專利名稱：一種新型gps冗余授時(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種授時(shí)方法，主要是衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前我國(guó)大部分分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如CDMA網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等都采用GPS 授時(shí)。通常的做法是采用一個(gè)GPS天線，主設(shè)備內(nèi)嵌GPS授時(shí)接收機(jī)，主設(shè)備 與GPS授時(shí)接收機(jī)輸出的時(shí)間同步。如果GPS系統(tǒng)一旦不可用，主設(shè)備無(wú)法實(shí) 現(xiàn)同步，分布式網(wǎng)絡(luò)面臨崩潰的局面。
除GPS外還有多種無(wú)線授時(shí)的方法，如我國(guó)的北斗雙星系統(tǒng)、俄羅斯的 GLONASS系統(tǒng)等。在GPS不能使用的情況下，采用其他的時(shí)頻基準(zhǔn)，使分散 型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。可確保在GPS不能使用的情況下，繼續(xù)保持各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 時(shí)間同步。為了提高授時(shí)的可靠性，需要有冗余的授時(shí)方法。然而，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備 在設(shè)計(jì)時(shí)只留有一個(gè)GPS天線入口 ，此外再無(wú)其他外部時(shí)間接口 。
GPS授時(shí)的基本原理是在GPS定位后，通過(guò)定位可獲取衛(wèi)星與GPS接收機(jī) 之間的距離，在接收機(jī)恢復(fù)出GPS衛(wèi)星的1PPS (1 Pulse per second)后，通過(guò) 扣除衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)延，即可恢復(fù)衛(wèi)星時(shí)間。
由于許多大型通信網(wǎng)絡(luò)都是基于GPS授時(shí)實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)的時(shí)間同步的。單個(gè)設(shè) 備內(nèi)部有GPS授時(shí)接收機(jī)，授時(shí)接收機(jī)接收GPS信號(hào)，恢復(fù)出GPS衛(wèi)星信號(hào) 的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備與GPS衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間同步。由于每臺(tái)設(shè)備都與GPS 時(shí)間同步，叢而保證了整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。
為了防止出現(xiàn)GPS不可用而造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，需要給設(shè)備增加外部時(shí)間 基準(zhǔn)。將設(shè)備改造為外部授時(shí)可采用這樣的方法采用外部接收機(jī)恢復(fù)出外部 衛(wèi)星的信號(hào)，再通過(guò)串口將時(shí)間信號(hào)輸入至設(shè)備，達(dá)到設(shè)備與外部系統(tǒng)時(shí)間同 步的需要。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但需要設(shè)備留有外部時(shí)鐘接口。對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn) 行改造將耗資巨大，實(shí)施起來(lái)相當(dāng)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的主要技術(shù)問(wèn)題是無(wú)需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行任何修改即可實(shí)現(xiàn)授 時(shí)，解決了無(wú)外部時(shí)間接口的設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的問(wèn)題。
本方法是利用外部接收機(jī)恢復(fù)出時(shí)間基準(zhǔn)后，基于該時(shí)間基準(zhǔn)通過(guò)數(shù)學(xué) 仿真和射頻仿真，產(chǎn)生模擬的GPS信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的GPS天線入口
3接入，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部的GPS授時(shí)接收機(jī)接收該信號(hào)后獲得時(shí)間信息，該信息與 外部時(shí)間基準(zhǔn)一致。
GPS射頻信號(hào)模擬的授時(shí)流程如圖1所示，外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間形式為1PPS和串
口 TOD (Time of Day)信息。夕卜部1PPS和和串口 TOD (Time of Day)信息輸 入到GPS射頻信號(hào)模擬機(jī)上，GPS射頻信號(hào)模擬機(jī)連接現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的GPS接收機(jī)。 由于GPS射頻信號(hào)模擬有一段延時(shí)，因此對(duì)輸入的1PPS需要進(jìn)行超前校正。 為了實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)模擬，需要完成以下流程
