专利名称：利用卫星全球定位系统的时间同步装置和方法
技术领域：
本发明涉及利用卫星全球定位系统(GPS)的时间同步装置和方法，具体涉及利用GPS时钟能提供误差范围在100ns以内、时间信息正确的装置和方法。
按照常规方式，令卫星GPS时间同步系统计算一个公式中内部振荡器的频率误差、漂移误差、GPS卫星时钟的相位差误差及内部振荡器的频率，并根据计算结果的数值校正内部振荡器的工作，来提供正确的时间信息。
常规的时间同步系统校正频率误差所需的时间太长，尤其当卫星处于非服务位置范围内时，不能保证校正的精确度。
鉴此，本发明的一个目的是提供一种利用卫星全球定位系统的时间同步装置和方法。
本发明的另一个目的是当GPS卫星处在服务位置范围内时，依靠从卫星信号中获得一个GPS 1PPS(每秒1周)信号，能提供出误差范围在±1ns以内、有稳定精确时间信号的装置和方法，使得在计及得到的GPS 1PPS和内部振荡器特性下，可保证精确的时间信息其误差范围在100ns以内。
为了实现本发明的上述目的，本发明的装置包括以下部件一个振荡器，用以产生卫星全球定位系统所需的频率;一个计数器，用以计数振荡器的振荡频率以产生内部1PPS;一个比较器，用以将计数器输出的内部1PPS相位与全球定位系统输出的GPS 1PPS相位进行比较以输出一个相位差信号;一个缓冲器，用以存储比较器的相位差比较输出;一个第一控制器，用以校正计数器输出的内部1PPS相位差;一个第二控制器，用以校正振荡器输出的振荡频率与第一控制器输出的频率的相位差;一个微处理器，它利用GPS检测出的GPS跟踪状态信号和缓冲器内存储的相位差比较输出来同步时间，并向第一和第二控制器提供相位差校正信号以校正相位差，以及输出频率误差值;一个数/模转换器，它将微处理器单元输出的误差值转换成模拟信号，并将转换的信号传送给振荡器作为其工作控制信号，以调整振荡器的振荡频率。
图1示出按照本发明的利用卫星GPS的一个时间同步装置方框图。
图2示出图1中微处理器单元内时间同步处理算法的流程图。
图3示出图1中比较器内部结构的方框图。
图4示出图1中比较器的稳定性曲线图。
参照图1，本发明的装置包括一个GPS接收单元10，通过接收GPS卫星的时钟信息来得到GPS 1PPS;一个振荡器30，产生GPS中所需的频率;一个计数器40，计数振荡器30的振荡频率来产生内部1PPS;一个比较器50，将计数器40的内部1PPS输出信号与GPS接收单元10的GPS 1PPS输出信号进行比较;一个缓冲器60，输出比较器40的比较值;一个第一控制器70，按1μs时间单位校正计数器40内部1PPS输出信号的相位差;一个第二控制器80，按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与第一控制器70输出频率之间的相位差于1～995ns范围内;一个微处理器单元20，依靠GPS接收单元10检测出的跟踪状态信号和缓冲器60内存储的比较输出数据来同步时间。此外，本发明的装置还包括一个数/模转换器90，借助于将微处理器单元20输出的频率差值转换成模拟信号和将转换的信号提供给振荡器30作为其控制信号，以保持精确的振荡器状态。
当微处理器单元20确认，由GPS接收单元10输入来的卫星状态检测信号跟踪GPS卫星时，便对于GPS接收单元10输出的GPS 1PPS实施时间同步控制作用。由计数器40将内部振荡器30的振荡频率计数到内部1PPS，并将内部1PPS的相位差与GPS 1PPS的相位差进行比较。比较器50的比较输出存储在缓冲器60中。微处理器单元20利用存储在缓冲器60中的比较数据来同步时间，输出相位差校正信号和计算频率误差值。第一控制器70根据微处理器单元20来的相位差校正信号按1μs时间单位校正计数器40的信号。第二控制器80按5ns时间单位校正振荡器30振荡频率与第一控制器70输出频率之间的相位差于1～995ns范围内。此外，通过数/模转换器90将微处理器单元20计算出的频率误差转换成模拟值，并把转换的信号提供给振荡器30作为其控制信号，以精确地控制振荡器30的振荡频率。经过上述的过程，可保证精确的时间信息。这里，内部振荡器的相位误差可由下式表示tk＝t0+k(1+f)＝k2d+δk式中，t0是初始相位误差，f是频率误差＝(f1-f0)/f0，d是漂移误差，δk是与第k个脉冲有关的随机误差。t0、f和d都是变量。
如果卫星跟踪状态不能确保，或者接收信号有热噪声，则振荡器的工作特性维持于已校正的状态。
参照图3，图中示出时基1，产生时钟;门控制器3，以GPS接收单元10的GPS 1PPS输出信号和计数器40的内部1PPS输出信号作为其输入信号;“与”门2，将门控制器3的输出信号和时基1的时钟输出相“与”。图4示出比较器50的稳定性曲线，这是通过分析从比较器50获得的相位差比较值而得出的。图中，短期稳定性与GPS 1PPS的具体变化有关，长期稳定性与内部振荡器的频率误差值有关。
