一种Loran-C授时系统监测装置

一种loran-c授时系统监测装置技术领域1.本发明涉及一种授时信号监测技术，属于信号与信息处理技术领域，主要用于loran-c授时系统发播信号参数、系统状态、定时性能等进行监测。背景技术：2.loran-c授时系统采用低频脉冲相位体制，信号频率为100khz。我国现有能够完成授时服务的loran-c系统有bpl长波授时系统和长河二号导航系统，同时我国还将在西部建设三个loran-c授时台，与现有系统一起实现loran-c授时信号的全国土覆盖。loran-c用户接收信号有天波和地波，用户采用地波信号进行定时，天波相对地波时延在27.5～1500μs，会对地波形成叠加干扰，且天波信号不稳定，精度低，一般不采用天波授时。loran-c监测系统是loran-c的重要组成部分，一般由固定监测站和移动监测平台组成，固定监测站主要在近场进行系统状态监测，移动监测平台主要是机动对远场授时信号质量监测。其中loran-c监测终端是监测系统的核心设备，主要对系统发播信号质量、系统状态、信息可用性等进行监测，并将监测信息反馈给发播系统或用户，进而保障loran-c授时服务的准确性、可靠性和完好性，保障用户时间的安全。3.但是目前loran-c监测技术发展不成熟，不能完全满足系统建设需要，主要表现在三个方面：一是目前的监测站是通过loran-c定时终端、时间间隔计数器(时差测量)、工控机(数据存储和通信)、gnss定时接收机(时间溯源)、上位机软件(监测数据处理)、网络服务器(数据传输)等多个设备进行连接组成，系统集成度低，不利于快速布站和故障维修，尤其是移动监测平台，在临时搭建时不够快捷方便，且设备较多故障排除难度大。二是市面上现有监测终端的技术水平参差不齐，性能可靠性不高，功能不完善，未能对时差、场强、时间信息、系统状态、信噪比和包周差等全方位监测，对系统状态综合监测能力差。三是对于信号场强、信噪比、包周差等信号的参数测量方法不可靠，测量结果不准确，不能准确的反映系统发播信号质量。技术实现要素：4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种loran-c授时系统监测装置，具有集成度高、功能完善、操作简单、信号参数测量准确、可及时反映系统状态和信号质量等特点，能够方便快捷的用于loran-c授时固定和移动监测站，进行快速布站、数据入网和维修。5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种loran-c授时信号监测装置，包括显示与控制单元、时间频率参考单元、信号接收与处理单元、参数测量单元、综合告警单元、数据采集与通信单元。6.所述的显示与控制单元完成装置接收输入的配置信息或控制信息，按照约定协议完成监测装置的参数配置，配置信息包括接收台站配置和告警门限配置，同时接收来自其它单元的监测信息、信号测量参数、系统状态、参考时间信息，并进行显示；7.所述的时间频率参考单元通过接收处理gnss信号，为显示与控制单元、综合告警单元和数据采集与通信单元提供参考时间信息，为信号接收与处理单元提供信号处理时钟，为参数测量单元提供时差测量时钟和参考1pps信号；8.所述的信号接收与处理单元按照显示和控制单元的台站配置，通过接收并处理loran-c信号，为参数测量单元提供loran-c脉冲组位置、1pps定时信号和标准过零点位置，以及数字滤波信号、56bit电文信息和电文校验成果标志；9.所述的参数测量单元完成参数计算后输出给综合警告单元，参数包括信噪比、场强、包周差、系统状态、loran-c时间信息、解码成功率和时差数据；10.所述的综合监测单元对参数测量单元输出的所有测量数据进行监测，向显示与控制单元和数据采集与通信单元输出监测信息，并在测量数据超出设定阈值时向数据采集与通信单元输出告警信息；11.