1、 時(shí)間信息獲取與時(shí)鐘馴服
采用外部授時(shí)模塊即可獲得。外部基準(zhǔn)時(shí)間來(lái)源可以是衛(wèi)星接收機(jī)，如 GLONASS授時(shí)接收機(jī)、北斗授時(shí)接收機(jī)等；也可以是某時(shí)頻設(shè)備提供的基準(zhǔn)時(shí) 間。時(shí)間信息通常包括1PPS (1 pulse per second)和時(shí)間數(shù)據(jù)信息，時(shí)間數(shù)據(jù)信 息指示該lpps對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻，1PPS和時(shí)間數(shù)據(jù)信息均為l秒更新一次。當(dāng)外 部授時(shí)模塊為衛(wèi)星接收機(jī)時(shí)，其提供的1PPS具有較大的抖動(dòng)，不利于射頻信號(hào) 發(fā)生；利用其提供的1PPS對(duì)本地高穩(wěn)晶振進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，并確保利用高穩(wěn)晶振 分頻產(chǎn)生的lpps與接收機(jī)的1PPS之間的時(shí)間間隔在允許的范圍內(nèi)。外部接收 機(jī)產(chǎn)生的IPPS用來(lái)對(duì)本地頻綜進(jìn)行馴服。
2、 GPS電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真
信號(hào)模擬的目的是使GPS接收機(jī)產(chǎn)生與外部時(shí)刻一致的時(shí)間信息，首先信 號(hào)模擬要讓GPS接收機(jī)產(chǎn)生本地的定位，而真實(shí)模擬GPS衛(wèi)星信號(hào)是比較困難 的，需要建立GPS衛(wèi)星軌道模型，進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)。因此 采用偽造GPS電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法。首先根據(jù)設(shè)備實(shí)際位置產(chǎn)生一組GPS電 文和觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)產(chǎn)生的射頻信號(hào)能讓GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)置定位。
然而，光實(shí)現(xiàn)定位還無(wú)法達(dá)到授時(shí)的目的，必須要讓GPS接收機(jī)恢復(fù)出外 部世界的真實(shí)時(shí)間。因此必須對(duì)偽造的電文中與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。 導(dǎo)航電文中與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)主要是整周數(shù)和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)，分別位于第一子楨 的31~52BIT和61 70BIT。在獲取外部真實(shí)時(shí)間后，實(shí)時(shí)調(diào)整電文中的參數(shù)， 考慮到信號(hào)產(chǎn)生的延時(shí)，需要進(jìn)行超前處理。采用超前1S的方法，在外部真實(shí) 時(shí)間的基礎(chǔ)上增加IS,調(diào)整電文中的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)接收機(jī)恢復(fù)的時(shí)間與外部 同步。
3、 射頻信號(hào)模擬真實(shí)的GPS衛(wèi)星射頻信號(hào)產(chǎn)生流程如下偽碼發(fā)生器產(chǎn)生1.023MHz的C/A 偽隨機(jī)碼，GPS的導(dǎo)航電文速率為50bps，導(dǎo)航電文首先與該C/A碼疊加，這樣 產(chǎn)生了基帶信號(hào)；在GPS衛(wèi)星上，基帶信號(hào)被調(diào)制到LI載頻，然后通過(guò)天線 釋放。接收機(jī)接收到的射頻信號(hào)與衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號(hào)對(duì)比，其接收到的信號(hào) 是經(jīng)過(guò)傳輸延遲的信號(hào)；此外由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星與接收機(jī)之間具有相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，由于多普勒效應(yīng)，接收機(jī)接收到的射頻信號(hào)頻率產(chǎn)生了變化。
射頻信號(hào)模擬過(guò)程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是模擬信號(hào)的傳輸延遲和多普勒效應(yīng)。 其傳輸延遲用偽距來(lái)表示，考慮到偽距的連續(xù)性，觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含偽距的速度、 加速度，利用差補(bǔ)的方法可獲得高精度的連續(xù)的偽距變化。獲得采用延遲濾波 器的方法實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的延遲，采用多階數(shù)字濾波器的方法，利用高性能數(shù)字 信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)，可獲得精度為ns級(jí)的延遲精度；同樣采用數(shù)字信號(hào)處理的 方法對(duì)基帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)多普勒處理，可獲得1HZ的頻率分辨率。
