一种基于卫星导航信号的授时装置和方法与流程

1.本发明属于时频测试技术领域，特别是涉及一种基于卫星导航信号的授时装置和方法。背景技术：2.在现有技术中，利用卫星导航信号进行时频信号产生时，通常是使用独立的卫星授时模块接收卫星导航信号，测量本地参考频率的偏差，调整本地参考频率使输出参考频率准确，输出秒脉冲信号，同时记录本地参考源的调整信息，驯服本地参考源。3.这里，由于独立的卫星授时模块与本地参考源不同源，即采用不同的参考源，主要是因为卫星授时模块使用自身所带的独立参考源。那么对本地参考信号与卫星导航信号之间的频差进行频差测量的测量部分，与调整本地参考频率的调整部分之间就是异源的。基于这种原理进行授时输出时，产生的秒定时存在较大的量化误差，精准度不高，只能达到10-8至10-9的量级，以及对秒脉冲的出现相位调控也是有限，存在秒脉冲的相位偏差。技术实现要素：4.本发明主要解决的技术问题是提供一种基于卫星导航信号的授时装置和方法，解决现有技术中时频测量不同源、授时秒脉冲精度不高、相位偏差调控有限的问题。5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于卫星导航信号的授时装置，包括本地参考源、本地倍频器、信号接收与源差测量模块、可控分频模块、参数生成模块和可控延时模块，所述本地参考源输出本地参考信号，经过本地倍频器倍频后，输入至所述信号接收与源差测量模块，所述信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输出至所述参数生成模块；所述本地参考信号经过本地倍频器倍频后，还输入到所述可控分频模块作为主时钟，所述参数生成模块产生输出频率调整值，对所述主时钟进行分频产生秒脉冲信号，再输入到所述可控延时模块，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。6.优选的，所述信号接收与源差测量模块包括变频子模块、解调子模块和源差计算模块，所述变频子模块基于所述本地参考信号的实际频率值f0'，进行倍频后的本地载波信号的实际频率值fc'＝mf0'，其中m表示倍频值，对输入的卫星导航信号fsz进行下变频处理，得到低中频信号输入到解调子模块，并且所述变频子模块还输出载波频差δfc'，所述解调子模块利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块还输出跟踪频差δfc”，所述载波频差和跟踪频差相加δfc'+δfc”＝fc'-fsz，再由源差计算模块计算得到本地参考信号的源差值其中，f0表示本地参考源的标称频率，f0'＝fc'/m＝(δfc'+δfc”+fsz)/m。7.优选的，所述可控分频模块包括第一加法器和延时寄存器，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器，并且与延时寄存器存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，第一加法器对输入的频率调整值进行更新，并继续进行累加，所述第一加法器还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器，所述边沿检测器输出所述秒脉冲信号。8.优选的，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器与所述边沿检测器之间的级联的第二加法器，所述第二加法器接收来自所述信号接收与测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器输出的结果相加后再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。9.优选的，所述参数生成模块得到本地参考信号的源差值σs，本地参考信号的实际频率值f′0＝f0(σs+1)，经过k倍频后，得到主时钟的实际频率是kf′0，当产生一个周期为tx的周期脉冲输出，则对应得到频率调整值为2n/kf′0tx，n表示dds的相位累加器的字长。10.优选的，所述可控分频模块向所述可控延时模块输出本地秒脉冲和相位差，所述可控延时模块利用所述相位差，延时调控本地秒脉冲与卫星时一致并输出。11.基于同一构思，本发明还提供一种基于卫星导航信号的授时方法，包括步骤：测量接收，接收卫星导航信号，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；可控分频，利用所述本地参考信号的源差值进行频率调整，通过可控分频产生本地秒脉冲；延时校准，对所述本地秒脉冲进行延时调控，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。12.