專利名稱：一種基于gps信號的定時方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域中提供精確時鐘的技術(shù)，更具體地說，涉及一種基于GPS的定時方法和設(shè)備。
美國國防部建立的全球定時定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(NAVSTARGPS，以下簡稱GPS系統(tǒng))為人們提供了任何時候在任何地點精確定時和定位的可能。但美國政府有意在衛(wèi)星發(fā)射的信號中加入了選擇性干擾(SELECTIVE AVAILABILITY，以下簡稱S.A.干擾)，使普通用戶得到的定時定位精度大大下降，定時精度降至±150ns以上。各國大公司相應(yīng)開發(fā)出各種GPS接收設(shè)備以從夾雜著S.A.干擾的衛(wèi)星信號中提取一個相對穩(wěn)定的輸出，其中惠普公司的HP 58503 GPS時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)接收機通過長時間(一小時)的平滑濾波以濾去S.A.干擾，取得較好的效果。但該方案需要有一個價格昂貴的長時間穩(wěn)定的晶體(二級以上)，才能有效地用長時間平滑濾波來濾除S.A.干擾，否則如果晶體不穩(wěn)定(例如采用的是三級晶體)，一小時內(nèi)晶體自身的頻率漂移已經(jīng)相當(dāng)可觀了，無法進行長時間的平滑濾波；該方案還需要相應(yīng)復(fù)雜的晶體外圍電路以使晶體正常工作；此外，為了進行長時間的平滑濾波，需要大容量的存儲器以存儲很長一段時間記錄的數(shù)據(jù)，并且在衛(wèi)星信號質(zhì)量突然惡化，經(jīng)過一段時間又恢復(fù)的情況下，由于該方案將長時間記錄的數(shù)據(jù)進行平均，衛(wèi)星信號質(zhì)量惡化時記錄的數(shù)據(jù)也將在很長一段時間內(nèi)仍作為有效數(shù)據(jù)被繼續(xù)使用，使得該設(shè)備需要較長時間才能恢復(fù)穩(wěn)定的輸出。
本發(fā)明的目的就是克服上述缺點，提供一種成本低，結(jié)構(gòu)簡單，能迅速捕捉GPS信號，并且在衛(wèi)星信號惡化后又恢復(fù)的情況下能迅速恢復(fù)穩(wěn)定輸出的基于GPS信號的定時方法和設(shè)備。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明基于以下構(gòu)思選擇一段充分長的時間，保證通過該段時間內(nèi)的平滑可有效地濾除S.A.干擾，同時可以及時地調(diào)整晶體，以解決三級晶體的頻率漂移問題；并引入一張以相差變化值和相差變化率為自變量的二元電壓控制表，綜合考慮調(diào)整晶體的電壓值，以解決因單純調(diào)相而引起的晶體頻率抖動或單純調(diào)頻而引起的無法恢復(fù)的相位漂移問題。
本發(fā)明的基于GPS信號的定時方法需要比較收到的每個GPS脈沖與本地分頻脈沖的相位差，并存儲該相位差，其特征在于根據(jù)有效濾除S.A.干擾和及時調(diào)整晶體的要求設(shè)定一個數(shù)據(jù)存儲量N，存滿N個所述相位差后，對數(shù)據(jù)進行平滑處理，調(diào)整本地晶體(本地分頻脈沖由本地晶體的輸出分頻后產(chǎn)生)。
其中所述對數(shù)據(jù)進行平滑處理、調(diào)整本地晶體的過程包括如下具體步驟(1)計算所存儲的N個所述相位差的平均值，得到一個平均相差，并存儲該平均相差；(2)將所述平均相差和一個預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相差比較，得到相差變化值E；(3)將這次得到的所述平均相差與上一次所存儲的所述平均相差進行比較，得到相差變化率EC；(4)根據(jù)所述相差變化值E和所述相差變化率EC，查閱預(yù)先存放的以所述相差變化值E和所述相差變化率EC為自變量的二元電壓控制表確定應(yīng)施加的晶體控制電壓差值ΔU；(5)將所述晶體控制電壓差值ΔU加在當(dāng)前的控制電壓上，調(diào)整本地晶體。