所述的数据采集与通信单元对监测数据打上时间标记，进行存储及输出，同时接收外部输入的控制信息，传输至显示与控制单元。12.所述的显示与控制单元完成装置的参数配置和监测信息显示，包括显控信息处理模块、液晶显示屏和键盘；所述的显控信息处理模块接收键盘配置信息或外部控制信息，进行处理后按照约定协议完成监测装置的参数配置，配置信息包括接收台站配置、告警门限配置，同时接收来自其它单元的监测信息、信号测量参数、系统状态、参考时间信息，并将信息传输至液晶显示屏显示。13.所述的时间频率参考单元包括gnss天线、gnss定时模块、铷原子钟和时钟管理模块；所述的gnss天线接收卫星导航信号；gnss定时模块对卫星导航信号进行处理后输出gnss-1pps信号和参考时间信息；铷原子钟使用gnss-1pps信号驯服本地频标，同步产生1pps参考信号以及10mhz频率参考信号；时钟管理模块以10mhz频率参考信号为输入产生信号处理时钟和时差测量时钟。14.所述的信号接收与处理单元包括loran-c天线、射频前端、ad芯片和数字信号处理模块；所述的loran-c天线接收空间中loran-c信号，通过射频前端对loran-c信号进行滤波和放大，产生模拟射频信号；ad芯片将模拟射频信号转换为数字信号提供给数字信号处理模块使用；所述的数字信号处理模块对数字信号中噪声和连续波干扰进行抑制，输出数字滤波信号，通过脉冲组信号捕获确定所有能够接收到的loran-c脉冲组信号的起始和结束位置，通过周期识别确定监测台站脉冲组信号基准脉冲为标准过零点30μs处，通过信息解调利用脉冲组第3～6个脉冲分别与基准脉冲的相位差获取调制信息，然后通过图样对应、rs纠错和crc校验获得56bit原始电文信息，crc校验产生电文成功或失败的校验标志，利用电文信息和周期识别结果综合产生loran-c 1pps定时信号并输出。15.所述的参数测量单元包括标准过零点包络电平计算模块、噪声功率计算模块、信噪比计算模块、场强计算模块、包周差计算模块、解码成功率计算模块、信息提取模块和时差测量模块；16.标准过零点包络电平计算模块利用捕获到的脉冲组位置，对数字信号中基准脉冲通过n次累加平均，获得高信噪比的基准脉冲x(k)，然后通过希尔伯特变换方法获得基准脉冲包络，利用周期识别结果获得的标准过零点位置，确定标准过零点位置对应的包络幅度a0；17.噪声功率计算模块利用脉冲组信号捕获确定的脉冲组位置确定出噪声，并通过计算脉冲组位置外噪声的方差δ2计算噪声功率；18.信噪比计算模块利用标准过零点对应包络幅度a0和噪声方差δ2完成信噪比计算；19.场强计算模块利用标准过零点对应包络幅度a0计算信号场强e；20.包周差计算模块利用标准过零点位置确定基准信号x(k)前40μs波形，计算x(k)前40μs波形与本地产生的不同幅度和包周差信号sj(τ,b)的前40μs波形的载波半周峰值的均方根误差，均方根误差对应最小时的本地波形包周差为接收信号包周差τecd；21.解码成功率计算模块利用数字信号处理模块解调出的电文信息及电文校验标志统计一定次数m内的解码成功率p；22.信息提取模块对56bit电文信息按照loran-c系统电文发播格式提取出系统状态和时间信息；23.时差测量模块以时差测量时钟作为参考频率，利用时间间隔测量芯片对loran-c数字信号处理模块产生的loran-c 1pps信号与铷原子钟产生的参考1pps信号之间的时差，得到时差数据δt。24.所述的信号场强e＝10log10(a0)-g0-g1-20log10(h)，式中g0是已知的射频前端的增益，g1是已知的数字信号处理模块的增益，h是已知的loran-c天线的有效高度。25.