优选的，在所述测量接收步骤中，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量的方法包括：13.对所述本地参考信号进行倍频得到本地载波信号，利用所述本地载波信号对所述卫星导航信号进行解调接收，实时得到本地载波信号与卫星导航信号的实际频差，利用所述卫星导航信号的实际频率和所述实际频差，计算得到所述本地载波信号的实际频率，进而得到所述本地参考信号的实际频率，利用所述本地参考信号的实际频率和标称频率，计算得到所述本地参考信号的源差值。14.优选的，在所述可控分频步骤中，本地参考信号的源差值σs，本地参考信号的实际频率值f′0＝f0(σs+1)，经过k倍频后，得到主时钟的实际频率是kf′0，当产生一个周期为tx的周期脉冲输出，则对应得到频率调整值为2n/kf′0tx，n表示dds的相位累加器的字长。优选的，在所述延时校准步骤中，先通过测量本地秒脉冲相对于卫星时的相位差，再利用所述相位差，延时调控本地秒脉冲与卫星时一致并输出。15.本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于卫星导航信号的授时装置和方法，该装置包括本地参考源、信号接收与源差测量模块、可控分频模块、参数生成模块和可控延时模块，信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对本地参考信号进行源差测量，得到源差值本地参考信号的源差值；本地参考信号还输入到可控分频模块产生主时钟，参数生成模块利用本地参考信号的源差值产生输出频率调整值，对主时钟进行分频产生秒脉冲信号，再输入到可控延时模块，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地秒时间的计量准确度，在同等测量精度下具有实现成本低、应用范围广等优势。附图说明16.图1是本发明基于卫星导航信号的授时装置一实施例的组成示意图；17.图2是本发明基于卫星导航信号的授时装置另一实施例中信号接收与源差测量模块组成示意图；18.图3是本发明基于卫星导航信号的授时装置另一实施例中可控分频模块组成示意图；19.图4是本发明基于卫星导航信号的授时装置另一实施例中可控分频模块的产生的波形示意图；20.图5是本发明基于卫星导航信号的授时装置另一实施例中秒时刻校准时序示意图；21.图6是本发明基于卫星导航信号的授时装置另一实施例中可控延时时序示意图；22.图7是本发明基于卫星导航信号的授时方法一实施例的流程图。具体实施方式23.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。24.需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。25.下面结合附图，对各实施例进行详细说明。26.图1是基于卫星导航信号的授时装置一实施例的组成示意图。由图1可以看出，该基于卫星导航信号的授时装置包括本地参考源11、信号接收与源差测量模块12、可控分频模块14、参数生成模块13和可控延时模块15，所述本地参考源11输出本地参考信号，输入至所述信号接收与源差测量模块12，所述信号接收与源差测量模块12接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值，再输出至所述参数生成模块13；27.所述本地参考信号还输入到所述可控分频模块14产生主时钟，所述参数生成模块13产生输出频率调整值，对所述主时钟进行分频产生秒脉冲信号，再输入到所述可控延时模块15，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。28.优选的，在实际应用中，信号接收与源差测量模块12和可控分频模块14可以分别包括倍频器，可以在信号接收与源差测量模块12和可控分频模块14内部，分别实现对本地参考源11输入的本地参考信号进行倍频，倍频值可以不同，以及还可以基于本地参考信号进行频率合成，产生需要的多种频率成分。但是，这些频率成分都是以本地参考信号为参考时钟，因此具有同源的特性，具有相同的同源频率精度。29.优选的，对于信号接收与源差测量模块12而言，其通过卫星天线而接收卫星导航信号，完成对卫星导航信号的下变频和解调，从中得到卫星导航信号，该接收过程中利用本地参考源输出的本地参考信号进行下变频和解调中载波环路跟踪。因此，信号接收与源差测量模块12是以本地参考源11输出的本地参考信号作为源信号进行信号接收的，并且，在该装置中本地参考源11也为可控分频模块提供信号源，由此保证了在该装置中的本地参考源11是统一的参考源，确保了产生秒脉冲的各个模块的同源性。30.随着gps、北斗等卫星导航定位模块和芯片的普及使用，具有较低的市场价格，信号接收与源差测量模块12的成本会明显降低。