專利名稱：高精度時間同步裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電導(dǎo)航系統(tǒng)中的時間同步裝置。
技術(shù)背景時間同步裝置就是利用時間發(fā)布系統(tǒng)向外界發(fā)播時間信息，用戶終端將 接收到的時間信息與本地信息作比較，測出兩者的時間差，并將用戶時間與 系統(tǒng)時間同步。常用的同步方式主要短波授時法、長波授時法、衛(wèi)星授時法、 搬鐘法以及設(shè)置同步監(jiān)控站。短波授時和長波授時利用在地面發(fā)射大功率短波、長波無線電信號傳遞 時間信息。短波與長波的傳播特性決定了短波授時需發(fā)射大功率授時信號， 因此設(shè)備體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。兩者的時間傳遞范圍很有限，現(xiàn)有的技術(shù)只能做到1000 2000公里范圍內(nèi)的授時。美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)在距地面20200公里高度布設(shè)了 24顆衛(wèi)星，24顆 衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面相對于赤道平面的傾角為55°， 各個軌道平面之間交角60°，衛(wèi)星繞地球一周需11小時58分鐘，依靠偽碼 跟蹤及載波跟蹤實現(xiàn)了高精度定位與授時。目前衛(wèi)星授時主要依靠GPS，其 授時精度大約在10 20納秒左右，為了提高授時精度，現(xiàn)在常用衛(wèi)星共視法 進(jìn)行授時，所謂共視授時就是在兩個相距不遠(yuǎn)的地點利用相同的衛(wèi)星進(jìn)行授 時，由于兩地地面距離較近，這樣可以消除衛(wèi)星向地面?zhèn)鞑バ盘柕难舆t誤差。 由于衛(wèi)星授時可以覆蓋全球，且授時精度高，因此實際中應(yīng)用廣泛。搬鐘授 時法適用于兩個被授時地相距不遠(yuǎn)，能夠短時間內(nèi)將基準(zhǔn)原子鐘在兩地間搬 移，因此實際應(yīng)用中受到了很大的限制。監(jiān)控站同步法是在發(fā)射基站信號覆 蓋范圍內(nèi)設(shè)立監(jiān)控站，從各個基站的導(dǎo)航電文中提取出信號到達(dá)監(jiān)控站的時 延，得出基站與基站之間的同步誤差，用數(shù)傳電臺發(fā)至各個基站，由基站進(jìn) 行調(diào)整。但由于信號由地-地傳播，時延的不確定因素多，授時精度相對較低。時間同步裝置一般包括授時接收機、高精度頻率源、同步監(jiān)控裝置、同 步調(diào)整裝置等。傳統(tǒng)同步裝置采用銣原子鐘頻率作為頻率源，銣原子鐘的日 頻率穩(wěn)定度約為1(T"左右，只能實現(xiàn)短時間同步。而且，每次同步需要長時間調(diào)整，約需要一到兩個小時左右甚至更長的時間，即只能在裝置啟動同步 后一段時間內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)時間同步，無法實時觀測、調(diào)整同步誤差量，長時間工 作后裝置同步精度變差，必須重新同步。重新同步時與同步裝置相連接的設(shè) 備就無法正常工作，裝置使用的銣鐘頻率源頻率穩(wěn)定度不高，同步次數(shù)頻繁， 可操作性差。此類時間同步裝置鐘差監(jiān)控常使用示波器測量同步鐘差，不能 夠提供實時的同步精度，且讀出的鐘差精度不高，經(jīng)常需要人工干預(yù)。 發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有各種時間同步裝置中存在的每次同步調(diào)整時間長以及不能 對時鐘信號進(jìn)行實時監(jiān)測、實施調(diào)整問題，本發(fā)明提供了一種高精度時間同 步裝置。