分布式水聲定位系統(tǒng)gps時(shí)鐘同步方法

專利名稱：分布式水聲定位系統(tǒng)gps時(shí)鐘同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時(shí)間應(yīng)用技術(shù)及水聲測(cè)量技術(shù)，具體涉及水聲浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中的時(shí)間 同步方法。
背景技術(shù)：
時(shí)間應(yīng)用技術(shù)包括時(shí)間同步的建立與時(shí)間同步的保持兩方面的內(nèi)容。時(shí)間同步的 建立即用戶將本地時(shí)鐘與某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)，時(shí)間同步的保持則是依靠精確的頻標(biāo)維持本 地時(shí)鐘，使之與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的誤差越小越好。GPS是一種基于衛(wèi)星的全天候被動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，由于其精度高，使用經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單等特 點(diǎn)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種定位和授時(shí)系統(tǒng)。當(dāng)使用多浮標(biāo)法對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，各浮標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上應(yīng)保持 同步。每個(gè)浮標(biāo)要將數(shù)據(jù)打包回傳給主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，主控計(jì)算機(jī)在處理這些數(shù) 據(jù)時(shí)，需要將每個(gè)浮標(biāo)傳上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，與此同時(shí)，對(duì)于浮標(biāo)內(nèi)的信號(hào)處理機(jī)來(lái) 說(shuō)，每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)都應(yīng)有一個(gè)絕對(duì)記錄時(shí)刻，信號(hào)處理機(jī)接收同步脈沖，每次同步脈沖 到達(dá)，處理機(jī)重新啟動(dòng)定時(shí)器，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，從而保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的嚴(yán)格同
止
少ο在每個(gè)浮標(biāo)內(nèi)部使用一個(gè)高精度的時(shí)鐘可以達(dá)到這個(gè)要求，但是高精度時(shí)鐘功耗 較大，不符合浮標(biāo)低功耗的要求，價(jià)格也較為昂貴，成本較高。GPS的秒脈沖信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，它的誤差大約只有200ns，但是秒脈沖信號(hào)的 脈寬和周期都是固定的，當(dāng)測(cè)量速度較快或較慢的目標(biāo)時(shí)，1秒的同步周期是不合適的。本發(fā)明相關(guān)的公開(kāi)文獻(xiàn)有文獻(xiàn)1.專利申請(qǐng)?zhí)?2160275. IGPS定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘改進(jìn)方法和裝置及其應(yīng)用；文獻(xiàn)2.專利申請(qǐng)?zhí)?00620116716. 9 一種航標(biāo)狀態(tài)的GPS同步采集裝置；文獻(xiàn)3.專利申請(qǐng)?zhí)?00680053606. 5用于無(wú)線通信臺(tái)的GPS同步；文獻(xiàn)4.專利申請(qǐng)?zhí)?00710078817. 0用于無(wú)線通信系統(tǒng)的基站同步；文獻(xiàn)5.專利申請(qǐng)?zhí)?00580047621. 4基站間同步系統(tǒng)、同步控制裝置和基站；文獻(xiàn)6.專利申請(qǐng)?zhí)?00820124299. 1授時(shí)裝置、基站時(shí)鐘裝置及基站授時(shí)系統(tǒng)；文獻(xiàn)7.專利申請(qǐng)?zhí)?00610066992. 3 一種基站獲得和保持同步的方法；文獻(xiàn)8. Patent No :W02009135160(A2)GPS-BASED MULTI-MODESYNCHRONIZATION AND CLOCKING OF FEMT0-CELLS，PICO-CELLS AND MACR0BASE STATIONS ；文獻(xiàn)9. Patent No :CN101483432 (A) High precision GPS clock used in lightning timedifference detection station。文獻(xiàn)1發(fā)明了一種應(yīng)用在同步碼分多址系統(tǒng)中的GPS定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘改進(jìn)方法及
直ο文獻(xiàn)2涉及了一種航標(biāo)狀態(tài)的同步控制采集裝置，目的是提供一種可靠、有效的 航標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間同步裝置。
文獻(xiàn)3發(fā)明了一種用于確定、提供并利用全球定位系統(tǒng)(GPS)的不同信號(hào)時(shí)序和 無(wú)線通信系統(tǒng)(WCS)之間的精確時(shí)基關(guān)系，對(duì)于所述無(wú)線通信系統(tǒng)(WCS)，內(nèi)部WCS下行鏈 路時(shí)基標(biāo)準(zhǔn)不是固有地同步到GPS時(shí)序。文獻(xiàn)4發(fā)明一種為無(wú)線通信系統(tǒng)中多個(gè)基站進(jìn)行時(shí)間同步處理的系統(tǒng)和方法。文獻(xiàn)5提供一種能夠使多個(gè)基站之間實(shí)現(xiàn)高精度同步的基站間同步系統(tǒng)、同步控 制裝置和基站，在多個(gè)基站中的原振時(shí)鐘相互同步，能夠抑制各基站之間的相位差，使基站 之間實(shí)現(xiàn)高精度的同步。