所述的综合监测单元包括信噪比监测、场强监测、包周差监测、时差监测、解码成功率监测、系统状态监测和时间监测；其中，信噪比监测是将计算得到信噪比与设置的信噪比告警门限rsnr,th相比，如果rsnr＜rsnr,th，则进行告警；场强监测是将计算得到场强与设置的场强告警门限eth相比，如果e＜eth，则进行告警；包周差监测是将计算得到的包周差与设置的包周差告警门限τth相比，如果包周差结果在-τth～τth范围之外，则进行告警；时差监测是计算时差数据δt的均值标准差δtδ和均方根误差δtrms，将时差数据均值、标准差和均方根误差与各自告警门限相比，如果其中任意一个小于告警门限，则进行告警；解码成功率监测是将解码成功率p与解码成功率门限pth相比，如果p＜pth，则进行告警；系统状态监测是在完成系统状态信息提取后判断系统状态，出现正常值之外的其他数值则告警；时间监测是将当前loran-c时间信息与参考时间信息比较，时间相同则正常，不同则告警。26.所述的数据采集与通信单元包括监测数据处理模块、监测数据存储模块和通信模块；监测数据处理模块对收集的监测数据进行处理，利用参考时间信息对监测数据打上当前时间标记后，发送至监测数据存储模块和通信模块；监测数据存储模块完成监测数据的存储；通信模块将监测数据通过网口和串口输出，同时通过串口或网口接收外部输入的控制信息。27.本发明的有益效果是：28.(1)本发明将loran-c监测系统的参考时间溯源、信号处理、时差测量、数据通信、监测数据存储等集成在一个装置中，在固定和移动监测站中能够快速布站，且使用方便，能够快速排除故障进行维修；29.(2)本发明提供的场强计算中，信号电平是在通过多次累加平均后获得信噪比较高的loran-c信号，场强计算更准确，且取标准过零点30μs处的信号包络幅度计算，在远距离监测时能够避开loran-c天波干扰对场强计算的影响；30.(3)本发明提供的信噪比计算方法，是在所有loran-c台站信号捕获后确定出脉冲组位置，在没有脉冲信号的时域部分对噪声统计获得噪声方差(功率)，信噪比计算更加准确；31.(4)本发明提供的包周差计算方法采用在一定包周差和幅度范围内构造的本地loran-c信号与接收信号波形之间的最小均方根误差确定包周差，计算方法简单，通过多次搜索可以获得准确的包周差测量结果；32.(5)本发明监测内容全面，监测信息获取和判决告警均在一个装置中完成，能实时监测系统状态并通过显示屏、串口和网络反馈给系统或用户。附图说明33.图1是本发明loran-c监测装置的总体结构框图；34.图2是本发明显示与控制单元结构框图；35.图3是本发明时间频率参考单元结构框图；36.图4是本发明信号接收与处理单元结构框图；37.图5是本发明参数测量单元结构框图；38.图6是本发明综合告警单元结构框图；39.图7是本发明数据采集与通信单元结构框图。具体实施方式40.本发明提供一种loran-c授时信号监测装置，包括了显示与控制单元、时间频率参考单元、信号接收与处理单元、参数测量单元、综合告警单元、数据采集与通信单元。41.所述的显示与控制单元完成装置的参数配置和监测信息显示，包括显控信息处理模块、液晶显示屏和键盘。显控信息处理模块完成两个功能，一是通过接收键盘配置信息或外部控制信息进行处理后按照约定协议完成监测装置的参数配置，配置信息包括接收台站配置、告警门限配置，二是接收来自其它单元的监测信息、信号测量参数、系统状态、参考时间信息，并将信息传输至液晶显示屏显示；键盘是在现场完成装置参数的配置；液晶显示屏完成当前监测装置状态和监测信息显示。42.所述的时间频率参考单元通过接收处理gnss信号，为整个监测装置提供参考1pps信号、高稳频率信号和参考时间信息，包括gnss天线、gnss定时模块、铷原子钟和时钟管理模块。gnss天线完成卫星导航信号接收；gnss定时模块对卫星信号处理后输出gnss-1pps信号和参考时间信息；铷原子钟使用gnss-1pps信号驯服本地频标后，同步产生1pps参考信号以及高稳10mhz频率参考信号；时钟管理模块以10mhz频率参考信号为输入产生信号处理时钟(送信号接收与处理单元)和时差测量时钟(送信号参数测量单元)。