2019-06-04 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置 |
| CN110176982A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-08-27 | 中国计量科学研究院 | 单信道时间频率高精度传递装置 |
| CN111399418A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-10 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种低功耗断电守时模块 |
| CN111490777A (zh) * | 2019-01-29 | 2020-08-04 | 大唐移动通信设备有限公司 | 一种晶振频率检测方法及装置 |
| CN113885305A (zh) * | 2021-09-10 | 2022-01-04 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法 |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105549379A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-05-04 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于高精度时间基准触发的同步测量装置及方法 |
| CN109839838A (zh) * | 2017-11-29 | 2019-06-04 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置 |
| CN109541553A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-03-29 | 四川九洲电器集团有限责任公司 | 一种同步时钟反馈电路 |
| CN111490777A (zh) * | 2019-01-29 | 2020-08-04 | 大唐移动通信设备有限公司 | 一种晶振频率检测方法及装置 |
| CN110176982A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-08-27 | 中国计量科学研究院 | 单信道时间频率高精度传递装置 |
| CN110176982B (zh) * | 2019-04-19 | 2021-12-03 | 中国计量科学研究院 | 单信道时间频率高精度传递装置 |
| CN111399418A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-10 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种低功耗断电守时模块 |
| CN113885305A (zh) * | 2021-09-10 | 2022-01-04 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法 |
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