高精度時間同步裝置由授時時鐘源l、同步觸發(fā)器2、原子鐘3、相位比 較器4、工控機5和信號源6組成，其中同步觸發(fā)器2從授時時鐘源1接收授時信號并整形后分為兩路輸出，一 路輸出給原子鐘3作為同步信號，另一路輸出給相位比較器4作為A相輸入 信號；原子鐘3根據(jù)輸入的同步信號同步輸出秒脈沖(1PPS)信號和頻率參考 信號，所述秒脈沖信號分別輸出給相位比較器4作為B相輸入信號、輸出給 信號源6作為時鐘基準(zhǔn)信號；所述頻率參考信號分別輸出給相位比較器4作 為工作參考頻率信號、輸出給信號源6作為頻率基準(zhǔn)信號；信號源6根據(jù)接收的時鐘基準(zhǔn)信號和頻率基準(zhǔn)信號輸出時鐘信號，還輸 出秒脈沖時鐘信號給相位比較器4作為A相輸入信號；相位比較器4輸出A相輸入信號和B相輸入信號的相位差信號，所述相 位差信號通過GPIB (General Purpose Interface Bus)總線發(fā)送給工控機5;工控機5通過RS232串行通信總線分別與同步觸發(fā)器2、原子鐘3和信 號源6發(fā)送/接受信號；工控機5分別發(fā)送控制信號給同步觸發(fā)器2和信號源 6使其輸出或停止輸出信號給相位比較器4，并保證在同一時刻只有一路信號 輸出給相位比較器4作為A相輸入信號；工控機5根據(jù)接收到的同步觸發(fā)器 2和原子鐘3輸出信號的相位差校正原子鐘3輸出的秒脈沖信號；工控機5 還根據(jù)接收到的原子鐘3和信號源6輸出信號的相位差校正信號源6輸出的時鐘信號。本發(fā)明的高精度時間同步裝置，能夠?qū)敵鰰r鐘信號進(jìn)行實時監(jiān)控、實時調(diào)整，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果適時進(jìn)行時間同步調(diào)整，每次同步調(diào)整的時間在io分鐘以內(nèi)即可完成。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實施方式
二所述的同步觸發(fā)器2 的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式的高精度時間同步裝置由授時時鐘源l、同 步觸發(fā)器2、原子鐘3、相位比較器4、工控機5和信號源6組成，其中同步觸發(fā)器2從授時時鐘源1接收授時信號并整形后分為兩路輸出，一 路輸出給原子鐘3作為同步信號，另一路輸出給相位比較器4作為A相輸入 信號；原子鐘3根據(jù)輸入的同步信號同步輸出秒脈沖(1PPS)信號和頻率參考 信號，所述秒脈沖信號分別輸出給相位比較器4作為B相輸入信號、輸出給 信號源6作為時鐘基準(zhǔn)信號；所述頻率參考信號分別輸出給相位比較器4作 為工作參考頻率信號、輸出給信號源6作為頻率基準(zhǔn)信號；信號源6根據(jù)接收的時鐘基準(zhǔn)信號和頻率基準(zhǔn)信號輸出時鐘信號，還輸 出秒脈沖時鐘信號給相位比較器4作為A相輸入信號；相位比較器4輸出A相輸入信號和B相輸入信號的相位差信號，所述相 位差信號通過GPIB總線發(fā)送給工控機5;工控機5通過RS232串行通信總線分別與同步觸發(fā)器2、原子鐘3和信 號源6發(fā)送/接受信號；工控機5分別發(fā)送控制信號給同步觸發(fā)器2和信號源 6使其輸出或停止輸出信號給相位比較器4，并保證在同一時刻只有一路信號 輸出給相位比較器4作為A相輸入信號；工控機5根據(jù)接收到的同步觸發(fā)器 2和原子鐘3輸出信號的相位差校正原子鐘3輸出的秒脈沖信號；工控機5 還根據(jù)接收到的原子鐘3和信號源6輸出信號的相位差校正信號源6輸出的 時鐘信號。所述原子鐘3選擇銫原子鐘，本實施方式選用采用OSCILLOQUARTZ公司的5585銫原子鐘，所述銫原子鐘的日頻率穩(wěn)定度為l(T13，比現(xiàn)有常采用 的銣原子鐘要提高了兩個數(shù)量級，原子鐘3根據(jù)同步觸發(fā)器2發(fā)送的同步信 號進(jìn)行自動同步，同步精度小于100納秒。