文獻(xiàn)6公開(kāi)了一種授時(shí)裝置、基站時(shí)鐘裝置及基站授時(shí)系統(tǒng)，授時(shí)裝置攜帶有向 基站時(shí)鐘裝置發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)的信號(hào)發(fā)送接口，基站時(shí)鐘裝置攜帶有接收授時(shí)裝置發(fā)來(lái) 的時(shí)間同步信號(hào)的信號(hào)接收接口，信號(hào)發(fā)送接口和信號(hào)接收接口為對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化接口，信 號(hào)接收接口和信號(hào)發(fā)送接口之間基于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線連接。文獻(xiàn)7發(fā)明了一種基站獲得和保持同步的方法及裝置，同步時(shí)鐘單元輸出同步信 號(hào)，應(yīng)用在同步碼分多址系統(tǒng)中可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)同步信號(hào)。文獻(xiàn)8公開(kāi)了一種為移動(dòng)站提供時(shí)鐘同步和GPS定位方法，GPS時(shí)鐘模塊與外部 參考時(shí)鐘或頻率至少需要一個(gè)接口。文獻(xiàn)9發(fā)明了一種高精度GPS時(shí)鐘裝置，用于檢測(cè)打雷和閃電的時(shí)間差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同步精度高，同步脈沖周期和脈寬可調(diào)的分布式水聲 定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間⑶與預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻(7)相同時(shí)，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)系 統(tǒng)同步，即時(shí)間同步的建立；B.開(kāi)始同步后，GPS時(shí)間同步裝置據(jù)預(yù)設(shè)的同步脈沖周期的和脈寬(7)，由普通晶 振分頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)clkl (11)，再由clkl分頻產(chǎn)生相應(yīng)周期和脈寬的同步脈沖(5)；C.當(dāng)同步脈沖的數(shù)目達(dá)到預(yù)先設(shè)定的個(gè)數(shù)(12)時(shí)，GPS秒脈沖(9)信號(hào)觸發(fā)產(chǎn)生 一個(gè)強(qiáng)制清零信號(hào)，使所有計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)(10)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來(lái)的累積誤差。本發(fā)明還可以包括1.步驟B中所述同步脈沖的周期和脈寬由程序控制。2.步驟C中所述系統(tǒng)重新計(jì)數(shù)的周期的大小必須是同步脈沖的周期和GPS秒脈沖 周期的最小公倍數(shù)的整數(shù)倍。本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)分布式各節(jié)點(diǎn)之間嚴(yán)格同步的方法，利用秒脈沖和一個(gè)普 通的晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度同步，同步脈沖周期和脈寬可調(diào)。


圖1為GPS時(shí)間同步裝置在水聲定位系統(tǒng)中應(yīng)用示意2為GPS時(shí)間同步裝置原理框3為GPS時(shí)間同步裝置工作流程4為GPS時(shí)間同步裝置仿真時(shí)序圖
圖5的表1為整數(shù)秒和GPS輸出雙精度浮點(diǎn)數(shù)秒
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述圖1時(shí)GPS時(shí)間同步裝置在水聲定位系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖。分布式水聲定位定位系統(tǒng)有若干節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)在時(shí)間上應(yīng)保持同 步，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需加裝GPS時(shí)間同步裝置。主控計(jì)算機(jī)(1)將同步開(kāi)始時(shí)刻和同步脈 沖周期、脈寬的預(yù)設(shè)值(7)通過(guò)無(wú)線電通信鏈(3)發(fā)送給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到主控 計(jì)算機(jī)(1)發(fā)送的預(yù)設(shè)值之后，將預(yù)設(shè)值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(8)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比。圖2為GPS時(shí)間同步裝置原理框圖。節(jié)點(diǎn)接收到主控計(jì)算機(jī)(1)發(fā)送的同步開(kāi)始時(shí)刻和同步脈沖周期、脈寬預(yù)設(shè)值 (7)之后，時(shí)間同步建立邏輯(4)將預(yù)設(shè)值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(8)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)二者相等 時(shí)，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步時(shí)能信號(hào)，時(shí)間同步建立；開(kāi)始同步后，時(shí)間同步同步建立邏 輯⑷根據(jù)預(yù)設(shè)的同步脈沖周期的和脈寬(7)，由普通晶振分頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)clkl (11)，再 由clkl分頻產(chǎn)生相應(yīng)周期和脈寬的同步脈沖(5)；當(dāng)同步脈沖的數(shù)目達(dá)到預(yù)先設(shè)定的個(gè)數(shù) 時(shí)(12)，時(shí)間同步保持邏輯(6)根據(jù)GPS秒脈沖信號(hào)(9)觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)制清零信號(hào)(10)， 使所有計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來(lái)的累積誤差，時(shí)間同步得到保持。