一种基于时延控制的自主守时系统及方法与流程

1.本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于时延控制的自主守时系统及方法。背景技术：2.高精度的时间频率标准是信息化时代的重要构成元素，它在科技、军事和经济、社会生活等领域都发挥着至关重要的作用。从基础科学的研究、工程技术的发展、到关系着国计民生的重要部门和领域的运转，以及直接影响到国家安全的国防事业的正常运作等方方面面，都依赖高精度的时间同步。3.高精度的时间频率源传递到使用者所在地的过程中需要用到各种手段来保证精确度。伴随着技术的发展，先后出现了短波、长波、微波、电视、卫星等方式来实现标准时间频率的传输。其中，国内卫星授时时钟同步精度已经达到亚纳秒(10-10)级。通过卫星同步时钟可以提供非常稳定的时钟信号，所以在各行各业都有着较为广泛的应用。而说到卫星授时，主要相关的就是1pps秒脉冲信号和时间标识信号。4.现有比较成熟的守时技术是传统卫星授时同步系统，其工作流程为：由天线接收到卫星传递的时间信号，在本地的接收模块对其解码，得到相应的秒脉冲信号，并实时发送到用户端。由上述过程可以得知，传统的卫星授时系统需要全程依赖卫星信号的参与，在卫星信号被干扰的情况下，该技术的直接使用将会被限制。5.光信号的传输不受电磁场的影响，因此基于光纤的时间传递系统在传统技术的基础上规避了信号干扰的弊端。但是同时也有其自身难以解决的问题：1)当光纤长度超过几百公里时，路径损耗及光纤噪声等问题凸显，信噪比严重下降，精度难以保证，该问题虽可通过增加双向光纤放大器及增加中继站的方式解决，但与此相对的是成本的激增；2)目前光纤时频传递需要布设专用光纤，费用昂贵；3)此技术使用时，光纤需要提前铺设。但是在以战场等场景中使用时，无法适应部队等要求的机动性。技术实现要素：6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于时延控制的自主守时系统及方法解决了以下问题：7.1、本发明旨在解决现有卫星授时在使用中高度依赖卫星信号的缺点，在卫星信号缺失的情况下，保证短期内的高精度时间同步，充当临时的标准时间频率源。8.2、本发明克服了基于光纤的时间传递系统成本高的问题，其实物平台主要在本地原子钟和fpga，且可以重复使用，成本相对较低。9.3、本发明克服了基于光纤的时间传递系统成本高，和难以移动的问题，其实物平台可以简单做到小型化，在电源充足的基础上移动设备也能保证一定的精确度。10.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：11.第一方面，一种基于时延控制的自主守时系统，包括：卫星信号接收模块、原子钟和fpga；12.所述卫星信号接收模块用于接收卫星发送的时间标识信号和1pps信号，并将时间标识信号和1pps信号转递给fpga；13.所述原子钟用于生成本地1pps信号并发送给fpga；14.所述fpga分别与原子钟和卫星信号接收模块连接，其上运行有基于时延控制的自主守时片上子系统；15.所述基于时延控制的自主守时片上子系统用于根据卫星发送的1pps信号补偿和校正本地1pps信号，并调整时间标志信号，得到1pps同步输出信号和事件标识同步输出信号；其包括：时间间隔测量模块、时间延迟补偿模块、时延控制模块和时间调整模块。16.进一步地，所述时间间隔测量模块用于在时间t内测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，得到相位差数据；并在时延控制模块完成相位差数据拟合之后，再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值。17.进一步地，所述时延控制模块用于采用分段最小二乘法，对相位差数据进行拟合，得到时延补偿参量。18.进一步地，所述时间延迟补偿模块用于根据时延补偿参量对本地1pps信号进行相位补偿，校正得到1pps同步输出信号；19.所述时间调整模块用于在时间间隔测量模块再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值之时，捕获和记录卫星发送的时间标识信号，并等待1pps同步输出信号的产生首个上升沿时，输出时间标识同步输出信号。