由微处理器单元20实施的时间同步处理算法示于图2中。
参照图2，微处理器单元20内的时间同步处理算法可划分为以下步骤S1至S15。亦即，微处理器单元20包括第一步S1，确认通过GPS接收单元10可得到相位跟踪状态，第二步S2，由比较器50比较GPS 1PPS与内部1PPS之间的相位差;第三步S3，判断相位差比较是否完成;第四步S4，在缓冲器60中存储相位差值;第五步S5，判断比较数是否超过900;第六步S6，判断比较数是否等于900;第七步S7，相位差值加900;第八步S8，半相加后的“和”数值除以900，计算出相位误差;第九步S9，执行相位误差校正程序;第十步S10，判断相位差比较数是否大于900;第十一步S11，判断标准差值是否小于1×10-6，如果标准差值大于1×10-6，程序回到第二步S2;第十二步S12，标准差值小于1×10-6时判断存储的比较数数据是否等于10600;第十三步S13，比较数等于10600时判断标准差值是否小于4×10-8;第十四步S14，标准差值小于4×10-8时计算频率误差;第十五步S15，在数/模转换器90中将数字形式的频率误差值转换后，调整振荡器30的振荡频率。第十三步S13中标准差值大于4×10-8时程序返回到第二步S2。
本发明利用GPS卫星能提供误差在100ns以内、精确的时间信息，因此，它适用于综合信息网、数字移动通信站和卫星通信网站。
权利要求
1.一种利用卫星全球定位系统的时间同步装置，其特征在于包括一个振荡器，产生卫星全球定位系统所需的振荡频率；一个计数器，计数该振荡器的振荡频率以产生一个内部1PPS；一个比较器，将该计数器输出的内部1PPS相位与GPS输出的GPS 1PPS相位进行比较，输出相位差值；一个缓冲器，存储该比较器的相位差比较输出；一个第一控制器，校正计数器输出的内部1PPS的相位差；一个第二控制器，校正振荡器输出的振荡频率与第一控制器输出频率的相位差；一个微处理器，利用GPS检测出的GPS跟踪状态信号和缓冲器内存储的相位差比较输出来同步时间，并向第一和第二控制器提供相位差校正信号以校正相位差，以及输出频率误差值；一个数/模转换器，将微处理器单元输出的误差值转换成模拟信号，并将转换的信号传送给振荡器作为其工作控制信号，以调整振荡器的振荡频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的比较器包括一个时基，用以产生一个预定的时钟;一个门控制器，其输入有GPS输出的GPS 1PPS和计数器输出的内部1PPS;一个“与”门，将该门控制器的输出和该时基的输出相“与”。
3.利用一个卫星全球定位系统的时间同步方法，其特征在于包括以下步骤第一步检测是否是GPS跟踪状态和计算从GPS输入的信息;第二步产生一个GPS所需的振荡频率，并从振荡频率中产生一个内部1PPS;第三步比较内部1PPS与GPS 1PPS之间的相位差;第四步是在第一步中检测出GPS跟踪状态和在第三步中计算出比较所得的相位差值后，计算出该相位差值的平均值;第五步是利用第四步中得到的相位差平均值来校正相位误差，并调整第二步中产生的振荡频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的第四步中包括对第四步得到的相位差值加上一个预定数900，再将和数值除以900来计算相位差平均值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当第四步中得到的相位差数超过一个预定数时，所述的第五步执行以下分支步;第一支步判断相位差平均值的标准差是否小于1×10-6;第二支步是当上述第一步中标准差小于1×10-6时判断第四步中比较所得的相位差比较数是否等于10600;第三支步是当第二支步中相位差比较数等于10600时判断标准差是否小于4×10-8;第四支步是当第三支步中标准差值小于4×10-8时调整前述第二步中产生的振荡频率。
全文摘要
本装置包括振荡器产生GPS所需振荡频率；计数器计数振荡频率以得到内部1PPS；比较器对内部1PPS与GPS1PPS比较相位以产生相位差值；缓冲器存储该相位差值；第一控制器校正内部1PPS的相位差；第二控制器校正振荡频率与第一控制器输出频率的相位差；微处理器利用GPS跟踪信号和缓冲器的数据来同步时间并向第一和第二控制器提供相位差校正信号以及输出频率误差值；数/模转换器将微处理器输出转换成模拟信号并传送给振荡器。
文档编号G04G7/02GK1112247SQ9411335
公开日1995年11月22日 申请日期1994年12月26日 优先权日1993年12月27日
发明者周焕镛 申请人:现代电子产业株式会社