分布式水聲定位系統gps時鐘同步方法

2023-11-05 12:48:17

專利名稱：分布式水聲定位系統gps時鐘同步方法
技術領域：
本發明涉及時間應用技術及水聲測量技術，具體涉及水聲浮標測量系統中的時間 同步方法。
背景技術：
時間應用技術包括時間同步的建立與時間同步的保持兩方面的內容。時間同步的 建立即用戶將本地時鐘與某一標準時鐘對準，時間同步的保持則是依靠精確的頻標維持本 地時鐘，使之與標準時鐘的誤差越小越好。GPS是一種基於衛星的全天候被動導航系統，由於其精度高，使用經濟簡單等特 點，已經成為目前應用最為廣泛的一種定位和授時系統。當使用多浮標法對水下目標進行精確測量時，各浮標的測量數據在時間上應保持 同步。每個浮標要將數據打包回傳給主控計算機進行實時解算，主控計算機在處理這些數 據時，需要將每個浮標傳上來的數據進行時間對齊，與此同時，對於浮標內的信號處理機來 說，每一個採樣數據都應有一個絕對記錄時刻，信號處理機接收同步脈衝，每次同步脈衝 到達，處理機重新啟動定時器，對內部時鐘重新開始計數，從而保證各個節點之間的嚴格同
止
少ο在每個浮標內部使用一個高精度的時鐘可以達到這個要求，但是高精度時鐘功耗 較大，不符合浮標低功耗的要求，價格也較為昂貴，成本較高。GPS的秒脈衝信號是一個標準信號，它的誤差大約只有200ns，但是秒脈衝信號的 脈寬和周期都是固定的，當測量速度較快或較慢的目標時，1秒的同步周期是不合適的。本發明相關的公開文獻有文獻1.專利申請號02160275. IGPS定時系統的時鐘改進方法和裝置及其應用；文獻2.專利申請號200620116716. 9 一種航標狀態的GPS同步採集裝置；文獻3.專利申請號200680053606. 5用於無線通信臺的GPS同步；文獻4.專利申請號200710078817. 0用於無線通信系統的基站同步；文獻5.專利申請號200580047621. 4基站間同步系統、同步控制裝置和基站；文獻6.專利申請號200820124299. 1授時裝置、基站時鐘裝置及基站授時系統；文獻7.專利申請號200610066992. 3 一種基站獲得和保持同步的方法；文獻8. Patent No :W02009135160(A2)GPS-BASED MULTI-MODESYNCHRONIZATION AND CLOCKING OF FEMT0-CELLS，PICO-CELLS AND MACR0BASE STATIONS ；文獻9. Patent No :CN101483432 (A) High precision GPS clock used in lightning timedifference detection station。文獻1發明了一種應用在同步碼分多址系統中的GPS定時系統的時鐘改進方法及
直ο文獻2涉及了一種航標狀態的同步控制採集裝置，目的是提供一種可靠、有效的 航標數據時間同步裝置。
文獻3發明了一種用於確定、提供並利用全球定位系統(GPS)的不同信號時序和 無線通信系統(WCS)之間的精確時基關係，對於所述無線通信系統(WCS)，內部WCS下行鏈 路時基標準不是固有地同步到GPS時序。文獻4發明一種為無線通信系統中多個基站進行時間同步處理的系統和方法。文獻5提供一種能夠使多個基站之間實現高精度同步的基站間同步系統、同步控 制裝置和基站，在多個基站中的原振時鐘相互同步，能夠抑制各基站之間的相位差，使基站 之間實現高精度的同步。
文獻6公開了一種授時裝置、基站時鐘裝置及基站授時系統，授時裝置攜帶有向 基站時鐘裝置發送時間同步信號的信號發送接口，基站時鐘裝置攜帶有接收授時裝置發來 的時間同步信號的信號接收接口，信號發送接口和信號接收接口為對應的標準化接口，信 號接收接口和信號發送接口之間基於標準信號線連接。文獻7發明了一種基站獲得和保持同步的方法及裝置，同步時鐘單元輸出同步信 號，應用在同步碼分多址系統中可以更準確地檢測同步信號。文獻8公開了一種為移動站提供時鐘同步和GPS定位方法，GPS時鐘模塊與外部 參考時鐘或頻率至少需要一個接口。文獻9發明了一種高精度GPS時鐘裝置，用於檢測打雷和閃電的時間差。

發明內容