43.所述的信号接收与处理单元按照显示和控制单元的台站配置，通过接收并处理空间中loran-c信号，获得loran-c脉冲组位置、时间信息、1pps定时信号和标准过零点位置等，包括loran-c天线、射频前端、ad芯片和数字信号处理模块。loran-c天线接收空间中loran-c信号；射频前端是通过滤波器和放大器等对loran-c天线接收的信号进行滤波和放大，产生模拟射频信号；ad芯片是将模拟射频信号转换为数字信号提供给数字信号处理模块使用；数字信号处理模块利用ad转换的数字信号完成干扰抑制、脉冲组信号捕获、周期识别、信息解调和定时输出等过程，其中干扰抑制是完成对接收信号中噪声和连续波干扰抑制，减少干扰对loran-c信号检测和测量的影响，脉冲组信号捕获是确定所有能够接收到的loran-c脉冲组信号的起始和结束位置，周期识别是确定监测台站脉冲组信号基准脉冲(第一个脉冲)标准过零点位置(30μs处)，信息解调是利用脉冲组第3～6个脉冲分别与基准脉冲的相位差获取调制信息，然后通过图样对应、rs纠错和crc校验获得56bit原始电文信息，crc校验产生电文成功或失败的校验标志，定时输出是利用电文信息和周期识别结果综合产生loran-c 1pps定时信号并输出。44.所述的参数测量单元是完成场强、信噪比、包周差、时差、解码成功率等参数计算，包括标准过零点包络电平计算模块、噪声功率计算模块、信噪比计算模块、场强计算模块、包周差计算模块、解码成功率计算模块、信息提取模块和时差测量模块。45.标准过零点包络电平计算模块是利用捕获到脉冲组位置，对数字信号中基准脉冲通过n次累加平均，获得高信噪比的基准脉冲x(k)，然后通过希尔伯特变换方法获得基准脉冲包络，利用周期识别结果获得的标准过零点位置，确定标准过零点位置对应的包络幅度a0。46.噪声功率计算模块是利用脉冲组信号捕获确定的脉冲组位置确定出噪声，并计算噪声功率，功率是通过计算脉冲组位置外噪声的方差δ2获得。47.信噪比计算模块是利用标准过零点对应包络幅度a0和噪声方差δ2完成信噪比计算，信噪比计算公式为：单位db。48.场强计算模块是利用标准过零点对应包络幅度a0计算信号场强e，计算公式为：e＝10log10(a0)-g0-g1-20log10(h)，单位dbμvm，式中g0是已知的射频前端的增益，g1是已知的数字信号处理模块的增益，h是已知的loran-c天线的有效高度。49.包周差计算模块是利用标准过零点位置确定基准信号x(k)前40μs波形，然后计算x(k)前40μs波形与本地产生的不同幅度和包周差信号sj(τ,b)的前40μs波形的载波半周峰值的均方根误差，均方根误差对应最小时的本地波形包周差为接收信号包周差τecd，均方根误差计算公式为：式中xj为基准信号前40μs波形载波半周峰值，sj(τ,b)为本地产生的幅度b和包周差τ的信号前40μs波形的半周峰值，j＝1,2…8。50.解码成功率计算模块是利用数字信号处理模块解调出的电文信息及电文校验标志统计一定次数m内的解码成功率p，计算公式为：p＝km，式中k为统计次数m下的解码成功次数。51.信息提取模块是对56bit电文信息按照loran-c系统电文发播格式提取出系统状态和时间信息。52.时差测量模块是以时差测量时钟作为参考频率，利用时间间隔测量芯片对loran-c数字信号处理模块产生的loran-c 1pps信号与铷原子钟产生的参考1pps信号之间的时差，得到时差数据δt。53.所述的综合监测单元是对参数测量单元输出的所有测量数据进行监测，包括了信噪比监测、场强监测、包周差监测、时差监测、解码成功率监测、系统状态监测和时间监测。其中信噪比监测是将计算得到信噪比与设置的信噪比告警门限rsnr,th相比，如果rsnr＜rsnr,th，则进行告警。