本發(fā)明的基于GPS信號的定時設(shè)備包括GPS接收天線、GPS卡、鑒相器、CPU、RAM、EPROM、D/A轉(zhuǎn)換器、壓控晶體、倍頻器、以及分頻器。所述GPS卡通過所述GPS天線接收衛(wèi)星信號，從中恢復(fù)出GPS脈沖送給所述鑒相器，所述鑒相器比較從衛(wèi)星信號中恢復(fù)的GPS脈沖與本地分頻器提供的本地分頻脈沖的相位差，將該相位差送給所述CPU，所述CPU將該相位差存于所述RAM中，所述RAM存儲一定量數(shù)據(jù)后，所述CPU處理這批數(shù)據(jù)得到所述相差變化值E和所述相差變化率EC，根據(jù)所述相差變化值E和所述相差變化率EC查找所述EPROM中存儲的所述二元電壓控制表，確定調(diào)節(jié)所述壓控晶體的所述晶體控制電壓差值ΔU，通過所述D/A轉(zhuǎn)換器將所述ΔU加在所述壓控晶體上，調(diào)整所述壓控晶體的輸出頻率。所述壓控晶體的輸出同時送給所述分頻器和所述倍頻器，所述分頻器產(chǎn)生本發(fā)明的基于GPS信號的定時設(shè)備的輸出，并產(chǎn)生本地分頻脈沖，所述倍頻器產(chǎn)生65MHz信號送給所述鑒相器，用65MHz信號來計數(shù)，記錄本地分頻脈沖與GPS脈沖的相差。
由于本發(fā)明采用的是三級晶體，因此大大降低了本發(fā)明設(shè)備的成本；同時通過采用本發(fā)明方法較好地解決了S.A.干擾以及壓控晶體的頻率漂移和頻率抖動問題，使本發(fā)明設(shè)備的輸出精度可與采用了優(yōu)質(zhì)晶體(二級以上)的國外同類設(shè)備相比擬，經(jīng)測試表明本發(fā)明設(shè)備已實現(xiàn)如下性能指標(biāo)相位漂移特性百秒級＜50ns千秒級＜100ns最大 ＜170ns頻率特性短期(抖動)≤5×10-10長期 ≤1×10-13此外，本發(fā)明設(shè)備無需大容量的存儲器以及復(fù)雜的晶體保護電路，從而使得電路結(jié)構(gòu)簡單，并且在GPS信號突然惡化，經(jīng)過一段時間又恢復(fù)的情況下，能將存儲的數(shù)據(jù)很快更新，因此能迅速(大約四分鐘)恢復(fù)穩(wěn)定的輸出。
下面結(jié)合


本發(fā)明的實施例。附圖中圖1為本發(fā)明的基于GPS信號的定時設(shè)備一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的基于GPS信號的定時方法的流程圖；圖3為圖2中所示快速捕獲GPS秒脈沖頻率步驟S202的流程圖4為圖2中所示輸出精確頻率步驟S206的流程圖；圖5為構(gòu)造本發(fā)明中所述電壓控制表的流程圖。
參見圖1，該圖示出本發(fā)明的基于GPS信號的定時設(shè)備包括GPS接收天線101、GPS卡102、鑒相器103、CPU104、RAM105、EPROM106、D/A轉(zhuǎn)換器107、壓控晶體108、倍頻器109、以及分頻器110。所述GPS卡102(本實施例中為Motorola公司生產(chǎn)的VP ONCORE，提供每秒一次的秒脈沖SP)通過所述GPS天線101接收衛(wèi)星信號，從中恢復(fù)出GPS秒脈沖送給所述鑒相器103，所述鑒相器103比較從衛(wèi)星信號中恢復(fù)的秒脈沖SP與本地分頻器110提供的1Hz信號的相位差，將得到的相位差送給所述CPU104，所述CPU104將該相位差存于所述RAM105中，所述RAM存滿一定量數(shù)據(jù)后，所述CPU處理這批數(shù)據(jù)得到相差變化值E和相差變化率EC，根據(jù)E和EC查找所述EPROM106中存儲的一張以相差變化值和相差變化率為自變量的二元電壓控制表(后面將結(jié)合圖5詳述該表的生成)，確定調(diào)節(jié)所述壓控晶體108的晶體控制電壓差值ΔU，通過所述D/A轉(zhuǎn)換器107將ΔU加在所述壓控晶體108上，調(diào)整所述壓控晶體108的輸出頻率；所述CPU還與所述GPS卡通信，對GPS卡的狀態(tài)參量進行設(shè)置并從GPS卡讀取衛(wèi)星信號是否正常等信息。所述壓控晶體的輸出同時送給所述分頻器110和所述倍頻器109，所述分頻器110產(chǎn)生2MHz和8KHz的信號作為本發(fā)明的基于GPS信號的定時設(shè)備的輸出，并產(chǎn)生1Hz信號作為本地秒脈沖，所述倍頻器109產(chǎn)生65MHz信號送給所述鑒相器103，用65MHz信號來計數(shù)，記錄本地秒脈沖與GPS秒脈沖的相位差。所述RAM105還根據(jù)所述CPU的指令存儲相差變化值和相差變化率等數(shù)據(jù)。所述CPU104所需的程序存在所述EPROM106中。