本發明的目的在於提供一種同步精度高，同步脈衝周期和脈寬可調的分布式水聲 定位系統GPS時鐘同步方法。本發明的目的是這樣實現的A.當GPS標準時間⑶與預設的同步時刻(7)相同時，由GPS秒脈衝(9)觸發系 統同步，即時間同步的建立；B.開始同步後，GPS時間同步裝置據預設的同步脈衝周期的和脈寬(7)，由普通晶 振分頻產生時鐘信號clkl (11)，再由clkl分頻產生相應周期和脈寬的同步脈衝(5)；C.當同步脈衝的數目達到預先設定的個數(12)時，GPS秒脈衝(9)信號觸發產生 一個強制清零信號，使所有計數器重新計數(10)，以消除普通晶振不精準帶來的累積誤差。本發明還可以包括1.步驟B中所述同步脈衝的周期和脈寬由程序控制。2.步驟C中所述系統重新計數的周期的大小必須是同步脈衝的周期和GPS秒脈衝 周期的最小公倍數的整數倍。本發明提供了一種實現分布式各節點之間嚴格同步的方法，利用秒脈衝和一個普 通的晶振來實現系統的高精度同步，同步脈衝周期和脈寬可調。


圖1為GPS時間同步裝置在水聲定位系統中應用示意2為GPS時間同步裝置原理框3為GPS時間同步裝置工作流程4為GPS時間同步裝置仿真時序圖
圖5的表1為整數秒和GPS輸出雙精度浮點數秒
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述圖1時GPS時間同步裝置在水聲定位系統中應用示意圖。分布式水聲定位定位系統有若干節點，每個節點測量的數據在時間上應保持同 步，因此每個節點都需加裝GPS時間同步裝置。主控計算機(1)將同步開始時刻和同步脈 衝周期、脈寬的預設值(7)通過無線電通信鏈(3)發送給各個節點。每個節點接收到主控 計算機(1)發送的預設值之後，將預設值與GPS標準時間(8)進行實時對比。圖2為GPS時間同步裝置原理框圖。節點接收到主控計算機(1)發送的同步開始時刻和同步脈衝周期、脈寬預設值 (7)之後，時間同步建立邏輯(4)將預設值與GPS標準時間(8)進行實時比較，當二者相等 時，由GPS秒脈衝(9)觸發同步時能信號，時間同步建立；開始同步後，時間同步同步建立邏 輯⑷根據預設的同步脈衝周期的和脈寬(7)，由普通晶振分頻產生時鐘信號clkl (11)，再 由clkl分頻產生相應周期和脈寬的同步脈衝(5)；當同步脈衝的數目達到預先設定的個數 時(12)，時間同步保持邏輯(6)根據GPS秒脈衝信號(9)觸發產生一個強制清零信號(10)， 使所有計數器重新計數，以消除普通晶振不精準帶來的累積誤差，時間同步得到保持。圖3為GPS時間同步裝置工作流程圖。GPS時間同步裝置工作流程圖分為兩個部分時間同步建立邏輯和時間同步保持 邏輯。時間同步建立邏輯將接收到的同步開始時刻和同步脈衝周期、脈寬預設值(7)與GPS 標準時間信息(8)進行實時比較，若二者相等，則由GPS秒脈衝(9)觸發同步使能信號。普 通晶振分頻產生周期為T的時鐘信號clkl (11)，若同步脈衝周期預設值為m，脈寬為t，則時 間同步建立邏輯(4)產生周期為m*T，脈寬為t的同步脈衝。圖4為GPS時間同步裝置仿真時序圖。時序圖信號說明clk為普通晶振，頻率為IOMHz ；count 1為對普通晶振分頻產生 時鐘信號clkl的計數器，clkl頻率為IOOKHz ；count2為對clkl分頻產生同步脈衝的計數 器，COimt2值由預設的同步脈衝周期值決定；Count3為同步脈衝個數計數器；clk_clr為清 零信號；0ne_pps為GPS秒脈衝信號；Sye_en為同步使能信號，高電平有效；Syn_led_0ut為 同步脈衝指示信號，輸出接到發光二極體；syn_pulse為同步脈衝；syn_pulse_win為時間 窗信號。圖中假定普通晶振頻率為10MHz，同步建立後，使能信號變為高電平有效，計數器 count 1分頻產生一個IOKHz的時鐘clkl，同時計數器count2對clkl進行計數，產生預設 周期的同步脈衝。GPS同步脈衝可以直接對計數器countl清零，但由於同步脈衝不一定是 整數秒，GPS秒脈衝無法直接對計數器Count2進行清零。這裡採用計數器Count3對同步 脈衝進行計數，若同步脈衝周期為1. 3秒，十個同步脈衝就是13秒，在13秒時，GPS秒脈衝 可以對計數器coimt2清零，從而消除了累積誤差。圖中秒脈衝的周期為ls，同步脈衝的周 期也為ls，每十個同步脈衝長度進行一次清零。由於十個同步脈衝周期較長，為了防止在此 期間對計數器的意外清零，在前一個周期第十個同步脈衝開始後的80us和下個周期的第 一個同步脈衝開始後的80us開一個寬度為Ims使能窗syn_pulse_Win，只有在使能窗為高電平的情況下，對GPS秒脈衝的檢測才視為有效，並且在此窗內由GPS秒脈衝觸發產生寬度可調的強制清零信號clk_clr，使coimtl、count2, count3這三個計數器全部清零，進入下 一個計數周期，其時序仿真圖如圖4所示，這樣就消除了普通晶振不精準帶來的累計誤差， 實現了浮標各節點時間信息的高度精準，達到了同步保持的效果。表1是GPS輸出雙精度浮點數秒和整數秒。GPS時鐘同步裝置需要將主控計算機⑴下傳的同步開始時刻值與GPS標準時間 對齊，當寫入的開始同步時刻與GPS標準時間相等時，系統開始同步。