工控機5根據(jù)相位比較器4測得 的時間差控制原子鐘3進(jìn)行精同步調(diào)整，可調(diào)整的分辨力為l納秒，整個精 度同步調(diào)整時間小于10分鐘。時間同步裝置使用原子鐘輸出的信號做為時鐘 和頻率基準(zhǔn)，能夠為無線電導(dǎo)航提供更精確、更穩(wěn)定的時鐘信號，保障系統(tǒng) 定位精度和穩(wěn)定性。本實施方式中的授時時鐘源1是GPS、北斗或其它外部授時信號源。 所述相位比較器4的測量相位誤差小于200皮秒。本實施方式中的相位 比較器4選用高速計時/計頻器作相位比較器，例如FLIKE公司的PM6681 型計數(shù)器。使相位比較器不僅能計時、計頻還可以用于測量時間相位差，其 速度和分辨率都可和最精確的時間和頻率分析儀相媲美，測量相位誤差最高 可達(dá)到50皮秒，其測量速度與精度能夠及時準(zhǔn)確地為導(dǎo)航系統(tǒng)測量相應(yīng)數(shù)據(jù) 信息。同時，并有GPIB接口與計算機相連接，可達(dá)到讀數(shù)速度8Mb/s。所述同步觸發(fā)器2主要功能是對外部授時信號脈沖上升沿整形，以產(chǎn)生 能夠滿足原子鐘接口的高速5V， 50Q的CMOS信號，由觸發(fā)器內(nèi)部時鐘基 準(zhǔn)的脈沖信號觸發(fā)相應(yīng)的觸發(fā)電路，產(chǎn)生相同頻率且具有較好上升沿的兩路 脈沖信號，所述兩路脈沖信號的占空比為8% 12%，并且上升沿小于10納 秒。所述原子鐘3的頻率參考源信號輸出10MHz的脈沖信號，同時輸出給信 號源6和相位比較器4，為所述相位比較器4提供高精度的工作頻率參考源， 提高其數(shù)據(jù)測量精度。本實施方式中的相位比較器4與工控機5之間通用GPIB接口總線連接， 可以對原子鐘頻率、外部時鐘源頻率、原子鐘與外部時鐘相位差、信號源與 原子鐘相位差進(jìn)行時分切換監(jiān)控，實現(xiàn)了實時監(jiān)控、 一機多用的目的。本實施方式的高精度時鐘調(diào)整裝置的工作過程可分為兩種工作狀態(tài)，一 種是校準(zhǔn)的時間同步狀態(tài)，此狀態(tài)下相位比較器4通過比較同步觸發(fā)器2和 原子鐘3的輸出信號獲得相位差，并根據(jù)所述相位差調(diào)整原子鐘3的輸出信 號與同步觸發(fā)器2輸出的信號同步； 一種是監(jiān)控狀態(tài)，此狀態(tài)下相位比較器4比較信號源6和原子鐘3的輸出信號獲得相位差，并根據(jù)所述相位差調(diào)整 信號源6的輸出信號與原子鐘3輸出的信號同步。兩種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通 過工控機5控制循環(huán)轉(zhuǎn)換的。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一所述的高精度時間同步 裝置的區(qū)別在于，所述同步觸發(fā)器2由高速數(shù)字比較器21、單片機22、 CPLD23組成，高速數(shù)字比較器21將授時時鐘源1輸入的授時信號整形后分 成兩路相同的信號輸出給CPLD23，所述CPLD23對兩路輸入信號整形后分 別輸出給原子鐘3和相位比較器4;單片機22通過RS232串行數(shù)據(jù)總線接收 工控機5發(fā)出的控制信號，單片機22根據(jù)所述控制信號輸出信號給CPLD23 控制CPLD23輸出或停止輸出信號給相位比較器4。本實施方式所述的同步觸發(fā)器2，將輸入的信號整形成上升沿優(yōu)于10納 秒，同步精度優(yōu)于2納秒的脈沖信號，并且所述脈沖信號的占空比為8% 12%。本實施方式的同步觸發(fā)器采用了單片機和CPLD的結(jié)構(gòu)。