场强是将计算得到场强与设置的场强告警门限eth相比，如果e＜eth，则进行告警。包周差监测是将计算得到的包周差与设置的包周差告警门限τth相比，如果包周差结果-τth～τth范围之外，则进行告警。时差监测计算时差数据δt的均值标准差δtδ和均方根误差δtrms，将时差数据均值、标准差和均方根误差与各自告警门限相比，如果其中任意一个小于告警门限，则进行告警。解码成功率监测是将解码成功率p与解码成功率门限pth相比，如果p＜pth，则进行告警。系统状态监测是在完成系统状态信息提取后判断系统状态(2bit)，为1正常，其它数值则告警。时间监测是将当前loran-c时间信息与参考时间信息比较，时间相同则正常，不同则告警。54.所述的数据采集与通信单元完成监测数据的处理、存储以及与外部的通信，包括监测数据处理模块、监测数据存储模块和通信模块。监测数据处理模块是对收集的监测数据进行处理，利用参考时间信息对监测数据打上当前时间标记后，发送至监测数据存储模块和通信模块；监测数据存储模块完成监测数据的存储；通信模块是将监测数据通过网口和串口输出，同时通过串口或网口接收外部输入的控制信息。55.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。56.图1是本发明loran-c监测装置的总体结构框图，参照图1本发明包括了显示与控制单元、时间频率参考单元、信号接收与处理单元、参数测量单元、综合告警单元、数据采集与通信单元。显示和控制单元接收来自外部控制信息或键盘的设置信息对终端接收台站和监测告警门限进行设置，以及完成监测数据的处理和显示；时间频域参考单元产生监测装置所需的参考1pps信号、参考时间信息、信号处理时钟和时差测量时钟，并提供给其它单元使用；信号接收和处理单元完成对loran-c信号接收和处理，获得信号参数测量所需的数字滤波信号、脉冲组位置、标准过零点位置、56bit电文信息、电文校验成功标志、loran-c定时信号等结果；参数测量单元使用信号接收和处理单元输出结果完成信噪比、场强、包周差、系统状态、loran-c时间信息、解码成功率、时差数据等监测信息；综合告警单元对参数测量单元获得的监测信息进行信号参数、时差数据、解码成功率、系统状态、时间信息等进行综合判决告警；数据采集和通信单元对监测信息和告警信息等进行打包处理后进行存储和通过网络或串口进行上报。57.参照图2，本发明的实施例中，显示与控制单元包括显控信息处理模块、键盘和液晶显示屏。其中显控信息处理模块是在freescale公司的四核arm芯片i.mx6q上完成，通过接收远程控制信息或键盘输出信息对装置进行接收台站设置和告警门限设置，当监测完成后对告警信息、信号参数、系统状态信息等处理后发送至显示屏进行显示；键盘采用4×4陈列键盘，含10个数字键和6个功能键，用于现场的终端配置；显示屏采用ortustech公司的4.3英寸tft显示屏com43h4n10ulc，用于信息显示。58.参照图3，本发明的实施例中，时间频率参考单元包括gnss天线、gnss定时模块、铷原子钟和时钟管理模块，其中本实施例gnss采用北斗卫星导航系统(bds)。gnss天线用于接收bds信号；gnss定时模块通过对bds接收信号进行处理后输出gnss-1pps信号和时间信息，将参时间和信号溯源至utc(ntsc)；铷原子钟采用srs公司的prs10，其利用gnss定时模块的1pps定时信号驯服产生高稳参考10mhz频率和参考1pps信号；时钟管理模块采用adi公司的ad9588芯片，利用铷原子钟高稳参考10mhz频率作为输出产生32mhz信号处理时钟和12.5mhz时差测量时钟。59.参照图4，本发明的实施例中，信号接收与处理单元包括loran-c天线、射频前端、ad芯片和数字信号处理模块。