锁相环百皮秒级时钟调控方法、装置及系统和存储介质

本发明涉及全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)高精度时钟调控与时频同步，特别是涉及一种锁相环百皮秒级时钟调控方法、装置及系统和存储介质。

背景技术：

1、时钟的调控一般包括调相和调频两种方式。调相是指直接跳变本地时钟的相位到预设的相位值，但频繁的调相会导致时钟输出信号的相位不连续，并引起频率突变，降低时钟的稳定度。相比之下，调频通过缓慢改变时钟输出信号的频率，避免了相位跳变，确保时钟相位的稳定性。根据调相和调频对时钟的影响，通常在晶振时钟刚刚上电时，晶振时钟与时间参考之间存在较大的钟差。因此，可以采用相位粗调的方式快速将时钟差收敛，使本地时钟的相位接近参考信号。而在钟差较小的情况下，则采用频率精细调整的方法，使钟差相位缓慢收敛，同时尽可能少地破坏时钟自身的频率稳定性。这种调控策略可以平衡时钟的精度和稳定性要求。

2、北斗卫星导航系统具有全天候全频段对全球进行定位导航授时服务能力。在授时领域，利用北斗接收机进行授时具有精度高、成本低和稳定等特点，授时接收机将在授时领域得到越来越广泛的运用。当北斗授时接收机在高精度时频应用时，需要利用时钟调控模型对晶振进行精准控制。北斗授时接收机进行单向授时，其精度取决于卫星星历产品的精度。对于伪距单点定位技术，利用广播星历解算的接收机钟差的精度约为20纳秒。因此，现有实现精准授时的方式存在有以下缺陷：振时钟调控时对实时精密轨道和钟差产品具有很强的依赖性，采用北斗共广播星历调控ocxo晶体振荡器精度差。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种锁相环百皮秒级时钟调控方法、装置及系统和存储介质，结合载波相位观测的精密单点定位技术，利用精密卫星轨道和钟差解算的接收机钟差的精度在0.2纳秒左右。在高精度数据处理中，通过载波相位差分观测不仅可消除星历残差和大气残差等误差，而且恢复了双差整周模糊度的整数特性，可以快速实现百皮秒级的时频服务。利用载波相位差分时间传递，接收机从网络端接收参考站的观测值信息，避免了依赖精密卫星轨道和钟差产品的缺点。

2、根据本发明的第一方案，提供了一种锁相环百皮秒级时钟调控方法，所述方法包括：

3、根据振荡器时钟的历元间接收机钟差得到：

4、

5、式中，“[·]”表示四舍五入取整，y(i)表示历元i的时钟调控量，tepoch表示相邻历元之间的时间间隔，z为压控晶体振荡器的最小数字调节量，初始化期间，dpt时间传递估计的接收机钟差表示为：

6、dtr(i)＝ttran (i)+dtr′(i)                                        (2)

7、其中，dtr(i)是初始化期间估计的接收机钟差，ttran(i)是dpt初始化期间的误差，dtr′(i)是接收机钟差；

8、在第一次估计接收机钟差之后，接收机晶体振荡器通过频率控制进行调整，在振荡过程中增加一个预期的时间长度t0，通过设置频率补偿的预期时间长度t0来获得接收机的预期钟差变化量，计算如式(3)所示：

9、

10、对应的时钟调控量为：

11、

12、在本地晶体振荡器实时控制的过程中，对每个历元进行迭代计算，以确保dpt收敛后的晶振时钟利用式(4)锁定时频参考；

13、获取参考时间与被控晶振的频率偏差，利用数模转换器将数字量频率偏差转换成对应的电压调节值，并利用所述电压调节值对晶振进行实时调整，频率调节范围为：

14、fa＝f0±δf                                                 (5)

15、其中f0为ocxo晶振的标称频率值；±δf为ocxo晶振的实际工作频率与标称频率偏差的可调节的上下界；

16、估计最小频率偏差的调节值为：

17、

18、式中，vmax为可调节的最大电压值，vmin为可调节的最小电压值，v为可调节电压区间，fmax为可调节的最大频率值，fmin为可调节的最小频率值，通过式(6)可实现频率偏差向电压调节量的转换。

19、进一步地，所述方法还包括：

20、通过如下公式计算稳态相差：

21、

22、其中为稳态相差，e(s)为误差传递函数，θi(s)为输入信号；

23、二阶环由一个积分器和一个常数项组成，即

24、

25、式中，τ1表示积分器的系数，τ2表示常数项的系数；

26、环路传递函数h(s)和误差传递函数e(s)分别表示为：

27、

28、

29、式中，k1表示二阶锁相环电路中的数模转换器的系数，k2表示二阶锁相环电路中的ocxo的系数，s表示自动控制原理里的拉普拉斯变换的变量；

30、将式(8)和(9)中分母写成归一表达，得到：

31、

32、式中ωn表示环路的特征频率，ζ表示阻尼系数；通过式(10)，环路的传递函数h(s)和误差传递函数e(s)表示为：

33、

34、根据各项噪声的叠加，二阶锁相环的输出噪声的功率谱密度so(f)表示为：

35、so(f)＝sref(f)+sdac(f)+socxo(f)                                  (12)

36、其中，sref(f)和socxo(f)分别表示为精密时间传递噪声功率谱密度和振荡器自由振荡功率谱密度，sdac(f)表示为数模转换模块引入的相位抖动噪声功率谱密度，通过数模转换量化噪声建模，实现二阶锁相环路参数的确定；