本發(fā)明的基于GPS信號的定時方法需要每秒一次地比較收到的每個GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相位差，并存儲該相位差，同時執(zhí)行如下如圖2所示的具體步驟首先在步驟S201完成初始化工作，包括RAM清零、設(shè)定晶體初始工作電壓、以及設(shè)定要求存儲的相位差個數(shù)M和N，所述相位差個數(shù)反映了對晶體控制電壓進行調(diào)整的時間間隔，而且M＜N，M的取值較小，以滿足快速捕獲GPS秒脈沖頻率的要求，其最佳范圍為2～7，N的取值需滿足既能有效濾除S.A.干擾、又能及時調(diào)整壓控晶體的要求，其最佳范圍為30～180，之后進到步驟S202快速捕捉GPS秒脈沖的頻率；然后進到步驟S203判斷衛(wèi)星信號是否正常，如判斷為‘否’，則經(jīng)步驟S204復(fù)位后重復(fù)執(zhí)行步驟S201；如步驟S203判斷為‘是’，則執(zhí)行步驟S205比較最新收到的GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相位差，將此相位差設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)相差并存儲；然后進到步驟S206進入鎖定態(tài)，進一步調(diào)整本地秒脈沖，輸出精確頻率；然后在步驟S207判斷衛(wèi)星信號是否正常，如判斷為‘是’，則返回執(zhí)行步驟S206；如步驟S207判斷為‘否’，則進到步驟S208保持在步驟S206中得到的輸出，并在需要時利用以前存儲的數(shù)據(jù)對晶體進行調(diào)整；然后在步驟S209中判斷衛(wèi)星信號是否正常，如判斷為‘否’，則返回執(zhí)行步驟S208；如步驟S209判斷為‘是’，則執(zhí)行步驟S206。需要說明一下，本發(fā)明中建立了若干個循環(huán)隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別存儲記錄下來的GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相位差、晶體電壓控制差值等數(shù)據(jù)，當(dāng)隊列已滿時，先存儲的數(shù)據(jù)被自動抹去；本發(fā)明存儲大約8000個GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相差，可以在例如衛(wèi)星信號失常、S.A.干擾強烈等特殊情況下利用這些數(shù)據(jù)對晶體作特殊調(diào)整。
圖3示出圖2中所示步驟S202所包括的步驟首先在步驟S301判斷是否已存滿M個相位差值(M已在步驟S201中設(shè)定)，如判斷為‘否’，則在步驟S302中延時1秒后執(zhí)行步驟S301；如步驟S301判斷為‘是’，則直接執(zhí)行步驟S303將存儲的M個相位差值平均，得到一平均相差，并存儲該平均相差；然后執(zhí)行步驟S304判斷是否已存滿M個相位差值，如判斷為‘否’，則在步驟S305中延時1秒后執(zhí)行步驟S304；如步驟S304判斷為‘是’，則直接執(zhí)行步驟S306將存儲的M個相差值平均，得到一平均相差，并存儲該平均相差；然后進到步驟S307將此次求得的平均相差與上次存儲的平均相差比較得到相差變化值E；接著進到步驟S308設(shè)定相差變化率EC＝0；然后在步驟S309中根據(jù)所述相差變化值E和相差變化率EC查詢電壓控制表(電壓控制表的構(gòu)建過程將在結(jié)合圖5的說明中描述)，得到晶體電壓控制差值ΔU并存儲該差值；接著執(zhí)行步驟S310將ΔU加在當(dāng)前的控制電壓上，調(diào)整晶體的輸出頻率；然后執(zhí)行步驟S311判斷快捕過程是否已完成，如判斷為‘否’，則返回執(zhí)行步驟S304；如步驟S311判斷為‘是’，則進入圖2所示的步驟S203。