loran-c天线采用的全向电天线接收空间中loran-c信号，天线有效高度h＝0.32m；射频前端通过滤波器和放大器对loran-c信号进行滤波放大，产生射频信号，射频前端是固定增益g0＝42db；ad芯片采用16位ad7622xin芯片将射频信号转换为数字信号；数字信号处理模块是基于fpga和dsp芯片完成的，fpga采用intel altera公司的5agxbb7d6f35c6芯片，dsp采用ti公司的tms320c6655芯片。数字信号处理模块工作时钟使用32mhz信号处理时钟，其通过干扰抑制减少噪声和连续波的影响后获得较为干净数字滤波信号，然后对数字滤波信号进行捕获获得脉冲组信号位置，捕获完成后对脉冲组基准脉冲上完成周期识别获得标准过零点位置30μs位置，在3～6个脉冲上完成信息的调制获得56bit电文信息，并给出电文校验成功或失败标志，最后利用成功解调的电文信息中1pps位置指示和30μs位置综合推算并产生1pps定时信号，其中数字信号处理增益g1＝25.4db。60.参照图5，本发明的实施例中，参数测量单元包括噪声功率计算模块、标准过零点包络电平计算模块、信噪比计算模块、场强计算模块、包周差计算模块、解码成功率计算模块、信息提取模块和时差测量模块，其中除时差测量模块，其它模块均在arm芯片i.mx6q上完成。噪声功率计算模块利用捕获的脉冲组信号外的时域信号，通过统计噪声方差δ2(功率)，本实施例统计时常为500ms；标准过零点包络电平计算模块是对n个基准脉冲累加平均后得到x(k)，利用希尔伯特变换获得x(k)信号的包络，计算出标准过零点对应包络的幅度a0，本实施例n＝64；信噪比计算模块利用噪声方差δ2和包络标准过零点对应幅度a0计算信噪比单位db；场强计算模块利用幅度a0、射频前端增益g0、信号处理增益g1，天线有效高度h计算e＝20log10(a0)-g0-g1-20log10(h)＝20log10(a0)-57.503，单位dbμv/m；包周差计算模块计算接收信号与本地信号前40μs载波半周峰值的均方根误差，本实施例取本地信号的包周差范围+3μs～-3μs，步进取0.2μs，幅度范围取a0-1000～a0+1000，步进取100，均方根误差最小的本地信号对应的包周差为接收信号的包周差；解码成功率计算模块是统计一定解码次数内的成功次数，本实施例取解码次数1000次。信息提取模块是对成功解调的56bit信息中的系统状态和时间信息进行提取。时差测量模块本实施例采用sciosense公司的tdc-gpx2时间间隔测量芯片，分辨率10ps，时差测量模块以12.5mhz时差测量时钟作为芯片输入参考时钟，用参考1pps信号作为开门，loran-c 1pps定时信号作为关门信号，测量时差数据。61.参照图6，本发明的实施例中，综合告警单元包括了信噪比监测、场强监测、包周差监测、时差监测、解码成功率监测、系统状态监测和时间监测。如果信噪比、场强、包周差中任意一个参数小于各自告警门限，则进行信号参数告警。时差监测通过计算30分钟内时差数据的均值、时差标准差和时差均方根误差，当均值时差标准差和时差均方根误差任意一个时差参数小于各自告警门限，则进行时差数据告警。解码成功率监测是当解码成功率小于其告警门限则进行告警。系统状态是通过判断56bit电文中提取的系统状态是否为1，不为1则进行系统状态告警。时间监测是将当前参考时间信息与loran-c时间信息进行比较，不一致则进行时间信息告警。62.参照图7，本发明的实施例中，数据采集与通信单元包括监测数据处理模块、监测数据存储模块和通信模块。监测数据处理模块是对测量信息和告警信息进行收集，按照监测数据存储模块和通信模块的数据存储协议对监测数据进行打包，该模块是在arm芯片i.mx6q上完成。监测数据存储模块采用一个512gb的大容量sd数据存储卡进行数据保存，当存储完成可取出sd卡进行监测数据事后处理和分析。通信模块采用网口或串口的方式完成监测数据上报和外部控制信息的接收。