真實(shí)的多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)在空間合成，而模擬的GPS衛(wèi)星信號(hào)在數(shù)字域?qū)?現(xiàn)疊加合成。采用地址發(fā)生器產(chǎn)生12顆衛(wèi)星的特征碼，分別與對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航電文 進(jìn)行疊加，合成的基帶信號(hào)通過(guò)正交射頻調(diào)制，調(diào)制為L(zhǎng)1頻點(diǎn)1.575GHZ的射 頻信號(hào)。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原有設(shè)備無(wú)需任何改動(dòng)，與設(shè)備只需連接原有的GPS射頻 信號(hào)接口即可，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的冗余授時(shí)。采用基于數(shù)據(jù)文件讀取的GPS信號(hào)模 擬技術(shù)，為模擬器節(jié)省了大量的資源，有利于降低成本和體積。GPS信號(hào)模擬 源的設(shè)計(jì)采用高速基帶數(shù)字合成技術(shù)和正交中頻、射頻調(diào)制技術(shù)。多顆衛(wèi)星信 號(hào)以數(shù)字形式在高性能軟件無(wú)線電處理平臺(tái)上計(jì)算并合成，有效提高系統(tǒng)通道 間的一致性，消除了衛(wèi)星通道間的誤差，也消除了內(nèi)部時(shí)間誤差，確保了高精 度。該方案簡(jiǎn)化了射頻設(shè)計(jì)，避免了由射頻群時(shí)延不一致產(chǎn)生的通道間誤差和 衛(wèi)星間的鐘差，且數(shù)值計(jì)算、鐘差可控，有效保證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。


圖1為時(shí)間傳遞流程圖。
圖2為GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬源系統(tǒng)方案圖。
圖3為GPS信號(hào)仿真模塊電路原理框圖。
圖4為GPS信號(hào)仿真模塊軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式
5GPS信號(hào)模擬的目的是使GPS接收機(jī)通過(guò)接收模擬的信號(hào)正常工作，實(shí)現(xiàn)定
位解算。而GPS信號(hào)是由多顆不斷運(yùn)行的GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)射產(chǎn)生的。為了實(shí)現(xiàn) GPS信號(hào)模擬，首先需要設(shè)定用戶軌跡、建立GPS衛(wèi)星軌道模型和信號(hào)傳輸模型， 運(yùn)算量較大。采用離線運(yùn)算的方法，先在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真計(jì)算，再將 計(jì)算得到文件存儲(chǔ)在SD卡上。GPS模擬器通過(guò)讀取該文件，實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的仿 真。
接收機(jī)為實(shí)現(xiàn)定位，要提供4顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)；仿真12顆GPS衛(wèi)星 的數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)主要包括導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文格式為300BIT，占 40個(gè)字節(jié)，剩余20BIT空。觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定的位置和衛(wèi)星星歷產(chǎn)生，模擬固 定位置接收機(jī)產(chǎn)生的偽距變換，20ms更新一次。為了實(shí)現(xiàn)偽距的連續(xù)變化，觀 測(cè)數(shù)據(jù)中還包含偽距速度和加速度，便于信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程中的插值。采用12小時(shí) 導(dǎo)航電文。利用實(shí)時(shí)修改導(dǎo)航電文中時(shí)間參數(shù)的方法使接收設(shè)備能獲得當(dāng)前時(shí) 間。采用修改導(dǎo)航電文參數(shù)的方法使數(shù)據(jù)文件能被循環(huán)使用，從而能實(shí)現(xiàn)不間 斷運(yùn)行。
GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬源系統(tǒng)方案如圖2所示。采用SD卡存儲(chǔ)導(dǎo)航電文和觀測(cè) 數(shù)據(jù)文件。在系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA讀取SD卡的數(shù)據(jù)。多顆星的基帶信號(hào)經(jīng)數(shù)字合 成后，送至DA變?yōu)槟M信號(hào)，再進(jìn)行正交射頻調(diào)制獲得Ll頻點(diǎn)的射頻信號(hào)。 當(dāng)系統(tǒng)需要更新數(shù)仿文件時(shí)，則通過(guò)TCP/IP接口對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn) SD卡中的文件更新。