圖3為GPS時(shí)間同步裝置工作流程圖。GPS時(shí)間同步裝置工作流程圖分為兩個(gè)部分時(shí)間同步建立邏輯和時(shí)間同步保持 邏輯。時(shí)間同步建立邏輯將接收到的同步開(kāi)始時(shí)刻和同步脈沖周期、脈寬預(yù)設(shè)值(7)與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息(8)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，若二者相等，則由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步使能信號(hào)。普 通晶振分頻產(chǎn)生周期為T的時(shí)鐘信號(hào)clkl (11)，若同步脈沖周期預(yù)設(shè)值為m，脈寬為t，則時(shí) 間同步建立邏輯(4)產(chǎn)生周期為m*T，脈寬為t的同步脈沖。圖4為GPS時(shí)間同步裝置仿真時(shí)序圖。時(shí)序圖信號(hào)說(shuō)明clk為普通晶振，頻率為IOMHz ；count 1為對(duì)普通晶振分頻產(chǎn)生 時(shí)鐘信號(hào)clkl的計(jì)數(shù)器，clkl頻率為IOOKHz ；count2為對(duì)clkl分頻產(chǎn)生同步脈沖的計(jì)數(shù) 器，COimt2值由預(yù)設(shè)的同步脈沖周期值決定；Count3為同步脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器；clk_clr為清 零信號(hào)；0ne_pps為GPS秒脈沖信號(hào)；Sye_en為同步使能信號(hào)，高電平有效；Syn_led_0ut為 同步脈沖指示信號(hào)，輸出接到發(fā)光二極管；syn_pulse為同步脈沖；syn_pulse_win為時(shí)間 窗信號(hào)。圖中假定普通晶振頻率為10MHz，同步建立后，使能信號(hào)變?yōu)楦唠娖接行В?jì)數(shù)器 count 1分頻產(chǎn)生一個(gè)IOKHz的時(shí)鐘clkl，同時(shí)計(jì)數(shù)器count2對(duì)clkl進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生預(yù)設(shè) 周期的同步脈沖。GPS同步脈沖可以直接對(duì)計(jì)數(shù)器countl清零，但由于同步脈沖不一定是 整數(shù)秒，GPS秒脈沖無(wú)法直接對(duì)計(jì)數(shù)器Count2進(jìn)行清零。這里采用計(jì)數(shù)器Count3對(duì)同步 脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，若同步脈沖周期為1. 3秒，十個(gè)同步脈沖就是13秒，在13秒時(shí)，GPS秒脈沖 可以對(duì)計(jì)數(shù)器coimt2清零，從而消除了累積誤差。圖中秒脈沖的周期為ls，同步脈沖的周 期也為ls，每十個(gè)同步脈沖長(zhǎng)度進(jìn)行一次清零。由于十個(gè)同步脈沖周期較長(zhǎng)，為了防止在此 期間對(duì)計(jì)數(shù)器的意外清零，在前一個(gè)周期第十個(gè)同步脈沖開(kāi)始后的80us和下個(gè)周期的第 一個(gè)同步脈沖開(kāi)始后的80us開(kāi)一個(gè)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(duì)GPS秒脈沖的檢測(cè)才視為有效，并且在此窗內(nèi)由GPS秒脈沖觸發(fā)產(chǎn)生寬度可調(diào)的強(qiáng)制清零信號(hào)clk_clr，使coimtl、count2, count3這三個(gè)計(jì)數(shù)器全部清零，進(jìn)入下 一個(gè)計(jì)數(shù)周期，其時(shí)序仿真圖如圖4所示，這樣就消除了普通晶振不精準(zhǔn)帶來(lái)的累計(jì)誤差， 實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)各節(jié)點(diǎn)時(shí)間信息的高度精準(zhǔn)，達(dá)到了同步保持的效果。表1是GPS輸出雙精度浮點(diǎn)數(shù)秒和整數(shù)秒。GPS時(shí)鐘同步裝置需要將主控計(jì)算機(jī)⑴下傳的同步開(kāi)始時(shí)刻值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 對(duì)齊，當(dāng)寫入的開(kāi)始同步時(shí)刻與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相等時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始同步。由于GPS接收機(jī)輸出 的秒時(shí)間信息采用的是IEEE754雙精度浮點(diǎn)數(shù)的格式，在接收到足夠多的衛(wèi)星信息(至少 四顆星)的情況下，GPS接收機(jī)進(jìn)入導(dǎo)航模式，此時(shí)GPS接收機(jī)輸出的秒時(shí)間信息精確到小 數(shù)點(diǎn)后的20位，從GPS接收機(jī)中讀出來(lái)的通常并不是整數(shù)秒，而主控計(jì)算機(jī)下傳的是整數(shù) 秒，直接用整數(shù)秒和GPS接收機(jī)輸出的雙精度浮點(diǎn)數(shù)秒作比較二者是不可能相等的，因此 需要對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒信息其進(jìn)行修正，將其修正為整數(shù)。GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信息包括 小時(shí)、分鐘和秒。