由於GPS接收機輸出 的秒時間信息採用的是IEEE754雙精度浮點數的格式，在接收到足夠多的衛星信息(至少 四顆星)的情況下，GPS接收機進入導航模式，此時GPS接收機輸出的秒時間信息精確到小 數點後的20位，從GPS接收機中讀出來的通常並不是整數秒，而主控計算機下傳的是整數 秒，直接用整數秒和GPS接收機輸出的雙精度浮點數秒作比較二者是不可能相等的，因此 需要對GPS標準時間秒信息其進行修正，將其修正為整數。GPS接收機輸出的時間信息包括 小時、分鐘和秒。小時和分鐘的信息完全提取，而將GPS接收機輸出的64位雙精度浮點數， 只取其中的高24位，其餘位按零處理。表1列出了整數秒和GPS接收機輸出秒的IEEE754 雙精度浮點數的十六進位和十進位形式，由於篇幅有限，只列出了從51到60的十個數。從 表中可以很明顯的看出，只要將GPS接收機輸出的雙精度浮點數加上10000000000H，即可 形成整數秒。將修正後的GPS時間信息與預設的同步時刻進行實時對比，當兩者完全相同 時，則由GPS秒脈衝觸發系統的同步。
權利要求
分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是A.當GPS標準時間(8)與預設的同步時刻(7)相同時，由GPS秒脈衝(9)觸發系統同步，即時間同步的建立；B.開始同步後，根據預設的同步脈衝周期的和脈寬(7)，由普通晶振分頻產生時鐘信號clk1(11)，再由clk1分頻產生相應周期和脈寬的同步脈衝(5)；C.當同步脈衝的數目達到預先設定的個數時，GPS秒脈衝信號觸發產生一個強制清零信號(10)，使所有計數器重新計數，以消除普通晶振不精準帶來的累積誤差。
2.根據權利要求1所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是步驟A中 所述時間同步的建立的方法為GPS標準時間信息⑶與預設的同步時刻(7)實時對比，兩 者完全相同時，由GPS秒脈衝(9)觸發同步使能信號，系統開始同步(12)。
3.根據權利要求2所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是步驟A中所述的預設的同步時刻由主控計算機(1)通過無線電通信鏈(3)下傳給各節點同步裝置 ⑵。
4.根據權利要求1、2或3所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是 步驟B中所述的預設的同步脈衝周期和脈寬由主控計算機(1)通過無線電通信鏈(3)下傳 給各節點同步裝置(2)。
5.根據權利要求4所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是步驟B中 所述同步脈衝的周期和寬度大小由主控計算機(1)控制。
6.根據權利要求1、2或3所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是 步驟C中所述系統重新計數的周期的大小必須是同步脈衝的周期和GPS秒脈衝周期的最小 公倍數的整數倍。
7.根據權利要求4所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是步驟C中 所述系統重新計數的周期的大小必須是同步脈衝的周期和GPS秒脈衝周期的最小公倍數 的整數倍。
8.根據權利要求5所述的分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法，其特徵是步驟C中 所述系統重新計數的周期的大小必須是同步脈衝的周期和GPS秒脈衝周期的最小公倍數 的整數倍。
全文摘要
本發明提供的是一種分布式水聲定位系統GPS時鐘同步方法。A.當GPS標準時間與預設的同步時刻相同時，由GPS秒脈衝觸發系統同步，即時間同步的建立；B.開始同步後，同步裝置根據預設的同步脈衝周期的和脈寬，由普通晶振分頻產生時鐘信號clk1，再由clk1分頻產生相應周期和脈寬的同步脈衝；C.當同步脈衝的數目達到預先設定的個數時，GPS秒脈衝信號觸發產生一個強制清零信號，使所有計數器重新計數，以消除普通晶振不精準帶來的累積誤差。本發明用於分布式水聲定位系統中，能夠實現各節點之間的高精度同步，功耗小，成本低。
文檔編號G01S5/18GK101834684SQ20101014248
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者付進, 嵇建飛, 張光普, 梁國龍, 王燕 申請人:哈爾濱工程大學