在邏輯控制和 智能控制方面，單片機具有不可替代的優(yōu)越性，而在高速穩(wěn)定等方面，CPLD 器件擁有明顯的優(yōu)勢。由于CPLD是純硬件結(jié)構(gòu)，不會存在單片機的因外部 干擾而使程序飽和死機等問題，具有極強的抗干擾能力。所以，在單片機應(yīng) 用設(shè)計中使用CPLD，可以將單片機較強的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理能力與CPLD 的高集成度、高可靠性、高速度結(jié)合起來。單片機通過RS232與工控機連接， 接收控制命令字，選擇不同的信號做外部時鐘信號開啟觸發(fā)電路，從而輸出 同步信號給原子鐘同步及測試。在實際電路中，由觸發(fā)器的輸入到輸出經(jīng)過 一定的硬件電路，使輸出的同步信號與輸入的時鐘基準(zhǔn)信號有一定的時間誤 差，在電路制作時采用相同的電子器件與制造工藝，保證了不同導(dǎo)航發(fā)射系 統(tǒng)同步信號具有相同的時間差，即保證整個系統(tǒng)的時間同步。CPLD是可由用戶進(jìn)行編程實現(xiàn)所需邏輯功能的可編程邏輯器件，內(nèi)部硬 件的延時確定性使得輸出的兩路秒脈沖嚴(yán)格同步，實際測量兩路信號的同步 精度小于2納秒。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二所述的高精度時間 同步裝置的區(qū)別在于，它還包括多個授時時鐘源1,所述多個授時時鐘源1分別輸出授時信號給同步觸發(fā)器2，所述同步觸發(fā)器2根據(jù)接收到的工控機5 發(fā)出的選擇命令信號選擇一路授時時鐘源l發(fā)出的信號進(jìn)行整形、輸出；工 控機5通過RS232串行通信總線獲得同步觸發(fā)器2所選擇的一路授時時鐘源 1輸出信號的頻率，當(dāng)所述頻率是在設(shè)定范圍之外時，給同步觸發(fā)器2發(fā)送 選擇另一路授時時鐘信號的命令。本實施方式的高精度時間同步裝置中包括多個授時時鐘源l，所述多個授 時時鐘源l可以是同一種時鐘源，也可以是多種時鐘源，例如GPS、北斗或 其它外部授時信號源等，在使用的時候，可以以其中一個授時時鐘源為主， 其它授時時鐘源為輔，在工作的時候，通過工控機5控制同步觸發(fā)器2選擇 一路授時信號進(jìn)行工作，同時通過RS232通信總線獲得所述被選擇的授時時 鐘源的授時信號的頻率，當(dāng)所述頻率超過設(shè)定的范圍的時候，工控機5控制 同步觸發(fā)器2更換授時信號，實現(xiàn)多路授時信號的選擇、切換，提高了裝置 的工作可靠性。本實施方式中所述的授時信號的頻率在設(shè)定范圍是指預(yù)先設(shè)定的授時時 鐘的精度。
權(quán)利要求
1、高精度時間同步裝置，它包括授時時鐘源(1)、同步觸發(fā)器(2)、原子鐘(3)、相位比較器(4)、工控機(5)和信號源(6)，其特征在于 同步觸發(fā)器(2)從授時時鐘源(1)接收授時信號并整形后分為兩路輸出，一路輸出給原子鐘(3)作為同步信號，另一路輸出給相位比較器(4)作為A相輸入信號；原子鐘(3)根據(jù)輸入的同步信號同步輸出秒脈沖信號和頻率參考信號，所述秒脈沖信號分別輸出給相位比較器(4)作為B相輸入信號、輸出給信號源(6)作為時鐘基準(zhǔn)信號；所述頻率參考信號分別輸出給相位比較器(4)作為工作參考頻率信號、輸出給信號源(6)作為頻率基準(zhǔn)信號；信號源(6)根據(jù)接收的時鐘基準(zhǔn)信號和頻率基準(zhǔn)信號輸出時鐘信號，還輸出秒脈沖時鐘信號給相位比較器(4)作為A相輸入信號；相位比較器(4)輸出A相輸入信號和B相輸入信號的相位差信號，所述相位差信號通過GPIB總線發(fā)送給工控機(5)；工控機(5)通過RS232串行通信總線分別與同步觸發(fā)器(2)、原子鐘(3)和信號源(6)發(fā)送/接受信號；工控機(5)分別發(fā)送控制信號給同步觸發(fā)器(2)和信號源(6)使其輸出或停止輸出信號給相位比較器(4)，并保證在同一時刻只有一路信號輸出給相位比較器(4)作為A相輸入信號；工控機(5)根據(jù)接收到的同步觸發(fā)器(2)和原子鐘(3)輸出信號的相位差校正原子鐘(3)輸出的秒脈沖信號；工控機(5)還根據(jù)接收到的原子鐘(3)和信號源(6)輸出信號的相位差校正信號源(6)輸出的時鐘信號。