參見圖4，該圖示出圖2所示步驟S206所包括的具體步驟首先在步驟S401判斷是否已存滿N個相位差值(N已在步驟S201中設(shè)定)，如判斷為‘否’，在步驟S402中延時1秒后重復(fù)執(zhí)行步驟S401.；如步驟S401判斷為‘是’，則直接執(zhí)行步驟S403將存儲的N個相位差值平均，得到一平均相差，并存儲該平均相差；然后執(zhí)行步驟S404將此次求得的平均相差與步驟S205中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相差比較得到相差變化值E；接著進到步驟S405比較這次的平均相差與所存儲的上一次的平均相差，得到相差變化率EC(因為在步驟S201中已將RAM清零，第一次執(zhí)行步驟S405時，所述‘所存儲的上一次的平均相差’被設(shè)定為0)；然后進到步驟S406根據(jù)相差變化值E和相差變化率EC，以及預(yù)先存放的以E和EC為自變量的二元電壓控制表查出應(yīng)施加的晶體控制電壓差值ΔU；然后執(zhí)行步驟S407將ΔU加在當(dāng)前的控制電壓上，調(diào)整本地秒脈沖。需要說明一下，在步驟S403求平均相差前，可以先對存儲的相差值進行濾波，去掉相差抖動較大的數(shù)據(jù)。
圖5示出構(gòu)建以所述相差變化值和所述相差變化率為自變量的所述二元電壓控制表的流程圖首先在步驟S501限定相差變化值E的量化范圍(-90ns～90ns)，并將該范圍劃分為X個區(qū)間(本例中X取13)，然后進到步驟S502限定相差變化率EC的量化范圍(-90ns～90ns)，并將該范圍劃分為Y個區(qū)間(本例中Y取13)，接著執(zhí)行步驟S503限定晶體控制電壓差值ΔU的量化范圍(-0.002V～0.002V)，并將該范圍劃分為Z個區(qū)間(本例中Z取13)，然后在步驟S504根據(jù)公式ΔU＝λ1E+λ2EC(此處λ1、λ2表示對E和EC的加權(quán)值)確定對應(yīng)于每一對所述相差變化值E和所述相差變化率EC的晶體控制電壓差值ΔU，即得到一張二元電壓控制表，最后在步驟S505中存儲該二元電壓控制表。
以上雖已結(jié)合實施例描述了本發(fā)明，但顯然本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可能作出種種顯而易見的變動，例如在步驟S309中可以不采用查詢二元電壓控制表的方式，而直接根據(jù)公式ΔU＝λ1E+λ2EC求得所述晶體電壓控制差值ΔU；采用其他公司、其他型號的GPS卡；用其它形式的存儲器代替本發(fā)明實施例中所使用的RAM和/或EPROM；存儲數(shù)據(jù)時可以采用其他形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；還可以改變本發(fā)明中存儲的數(shù)據(jù)量，所述M和N的保護范圍，以及相差變化值、相差變化率、晶體控制電壓差值的取值范圍和劃分的區(qū)間，等等。因此，本發(fā)明的保護范圍僅由權(quán)利要求書來確定。
權(quán)利要求
1.一種基于GPS信號的定時方法，包括比較收到的每個GPS脈沖與本地分頻脈沖的相位差，并存儲該相位差，其特征在于根據(jù)有效濾除S.A.干擾和及時調(diào)整晶體的要求設(shè)定一個數(shù)據(jù)存儲量N，存滿N個所述相差后，對數(shù)據(jù)進行平滑處理，調(diào)整所述晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于所述對數(shù)據(jù)進行平滑處理、調(diào)整所述晶體的過程包括以下主要步驟(1)計算所存儲的N個所述相位差的平均值，得到一個平均相差，并存儲該平均相差；(2)將所述平均相差和一個預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相差比較，得到相差變化值E；(3)將本次得到的所述平均相差與上一次所存儲的所述平均相差進行比較，得到相差變化率EC；(4)根據(jù)所述相差變化值和所述相差變化率，以及預(yù)先存放的以所述相差變化值和所述相差變化率為自變量的二元電壓控制表確定應(yīng)施加的晶體控制電壓差值ΔU；(5)將所述晶體控制電壓差值ΔU加在當(dāng)前的控制電壓上，調(diào)整本地秒脈沖。
