[发明专利]利用卫星全球定位系统的时间同步装置和方法

说明书

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，一种利用卫星全球定位系统从卫星接收每秒1周信号的时间同步装置，其特征在于包括：一个振荡器，产生与卫星全球定位系统相适应的振荡频率信号；一个计数器，通过计数该振荡器的振荡频率以产生一个内部每秒一周信号；一个比较器，将该计数器输出的内部每秒一周信号相位与全球定位系统接收的每秒一周信号相位进行比较，以输出相位差值信号；一个第一控制器，用于根据从微处理器输出的相位差校正信号，校正计数器输出的内部每秒一周信号的相位；一个第二控制器，校正振荡频率信号与第一控制器输出频率的相位差；以及一个微处理器，向第一和第二控制器提供比较器输出的相位差信号以校正相位差，并基于全球定位系统，每秒1周信号校正振荡频率信号的频率。

图1示出按照本发明的利用卫星全球定位系统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：一个全球定位系统接收单元10，通过接收全球定位系统卫星的时钟信息来得到全球定位系统每秒一周；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CPS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CPS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GPS1PPS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，并把转换的信号提拱给振荡器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：

t_k=t_o+k(1+f)=k²d+δ_k