20.进一步地，所述卫星信号接收模块为gps/北斗接收模块。21.第二方面，一种基于时延控制的自主守时方法，采用上述的基于时延控制的自主守时系统，包括以下步骤：22.s1、通过卫星信号接收模块接收卫星发送的时间标识信号和1pps信号，并将时间标识信号和1pps信号转递给fpga；23.s2、通过原子钟生成本地1pps信号并发送给fpga；24.s3、通过fpga运行基于时延控制的自主守时片上子系统，根据卫星发送的1pps信号补偿和校正本地1pps信号，并调整时间标志信号，得到1pps同步输出信号和事件标识同步输出信号。25.进一步地，所述步骤s3包括以下分步骤：26.s31、通过时间间隔测量模块在时间t内测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，得到相位差数据t为测量时间，取值为闭区间[0，t]内的实数；[0027]s32、通过时延控制模块，采用分段最小二乘法，对相位差数据进行拟合，得到时延补偿参量k＝[k1，k2，…，kn]，其中，k1至kn为时延补偿参量k的第1至第n分量，n为分段最小二乘法的段数；[0028]s33、通过时间间隔测量模块再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值；并通过时间调整模块对卫星发送的时间标识信号进行捕获和记录；[0029]s34、通过时间延迟补偿模块，根据初始相位差值和时延补偿参量，对本地1pps信号进行相位补偿，校正得到1pps同步输出信号；[0030]s35、通过时间调整模块在捕获和记录卫星发送的时间标识信号之后，当1pps同步输出信号的产生首个上升沿时，输出时间标识同步输出信号。[0031]进一步地，所述步骤s32包括以下分步骤：[0032]s321、将时间段[0，t]划分为[0，t1)、[t1，t2)、…、[tn-1，t]共n段；[0033]s322、在每个时间段内均采用最小二乘法拟合相位差数据和其测量时间t，分别得到k1，k2，…，kn，构成时延补偿参量k。[0034]进一步地，所述步骤s34通过时间延迟补偿模块，根据初始相位差值和时延补偿参量，采用下式，对本地1pps信号进行相位补偿，校正得到1pps同步输出信号：[0035][0036]其中，为对本地1pps信号进行相位补偿的数值，为初始相位差值。[0037]本发明的有益效果为：[0038]1)由于传统的卫星授时需要在卫星信号的实时参与，无法保证在卫星信号受到干扰的前提下使用。本发明提出的自主守时系统及方法，可以在进行一段时间测量的基础上，进行短期内的无卫星自主守时，保证卫星干扰情况下的时间同步。[0039]2)现有的光纤时间频率传递技术成本是高昂的。本发明提出的实现方案在撇去光纤铺设的高昂费用之外，仅仅有fpga操作平台的不同，作为临时的时间频率标准源具有很高的性价比。[0040]3)现有的时间传递技术难以适应移动性的目标。由于本发明可以摆脱卫星信号自主守时，所以也保证了其良好的移动性。附图说明[0041]图1为本发明实施例提供的一种基于时延控制的自主守时系统的结构图；[0042]图2为本发明实施例提供的一种基于实验控制的自主守时方法的流程图；[0043]图3为分段最小二乘法示意图。具体实施方式[0044]下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。[0045]在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种基于时延控制的自主守时系统，包括：卫星信号接收模块、原子钟和fpga；[0046]卫星信号接收模块用于接收卫星发送的时间标识信号和1pps信号，并将时间标识信号和1pps信号转递给fpga；[0047]原子钟用于生成本地1pps信号并发送给fpga；[0048]fpga分别与原子钟和卫星信号接收模块连接，其上运行有基于时延控制的自主守时片上子系统；[0049]基于时延控制的自主守时片上子系统用于根据卫星发送的1pps信号补偿和校正本地1pps信号，并调整时间标志信号，得到1pps同步输出信号和事件标识同步输出信号；其包括：时间间隔测量模块、时间延迟补偿模块、时延控制模块和时间调整模块。