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述原子鐘(3) 是銫原子鐘。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述授時時 鐘源(1)是GPS或北斗。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述相位比 較器(4)的測量相位誤差小于200皮秒。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述同步觸 發(fā)器(2)將輸入的授時信號整形成高速5V， 50 Q的CMOS信號，所述信號 的占空比為8% 12%,上升沿小于10納秒。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述原子鐘 (3)輸出的頻率參考源信號的頻率是10MHz。.
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于所述同步觸 發(fā)器(2)由高速數(shù)字比較器(21)、單片機(22)、 CPLD (23)組成，高速數(shù) 字比較器(21)將授時時鐘源(1)輸入的授時信號整形后分成兩路相同的信 號輸出給CPLD (23)，所述CPLD (23)對兩路輸入信號整形后分別輸出給 原子鐘(3)和相位比較器(4);單片機(22)通過RS232串行數(shù)據(jù)總線接收 工控機(5 )發(fā)出的控制信號，單片機(22)根據(jù)所述控制信號輸出信號給CPLD(23)控制CPLD (23)輸出或停止輸出信號給相位比較器(4)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間同步裝置，其特征在于它還包括多 個授時時鐘源(1)，所述多個授時時鐘源(1)分別輸出授時信號給同步觸發(fā) 器(2)，所述同步觸發(fā)器(2)根據(jù)接收到的工控機(5)發(fā)出的選擇命令信號 選擇一路授時時鐘源(1)發(fā)出的信號進(jìn)行整形、輸出。
全文摘要
高精度時間同步裝置，涉及無線電導(dǎo)航系統(tǒng)中的時間同步裝置。它解決了現(xiàn)有時間同步裝置中存在的每次同步調(diào)整時間長以及不能對時鐘信號進(jìn)行實時監(jiān)測、實施調(diào)整問題。本發(fā)明中的工控機通過GPIB總線獲得相位比較器輸出的相位差信號，工控機還通過RS232串行通信總線分別傳遞控制信號給同步觸發(fā)器、原子鐘和信號源；工控機還控制本發(fā)明的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換，所述工作狀態(tài)有時間同步狀態(tài)相位比較器獲得同步觸發(fā)器和原子鐘輸出信號的相位差，工控機根據(jù)所述相位差調(diào)整原子鐘輸出信號與同步觸發(fā)器輸出信號同步；監(jiān)控狀態(tài)相位比較器獲得原子鐘和信號源輸出信號的相位差，工控機根據(jù)所述相位差調(diào)整信號源輸出信號與原子鐘輸出信號同步。
文檔編號G04G7/02GK101231337SQ200810064000
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者徐定杰, 鋒 沈, 偉 王, 冰 薛, 郝燕玲, 韋金辰, 平 黃 申請人:哈爾濱工程大學(xué)