小時(shí)和分鐘的信息完全提取，而將GPS接收機(jī)輸出的64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)， 只取其中的高24位，其余位按零處理。表1列出了整數(shù)秒和GPS接收機(jī)輸出秒的IEEE754 雙精度浮點(diǎn)數(shù)的十六進(jìn)制和十進(jìn)制形式，由于篇幅有限，只列出了從51到60的十個(gè)數(shù)。從 表中可以很明顯的看出，只要將GPS接收機(jī)輸出的雙精度浮點(diǎn)數(shù)加上10000000000H，即可 形成整數(shù)秒。將修正后的GPS時(shí)間信息與預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，當(dāng)兩者完全相同 時(shí)，則由GPS秒脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的同步。
權(quán)利要求
分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(8)與預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻(7)相同時(shí)，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)系統(tǒng)同步，即時(shí)間同步的建立；B.開(kāi)始同步后，根據(jù)預(yù)設(shè)的同步脈沖周期的和脈寬(7)，由普通晶振分頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)clk1(11)，再由clk1分頻產(chǎn)生相應(yīng)周期和脈寬的同步脈沖(5)；C.當(dāng)同步脈沖的數(shù)目達(dá)到預(yù)先設(shè)定的個(gè)數(shù)時(shí)，GPS秒脈沖信號(hào)觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)制清零信號(hào)(10)，使所有計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來(lái)的累積誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是步驟A中 所述時(shí)間同步的建立的方法為GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息⑶與預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻(7)實(shí)時(shí)對(duì)比，兩 者完全相同時(shí)，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步使能信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始同步(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是步驟A中所述的預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻由主控計(jì)算機(jī)(1)通過(guò)無(wú)線電通信鏈(3)下傳給各節(jié)點(diǎn)同步裝置 ⑵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是 步驟B中所述的預(yù)設(shè)的同步脈沖周期和脈寬由主控計(jì)算機(jī)(1)通過(guò)無(wú)線電通信鏈(3)下傳 給各節(jié)點(diǎn)同步裝置(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是步驟B中 所述同步脈沖的周期和寬度大小由主控計(jì)算機(jī)(1)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是 步驟C中所述系統(tǒng)重新計(jì)數(shù)的周期的大小必須是同步脈沖的周期和GPS秒脈沖周期的最小 公倍數(shù)的整數(shù)倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是步驟C中 所述系統(tǒng)重新計(jì)數(shù)的周期的大小必須是同步脈沖的周期和GPS秒脈沖周期的最小公倍數(shù) 的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法，其特征是步驟C中 所述系統(tǒng)重新計(jì)數(shù)的周期的大小必須是同步脈沖的周期和GPS秒脈沖周期的最小公倍數(shù) 的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步方法。A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與預(yù)設(shè)的同步時(shí)刻相同時(shí)，由GPS秒脈沖觸發(fā)系統(tǒng)同步，即時(shí)間同步的建立；B.開(kāi)始同步后，同步裝置根據(jù)預(yù)設(shè)的同步脈沖周期的和脈寬，由普通晶振分頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)clk1，再由clk1分頻產(chǎn)生相應(yīng)周期和脈寬的同步脈沖；C.當(dāng)同步脈沖的數(shù)目達(dá)到預(yù)先設(shè)定的個(gè)數(shù)時(shí)，GPS秒脈沖信號(hào)觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)制清零信號(hào)，使所有計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來(lái)的累積誤差。本發(fā)明用于分布式水聲定位系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的高精度同步，功耗小，成本低。
文檔編號(hào)G01S5/18GK101834684SQ20101014248
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者付進(jìn), 嵇建飛, 張光普, 梁國(guó)龍, 王燕 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)