GPS信號(hào)模擬算法對(duì)數(shù)據(jù)處理率有較高的要求，通過(guò)分析延時(shí)算法，這樣龐 大的計(jì)算量實(shí)際上只是簡(jiǎn)單的乘累加(MAC)的流水操作，其算法結(jié)構(gòu)中并無(wú)復(fù)雜 的數(shù)學(xué)運(yùn)算(如正余弦、指數(shù)、對(duì)數(shù)等)，其運(yùn)算結(jié)構(gòu)是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的，采用FPGA 芯片完成基帶信號(hào)處理。
GPS信號(hào)仿真模塊電路原理框圖如圖3所示。外部授時(shí)接收機(jī)、本地頻綜、
SD卡都連接到FPGA芯片上，通過(guò)FPGA芯片完成基帶信號(hào)處理，F(xiàn)PGA芯片連接
射頻單元，將基帶信號(hào)輸入到射頻單元，由射頻單元輸出射頻信號(hào)。仿真基于
固定點(diǎn)產(chǎn)生的GPS導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)文件都存儲(chǔ)在SD卡上，采用數(shù)據(jù)文件讀
取的方法產(chǎn)生GPS信號(hào)。
GPS導(dǎo)航電文速率為50bps， 300bit為一子幀， 一子幀為6秒。 一幀包含5 子幀，共1500bit，歷時(shí)30秒。 一超幀則包含25幀，37. 5k，歷時(shí)12. 5分鐘。 GPS電文每?jī)尚r(shí)更新一次，2小時(shí)需存儲(chǔ)的導(dǎo)航電文約為375k; 12顆星的導(dǎo) 航電文為4. 5M。
6觀測(cè)數(shù)據(jù)則為20ms更新一次，單顆星的觀測(cè)數(shù)據(jù)為40個(gè)字節(jié)， 一個(gè)觀測(cè) 數(shù)據(jù)包有12顆星，共4288bit; 2小時(shí)的數(shù)據(jù)量為4288*50*7200=1543680000bit， 約1. 5G，采用2G的SD卡可完成上述數(shù)據(jù)容量的要求。
系統(tǒng)上電后首先讀取所有12通道的電文數(shù)據(jù)，GPS電文為2小時(shí)更新一次。 一個(gè)超幀25幀，每幀300bit，合計(jì)7500bit。 12顆星的導(dǎo)航電文總數(shù)據(jù)量為 90K。系統(tǒng)讀取電文數(shù)據(jù)后，放入電文數(shù)組，寫(xiě)入緩沖；讀取兩幀觀測(cè)數(shù)據(jù)，寫(xiě) 入緩沖；觀測(cè)數(shù)據(jù)更新頻率為20ms—次，每20ms讀1幀觀測(cè)數(shù)據(jù)，輸出信號(hào)。 信號(hào)處理流程如圖4所示。
權(quán)利要求
1、一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于該方法是利用外部接收機(jī)恢復(fù)出時(shí)間基準(zhǔn)后，基于該時(shí)間基準(zhǔn)通過(guò)數(shù)學(xué)仿真和射頻仿真，產(chǎn)生模擬的GPS信號(hào)，被授時(shí)的設(shè)備通過(guò)接收該信號(hào)后獲得時(shí)間信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于為了實(shí) 現(xiàn)GPS信號(hào)模擬，需要完成以下流程(1) 、時(shí)間信息獲取與時(shí)鐘馴服；(2) GPS電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真；(3) 射頻信號(hào)模擬。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于仿真基 于固定點(diǎn)產(chǎn)生的GPS導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)文件都存儲(chǔ)在SD卡上，采用數(shù)據(jù)文件 讀取的方法產(chǎn)生GPS信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于利用實(shí) 時(shí)修改導(dǎo)航電文中時(shí)間參數(shù)的方法使接收設(shè)備能獲得當(dāng)前時(shí)間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于采用修 改導(dǎo)航電文參數(shù)的方法使數(shù)據(jù)文件能被循環(huán)使用，從而能實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型GPS冗余授時(shí)方法，其特征在于外部接 收機(jī)產(chǎn)生的1PPS用來(lái)對(duì)本地頻綜進(jìn)行馴服。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型GPS冗余授時(shí)方法。該方法是利用外部接收機(jī)恢復(fù)出時(shí)間基準(zhǔn)后，基于該時(shí)間基準(zhǔn)通過(guò)數(shù)學(xué)仿真和射頻仿真，產(chǎn)生模擬的GPS信號(hào)，被授時(shí)的設(shè)備通過(guò)接收該信號(hào)后獲得時(shí)間信息。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原有設(shè)備無(wú)需任何改動(dòng)，與設(shè)備只需連接原有的GPS射頻信號(hào)接口即可，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的冗余授時(shí)。
文檔編號(hào)G01S1/00GK101458318SQ20091004240
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2009年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月4日
發(fā)明者單慶曉, 炎 姜, 璞 張, 俊 楊, 鐘小鵬, 陳建云 申請(qǐng)人:江蘇北斗科技有限公司;中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)