同时对产生本地参考信号的本地参考源的精度要求也不高，只需要是恒温晶振、温补晶振即可，而不需要价格较高的原子钟，由此也可以降低价格。31.对于本发明而言，本地参考源11包括石英晶体、恒温晶振、温补晶振等低成本的常用参考源，这些参考源会存在老化和漂移的问题，也就是说存在一个随时间推移出现频率改变的问题，或者说是一个频率稳定度的问题，例如石英晶体的频率稳定度可达10-9/日，甚至10-11/日，对于10mhz的石英晶体，频率在一日之内的变化一般不大于0.1hz。石英晶体的频率稳定度要比恒温晶振的频率稳定度低，表现在石英晶体的频率要比恒温晶振的频率随时间推移的变化更大或更快，那么对于参考源存在的频率动态变化问题，就需要能够准确的测量出其实际的频率值，并且还能够保持这种测量的动态性和实时性。32.本发明利用接收卫星导航信号载波解调和电文星历获得准确的卫星导航信号的载波频率，其准确度在10-13至10-14的量级，利用该高精度等级的测量信号，可以获得的本地参考信号的源差值σs的精度可以达到10-11至10-12的量级。尽管本地参考源存在频率稳定度较低的问题，这些参考源的频率会随着时间推移发生漂移，但是通过本发明的方法可以对其实际的频率进行高精度的测量，从而获得精准度非常高的实际频率测量值，并且这种测量具有实时性。33.优选的，参考图2，所述信号接收与源差测量模块包括变频子模121和解调子模块122，所述变频子模块121利用基于所述本地参考信号进行倍频后的本地载波信号，对输入的卫星导航信号进行下变频处理，得到低中频的基带信号输入到解调子模块122，并且所述变频子模块121还输出载波频差，所述解调子模块122利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块122还输出跟踪频差，所述载波频差和跟踪频差经过加法器123相加后，再由源差计算模块124计算得到所述源差值。34.优选的，对于卫星导航信号而言载波通常在l波段，变频子模块121接收来自本地参考源11的本地参考信号f0'(实际频率值)后，在其内部进行倍频，得到本地载波信号fc'(实际频率值)，则有fc'＝mf0'，其中m表示倍频值，然后与卫星导航信号的载波fsz进行混频(注意这里卫星导航信号的载波fsz是实际值，由于卫星导航信号具有非常高的精准度，该频率值是高精准度的频率值,可以通过解调信息中的星历和链路计算准确获得，也代表了卫星导航信号载波频率的真实值)。得到低中频的基带信号输出给解调子模块122，同时变频子模块121输出相对于卫星导航信号的载波fsz的载波频差δfc'，相当于粗频差，解调子模块122对输入的低中频基带信号进行解调环路跟踪处理，进一步实时获得本地载波信号与卫星导航信号载波的跟踪频差δfc”，相当于细频差，然后再通过加法器123将载波频差与跟踪频差相加δfc'+δfc”，相当于粗频差与细频差相加，由此就可以获得本地载波信号相对于卫星导航信号载波频率的实际频差δfc＝fc'-fsz＝δfc'+δfc”。这里的δfc'和δfc”均可以是正值也可以是负值，具体是由实际偏差情况决定。35.进一步的，对于本地参考源而言，其实际输出的本地参考信号的频率应该是f0'＝fc'/m＝(δfc'+δfc”+fsz)/m，则本地参考信号的源差值即为其中，f0表示本地参考源的标称频率。图2中，该本地参考信号的源差值σs是由源差计算模块124根据加法器123输出的实际频差计算得到并输出。36.进一步的，该源差值σs是以秒间隔进行更新输出的，这样就可以保证可控分频模块14的秒时钟输出时也是以秒间隔进行误差调整的，由此可以保证不必进行长时间观测才能获得高精度的秒时钟输出。37.进一步的，图1中的参数生成模块13根据源差值σs产生可控分频模块14输出秒脉冲所需的频率调整值。以下结合可控分频模块14的组成进一步说明，如何根据该源差值σs控制输出秒脉冲的。38.结合图1，对于可控分频模块14，其输入的是本地参考信号经过本地倍频器倍频后作为主时钟，对该主时钟进行控制分频可以得到秒脉冲输出，但由于本地参考信号的精准度和稳定性需要根据卫星导航信号进行误差修正，因此就需要根据得到的源差值σs来对本地参考信号进行动态校正才能保证输出高精度的秒脉冲。39.优选的，可控分频模块14是以直接数字式频率合成器(dds，direct digital synthesizer)作为核心器件，该dds对输入的主时钟进行分频来得到秒脉冲，或者该dds以固定的相位间隔进行累加而得到一个秒周期，而该相位间隔则需要根据本地参考信号的实际频率进行调整。例如，根据前述，本地参考信号的标称频率是f0，经过测量得到的源差值σs，则本地参考信号的实际频率f′0＝f0(σs+1)，经过本地倍频器后，倍频值是k，则主时钟的实际频率是kf′0，当以该主时钟的实际频率kf′0进行分频时，n表示dds的相位累加器字长，最小相位间隔就是2π/2n，例如当要实现对主时钟的二分频时，频率调整值为2n-1，对应的相位累加步进是π，对主时钟进行四分频时，对应的频率调整值为2n-2，对应的相位累加步进是π/2，依次类推。