37、根据对输入噪声的抑制效果确定阻尼系数ζ；

38、根据总输出相位方差确定特征频率ωn。

39、进一步地，确定的阻尼系数ζ＝0.707。

40、进一步地，根据总输出相位方差确定特征频率ωn，包括：

41、基于系统总输出相位方差最小原则，确定二阶锁相环的等效噪声带宽bn为：

42、

43、将带宽bn取为交点频率fc，通过式(14)获得特征频率ωn：

44、

45、根据本发明的第二技术方案，提供一种锁相环百皮秒级时钟调控装置，所述装置包括时钟精密调控模块，所述时钟精密调控模块被配置为：

46、根据振荡器时钟的历元间接收机钟差得到：

47、

48、式中，“[·]”表示四舍五入取整，y(i)表示历元i的时钟调控量，tepoch表示相邻历元之间的时间间隔，z为压控晶体振荡器的最小数字调节量，初始化期间，dpt时间传递估计的接收机钟差表示为：

49、dtr(i)＝ttran (i)+dtr′(i)                                        (2)

50、其中，dtr(i)是初始化期间估计的接收机钟差，ttran(i)是dpt初始化期间的误差，dtr′(i)是接收机钟差；

51、在第一次估计接收机钟差之后，接收机晶体振荡器通过频率控制进行调整，在振荡过程中增加一个预期的时间长度t0，通过设置频率补偿的预期时间长度t0来获得接收机的预期钟差变化量，计算如式(3)所示：

52、

53、对应的时钟调控量为：

54、

55、在本地晶体振荡器实时控制的过程中，对每个历元进行迭代计算，以确保dpt收敛后的晶振时钟利用式(4)锁定时频参考；

56、获取参考时间与被控晶振的频率偏差，利用数模转换器将数字量频率偏差转换成对应的电压调节值，并利用所述电压调节值对晶振进行实时调整，频率调节范围为：

57、fa＝f0±δf                                               (5)

58、其中f0为ocxo晶振的标称频率值；±δf为ocxo晶振的实际工作频率与标称频率偏差的可调节的上下界；

59、估计最小频率偏差的调节值为：

60、

61、式中，vmax为可调节的最大电压值，vmin为可调节的最小电压值，v为可调节电压区间，fmax为可调节的最大频率值，fmin为可调节的最小频率值，通过式(6)可实现频率偏差向电压调节量的转换。

62、进一步地，所述装置还包括晶振时钟调控模块，所述晶振时钟调控模块被配置为：

63、通过如下公式计算稳态相差：

64、

65、其中为稳态相差，e(s)为误差传递函数，θi(s)为输入信号；

66、二阶环由一个积分器和一个常数项组成，即

67、

68、式中，τ1表示积分器的系数，τ2表示常数项的系数；

69、环路传递函数h(s)和误差传递函数e(s)分别表示为：

70、

71、

72、式中，k1表示二阶锁相环电路中的数模转换器的系数，k2表示二阶锁相环电路中的ocxo的系数，s表示自动控制原理里的拉普拉斯变换的变量；

73、将式(8)和(9)中分母写成归一表达，得到：

74、

75、式中ωn表示环路的特征频率，ζ表示阻尼系数；通过式(10)，环路的传递函数h(s)和误差传递函数e(s)表示为：

76、

77、根据各项噪声的叠加，二阶锁相环的输出噪声的功率谱密度so(f)表示为：

78、so(f)＝sref(f)+sdac(f)+socxo(f)                                  (12)

79、其中，sref(f)和socxo(f)分别表示为精密时间传递噪声功率谱密度和振荡器自由振荡功率谱密度，sdac(f)表示为数模转换模块引入的相位抖动噪声功率谱密度，通过数模转换量化噪声建模，实现二阶锁相环路参数的确定；

80、根据对输入噪声的抑制效果确定阻尼系数ζ；

81、根据总输出相位方差确定特征频率ωn。

82、进一步地，确定的阻尼系数ζ＝0.707。

83、进一步地，所述晶振时钟调控模块被进一步配置为：

84、基于系统总输出相位方差最小原则，确定二阶锁相环的等效噪声带宽bn为：

85、

86、将带宽bn取为交点频率fc，通过式(14)获得特征频率ωn：

87、

88、根据本发明的第三技术方案，提供一种锁相环百皮秒级时钟调控系统，所述系统包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的方法。

89、根据本发明的第四技术方案，提供一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行如上所述的方法。

90、根据本发明各个方案的锁相环百皮秒级时钟调控方法、装置及系统和存储介质，其至少具有以下技术效果：

91、(1)本发明具有良好的可用性：利用载波相位单差时间传递可以精准传递高精度时频参考源，从而大大减弱了时间传递引入的误差对时钟调控的影响。

92、(2)实时性：本方法可以在时间同步/授时接收机内进行实时精准晶振时钟调控，并且能在终端实时复现出与参考时钟一致的时间和频率结果。

93、(3)可扩展性强：本方法可以满足不同长度基线场景下的百皮秒级别的时频同步，成本低，机动性强。

94、(4)本发明避免了晶振时钟调控时对实时精密轨道和钟差产品的依赖，同时也解决了采用北斗共广播星历调控ocxo晶体振荡器精度差的问题。