[0050]时间间隔测量模块用于在时间t内测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，得到相位差数据；并在时延控制模块完成相位差数据拟合之后，再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值。[0051]时延控制模块用于采用分段最小二乘法，对相位差数据进行拟合，得到时延补偿参量。[0052]时间延迟补偿模块用于根据时延补偿参量对本地1pps信号进行相位补偿，校正得到1pps同步输出信号；[0053]时间调整模块用于在时间间隔测量模块再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值之时，捕获和记录卫星发送的时间标识信号，并等待1pps同步输出信号的产生首个上升沿时，输出时间标识同步输出信号。[0054]在本实施例中，卫星信号接收模块为gps/北斗接收模块。[0055]如图2所示，本实施例还提供了一种基于时延控制的自主守时方法，采用上述的基于时延控制的自主守时系统，包括以下步骤：[0056]s1、通过卫星信号接收模块接收卫星发送的时间标识信号和1pps信号，并将时间标识信号和1pps信号转递给fpga。[0057]s2、通过原子钟生成本地1pps信号并发送给fpga。[0058]s3、通过fpga运行基于时延控制的自主守时片上子系统，根据卫星发送的1pps信号补偿和校正本地1pps信号，并调整时间标志信号，得到1pps同步输出信号和事件标识同步输出信号。[0059]步骤s3包括以下分步骤：[0060]s31、通过时间间隔测量模块在时间t内测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，得到相位差数据t为测量时间，取值为闭区间[0，t]内的实数。[0061]本实施例的t为一天。[0062]s32、通过时延控制模块，采用分段最小二乘法，对相位差数据进行拟合，得到时延补偿参量k＝[k1，k2，…，kn]，其中，k1至kn为时延补偿参量k的第1至第n分量，n为分段最小二乘法的段数。[0063]步骤s32包括以下分步骤：[0064]s321、将时间段[0，t]划分为[0，t1)、[t1，t2)、…、[tn-1，t]共n段，在本实施例中，n为4。[0065]s322、在每个时间段内均采用最小二乘法拟合相位差数据和其测量时间t，分别得到k1，k2，…，kn，构成时延补偿参量k。[0066]本实施例的拟合结果如图3所示。[0067]s33、通过时间间隔测量模块再次测量卫星发送的1pps信号与本地1pps信号之间的相位差，作为初始相位差值；并通过时间调整模块对卫星发送的时间标识信号进行捕获和记录。[0068]s34通过时间延迟补偿模块，根据初始相位差值和时延补偿参量，采用下式，对本地1pps信号进行相位补偿，校正得到1pps同步输出信号：[0069][0070]其中，为对本地1pps信号进行相位补偿的数值，为初始相位差值。[0071]s35、通过时间调整模块在捕获和记录卫星发送的时间标识信号之后，当1pps同步输出信号的产生首个上升沿时，输出时间标识同步输出信号。[0072]此后，卫星授时的信号输入便不再需要，本实施例可由单片机输入的补偿数据和初始相位差进行延迟同步，不断修正输出。[0073]综上，本发明技术方案带来以下有益效果：[0074]1)由于传统的卫星授时需要在卫星信号的实时参与，无法保证在卫星信号受到干扰的前提下使用。本发明提出的自主守时系统及方法，可以在进行一段时间测量的基础上，进行短期内的无卫星自主守时，保证卫星干扰情况下的时间同步。[0075]2)现有的光纤时间频率传递技术成本是高昂的。本发明提出的实现方案在撇去光纤铺设的高昂费用之外，仅仅有fpga操作平台的不同，作为临时的时间频率标准源具有很高的性价比。[0076]3)现有的时间传递技术难以适应移动性的目标。由于本发明可以摆脱卫星信号自主守时，所以也保证了其良好的移动性。[0077]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。[0078]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。