40.因此，当获得准确的主时钟的实际频率kf′0后，要产生一个周期为tx的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为2n/kf′0tx，对应的相位累加步进是2π/kf′0tx。41.因此，以该主时钟为时钟源，当每一个主时钟周期累积一个步长2n/kf0(σs+1)，那么经过kf0(σs+1)个主时钟就可以输出一个秒脉冲。但是由于本地参考信号的实际频率f′0的偏差存在，就需要不断进行偏差测量，也就是每一秒钟测量输出一次源差值σs，通过每秒不断更新该源差值σs来动态调整累积的步长间隔2n/kf0(σs+1)。图1中的参数生成模块13就是要把2n/kf0(σs+1)转换为可控分频模块14中的dds的频率调整值，并保持很高的数值精度，例如用16位至32位的二进制数来表示该频率调整值，其中2n/kf0(σs+1)中n值就是代表不同二进制位数。42.实际应用中，会存在2n/kf0(σs+1)值较小的情况，也即是2n取值有限，而kf0(σs+1)取值较大，这种情况下并不是直接产生输出秒脉冲，而是产生输出周期较短的周期脉冲，即前述的产生一个周期为tx的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为2n/kf′0tx，例如10ms周期的ftf(fundamental time frame基本时帧)脉冲，然后每100个ftf脉冲中选取一个序号的脉冲作为秒脉冲输出。43.图3和图4进一步显示了可控分频模块14的内部组成及内部波形生成示意图。优选的，所述可控分频模块包括第一加法器141和延时寄存器142，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器141，并且与延时寄存器142存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，所述延时寄存器142自然溢出，然后第一加法器141对输入的频率调整值更新并继续累加，所述第一加法器141还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器144，所述边沿检测器144输出所述秒脉冲信号。44.进一步优选的，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器141与所述边沿检测器144之间的级联的第二加法器143，所述第二加法器143接收来自所述信号接收与源差测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器141输出的结果相加后再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。45.优选的，来自参数生成模块的频率调整值输入到第一加法器141，并且在主时钟的推动下，不断的与在延时寄存器142中累积的数值相加输出。正常情况下，累加到一个秒周期后正好输出一个秒脉冲，然后延时寄存器142中的累加值继续对输入的频率调整值进行周期累加。而在每一个秒周期内，由于在信号接收与源差测量模块中的源差值σs不断的得到校正，相应的也会使得频率调整值得到误差修正，使得输出的秒脉冲更加精准。由此克服了现有技术中测量时长与测量精度之间存在无法调和的矛盾。46.在图4中显示出经过第一加法器141后输出的累加值的信号波形示意图t141，可以看出波形t141为周期累加的三角波，该周期即为一个秒周期，如果对该波形t141直接通过后面的边沿检测器144进行边沿检测，就可以输出秒脉冲信号。47.进一步优选的，在图3中的第一加法器141后面还设置有第二加法器143，第二加法器143将第一加法器141输出的累加值又进一步与信号接收与源差测量模块输出的相位调整值进行累加，从而进一步修正秒脉冲输出的相位误差。该相位调整值主要是针对本地参考信号与卫星载波信号进行源差测量时出现的相位抖动情况进行检测而得到的相位调整值，对应的，在图4中显示了经过第二加法器143后输出的波形t143，可以看出该波形t143在波形t141基础上进行相位调整的示意图，波形t143比波形t141的相位稍有超前。图4中还进一步显示了通过边沿检测器144后对波形t143的边沿检测波形t144。通过加入相位调整值，可以进一步对输出的秒脉冲的相位进行误差修正，有利于对本地参考信号中出现的相位抖动问题进行消除，提高输出秒脉冲的准确度。48.