3.如權(quán)利要求2所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于構(gòu)建所述二元電壓控制表的步驟又包括以下步驟—確定所述相差變化值E的量化范圍，并將該范圍劃分為若干個檔次；—確定所述相差變化率EC的量化范圍，并將該范圍劃分為若干個檔次；—確定所述晶體控制電壓差值ΔU的量化范圍，并將該范圍劃分為若干個檔次；—根據(jù)公式ΔU＝λ1E+λ2EC確定對應(yīng)于每一對所述相差變化值和所述相差變化率的所述晶體控制電壓差值ΔU，即得到作為電壓控制表的二元電壓控制表；—存儲該二元電壓控制表。
4.如權(quán)利要求2所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于在計算所述求平均相差前，可以先對存儲的所述相差值進行濾波，去掉相差抖動較大的數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求2所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于所述查詢所述二元電壓控制表的步驟(4)可以用如下步驟代替由公式ΔU＝λ1E+λ2EC直接求得所述晶體電壓控制差值。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于所述N的取值范圍為30～180。
7.如權(quán)利要求6所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于設(shè)定所述相差變化值的量化范圍為-90ns至90ns，所述相差變化率的量化范圍為-90ns至90ns，所述晶體控制電壓差值的量化范圍為-0.002V至0.002V。
8.如權(quán)利要求7所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于將所述相差變化值、所述相差變化率、所述晶體控制電壓差值的量化范圍均劃分為13個檔次。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、7或8所述的基于GPS信號的定時方法，其特征在于存儲所述相位差和所述平均相差時采用了循環(huán)隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的基于GPS信號的定時方法，其特征還在于在特殊情況下可以利用所保存的所述相差值來調(diào)整晶體。
11.一種實現(xiàn)如權(quán)利要求1-10所述方法的基于GPS信號的定時設(shè)備，包括—接收衛(wèi)星信號的天線(101)；—從衛(wèi)星信號中恢復(fù)GPS脈沖的GPS接收電路(102)；—提供本地分頻脈沖的壓控晶體(108)和分頻器(110)；—比較GPS脈沖與本地分頻脈沖相位差的鑒相器(103)；—存儲數(shù)據(jù)的RAM(105)；—對數(shù)據(jù)進行平滑處理、提供所述晶體控制電壓差值的CPU(104)；—將所述晶體控制電壓差值加在所述壓控晶體(108)上的D/A轉(zhuǎn)換器(107)；其特征在于該設(shè)備還包括—一個用于存儲程序和所述二元電壓控制表的存儲器(106)。
12.如權(quán)利要求11所述的基于GPS信號的定時設(shè)備，其特征在于還包括一個產(chǎn)生記錄本地分頻脈沖與GPS脈沖的相位差的65MHz信號的倍頻器(109)。
全文摘要
一種基于GPS信號的定時方法和一種采用該方法的設(shè)備。該方法引入一張以相差變化值和相差變化率為自變量的二元電壓控制表,綜合考慮調(diào)整晶體的電壓值,可在利用三級晶體的情況下解決S.A.干擾以及壓控晶體的頻率漂移和頻率抖動問題,大大降低了設(shè)備的成本,并簡化了結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01S5/00GK1189622SQ9710882
公開日1998年8月5日 申請日期1997年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者魯敬農(nóng), 俞曉龍 申請人:深圳市華為技術(shù)有限公司