优选的，对于可控分频模块在具体实现时，以频率调整值为步长，以主时钟进行累计，自然溢出产生10ms周期的ftf脉冲，再对ftf脉冲以模100的方式进行计数，即ftf脉冲以编号0-99进行循环输出，其中编号为0的ftf脉冲指定为秒时刻对应的脉冲。这样，相邻的两个秒时刻之间就有100个ftf脉冲。49.优选的，通过解调卫星导航信号中的星历信息，可以得到标准的卫星时，即导航电文中的tod信息和卫星时刻，然后用本地恢复产生的本地时拍信号接收与源差测量模块所恢复的卫星时，得到本地时与卫星时之间的差值即钟差值。以该钟差值为依据，输入可控分频模块的相位调整值，直至钟差值接近0认为本地时刻与卫星时刻的相位同步已建立。50.因此，结合图1和图5，当可控分频模块根据频率调整值产生ftf脉冲后，再将该ftf脉冲反馈输入到信号接收与源差测量模块，由信号接收与源差测量模块对本地时与卫星时之间的差值即钟差值，输入到可控分频模块，作为相位调整值，来调控ftf脉冲对应计数的本地秒时刻的输出相位，主要是基于ftf脉冲是由主时钟推动dds方式产生，其输出时刻为本地主时钟时刻，当落后于卫星时的真实时刻(精度是1个主时钟周期)，通过dds跳变沿的尾数可以对该时延进行修正，即在dds跳变沿的尾数通过修改其中累积的步长的数值来进行相位调控。通过图5显示内容，可以示意性的看出本地时相对于卫星时的修正过程。51.因此，对于参数生成模块输出的频率调整值，决定了输出秒脉冲频率(或者周期)的准确性；通过信号接收与源差测量模块输出的相位调整值决定了输出秒脉冲的时刻准确性。52.进一步的，如图6所示，由于可控分频模块的是由主时钟进行分频得到秒脉冲，因此秒脉冲的输出最小精度是由主时钟的一个周期长度决定的，如果本地秒脉冲时刻相对于卫星时时刻的钟差值或相位差小于一个主时钟的周期时，就会产生栅栏效应而难以调控本地秒时刻接近卫星时时刻，对应的由可控延时模块来解决。53.结合图1和6，可控分频模块输出的秒脉冲pps是由ftf脉冲周期产生输出，而可控分频模块输出的相位差，这是本地秒时刻相对于卫星时小于一个主时钟周期的钟差，则通过可控延时模块延时后，输出延时可控的秒脉冲输出。54.基于同一构思，本发明还提供了一种基于卫星导航信号的授时方法实施例，由图7可以看出，该基于卫星导航信号的授时方法包括：55.步骤s1，测量接收，接收卫星导航信号，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；56.步骤s2，可控分频，利用所述本地参考信号的源差值进行频率调整，通过可控分频产生本地秒脉冲；57.步骤s3，延时校准，对所述本地秒脉冲进行延时调控，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。58.优选的，在步骤s1所述测量接收中，利用所述卫星导航信号对所述本地参考信号进行源差测量的方法包括：59.对所述本地参考信号进行倍频得到本地载波信号，利用所述本地载波信号对所述卫星导航信号进行解调接收，实时得到本地载波信号与卫星导航信号的实际频差，利用所述卫星导航信号的实际频率和所述实际频差，计算得到所述本地载波信号的实际频率，进而得到所述本地参考信号的实际频率，利用所述本地参考信号的实际频率和标称频率，计算得到所述本地参考信号的源差值。具体可以参考前面对图2实施例的说明，这里不再赘述。60.优选的，在所述可控分频步骤中，本地参考信号的源差值σs，本地参考信号的实际频率值f′0＝f0(σs+1)，经过k倍频后，得到主时钟的实际频率是kf′0，当产生一个周期为tx的周期脉冲输出，则对应得到频率调整值为2n/kf′0tx。具体可以参考前面对图3-4实施例的说明，这里不再赘述。61.优选的，在所述延时校准步骤中，先通过测量本地秒脉冲相对于卫星时的相位差，再利用所述相位差，延时调控本地秒脉冲与卫星时一致并输出。具体可以参考前面对图5-6实施例的说明，这里不再赘述。62.在前述实施例的基础上，本发明实现了准确的秒脉冲输出，并且大大提高了秒周期和秒时刻输出的准确度，能够将输出秒周期的准确度和稳定度达到10-12量级。63.基于上述实施例说明，本发明公开了一种基于卫星导航信号的授时装置和方法，该装置包括本地参考源、信号接收与源差测量模块、可控分频模块、参数生成模块和可控延时模块，信号接收与源差测量模块接收卫星导航信号，对本地参考信号进行源差测量，得到本地参考信号的源差值；本地参考信号还输入到可控分频模块产生主时钟，参数生成模块利用本地参考信号的源差值产生输出频率调整值，对主时钟进行分频产生秒脉冲信号，再输入到可控延时模块，得到相对于卫星时校准的可控秒脉冲输出。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地秒时间的计量准确度，在同等测量精度下具有实现成本低、应用范围广等优势。64.以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。