一種基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置及方法與流程

本發明屬于光電測試領域，涉及一種基于衛星導航系統的守時、授時精度測試裝置及方法。

背景技術：

時間同步就是將不同地方的時鐘對準，以其中一個時間作為標準時間，將另一個時鐘調整成標準時間，從而達到時鐘同步。隨著科學技術的發展，高精度的時間同步廣泛應用于各個行業。目前衛星授時系統主要有四種，分別是美國的GPS系統、中國的北斗系統、俄羅斯的GLONASS系統和歐洲旳伽利略系統。在我國境內，GPS系統和北斗系統的使用較為廣泛。

根據時鐘同步信號的構成，有兩種不同的同步實現方法，一種為串行/并行同步方式，一種為脈沖同步方式。

串行/并行同步方式一般使用IRIG-B碼(B時間碼，按其信號特性可以分為交流AC碼和直流DC碼)，B時間碼的時幀頻率為1幀/s；可傳遞100位的信息(包括：年，月，日，時，分，秒)。各類設備每秒接收串行/并行時間信息，根據此數據流實現時鐘同步。時鐘同步信息數據包含了年月日時分秒等精確到秒的整秒信息。該方式相對簡單，然而其最大的缺點是串行/并行接口獲取的數據在傳輸過程中存在一定的時延，時鐘同步精度較低，如需進一步提高時鐘同步精度，需結合其他方式。

脈沖同步方式，每隔固定的時間接收來自衛星的信號，產生一個脈沖信號，接收裝置根據此脈沖使用相應的硬件和軟件處理，將本地的時鐘進行調整，從而達到用戶時鐘的同步，在理想的情況下，脈沖的周期、頻率間隔均是等時間間距的接收。脈沖同步方式相對其他方式簡單、易用。該信號一般是整秒的時間脈沖，作為時鐘清零標準進行設備的時鐘同步。

在時間同步中最主要的指標是同步精度、守時精度。該項指標是B時間碼接口終端主要指標。根據B時間碼接口終端通用規范(GJB2991A-2008)，同步精度、守時精度的測量都需要被測設備可以輸出標準秒脈沖，并且測試時需要一臺Ⅳ型B碼接口終端。實際測試中存在以下問題：

(1)Ⅳ型B碼接口終端在實際使用中普及率較低，測試條件不易滿足；

(2)對于無標準秒脈沖輸出的設備，無有效測量手段；

(3)該測試方法只能對有脈沖同步輸出的設備進行測量，且無法對串行/并行同步進行測試。

技術實現要素：

為了解決背景技術中存在的技術問題，本發明提供一種基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置及方法。

本發明的技術解決方案是：一種基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置，其特殊之處在于：包括接收天線、衛星信號接收機、接口單元、B碼解調單元、主控制單元、時序機及延時PLL單元、計算機和溫度補償晶振；

所述衛星信號接收機的輸入端與接收天線相連，衛星信號接收機的輸出端通過接口單元分別與B碼解調單元、主控制單元以及計算機相連；

所述B碼解調單元通過接口單元與主控制單元相連；

所述主控制單元通過接口單元分別與被測設備以及計算機相連；

所述主控制單元在連接時序機及延時PLL單元后再通過接口單元與被測設備相連；

所述溫度補償晶振與主控制單元相連；

所述接口單元上設置有1PPS標準秒信號輸出接口、B時間碼輸出接口和測試接口。

較佳的，上述衛星信號接收機的PPS秒脈沖精度高于10ns，脈沖寬度為100±10ms，衛星鎖定時間小于1分鐘。

較佳的，上述接口單元具有RS422輸入輸出接口、RS232輸入輸出接口、LVDS輸入輸出接口和SMA輸入輸出接口；所述SMA輸入輸出接口的延時小于5ns。

較佳的，上述溫度補償晶振的工作頻率高于10MHz，頻率溫度穩定度為±5ppm，老化率為±5ppm/年。

較佳的，上述衛星信號接收機、接口單元、B碼解調單元、主控制單元、時序機及延時PLL單元和溫度補償晶振封裝于電控箱內部。

本發明還提供一種基于衛星授時系統的授時精度測試方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)將接口單元的1PPS標準秒信號輸出接口與被測設備的秒脈沖接口相連；將接口單元的B時間碼輸出接口與被測設備的B時間碼接口相連；將被測設備的待測信號輸出接口與接口單元的測試接口相連；

2)接收天線將接收到的衛星信號發送至衛星信號接收機，衛星信號接收機鎖定多顆衛星并接收衛星發送的B時間碼信號和1PPS秒脈沖信號；

3)衛星信號接收機將衛星鎖定信號通過接口單元發送至計算機，計算機判斷鎖定的衛星數量是否大于或者等于4顆；若是，則執行步驟4)；若否，則調整接收天線的位置并返回步驟2)；

4)衛星信號接收機將衛星鎖定信號和接收到的1PPS秒脈沖信號通過接口單元發送至主控制單元，衛星信號接收機將接收到的B時間碼信號通過接口單元發送至B碼解調單元；

5)B碼解調單元將經過誤碼糾錯或者相位自適應的B時間碼信號通過接口單元發送至主控制單元，并每秒更新一次數據；

主控制單元將接收到的B時間碼信號輸出至時序機及延時PLL單元，在時序機及延時PLL單元內完成交直流B時間碼的成形、精度對齊和延時輸出控制邏輯，然后通過接口單元的B時間碼輸出接口輸出至被測設備；

主控制單元將接收到的1PPS秒脈沖信號通過接口單元輸出至被測設備；

主控制單元接收溫度補償晶振輸出的時鐘信號，對時鐘信號進行分頻作為計數器，分頻后頻率不低于100MHz；通過計數值計算該時刻的微秒值，分辨率不低于0.1ms；計數值每秒由1PPS秒脈沖信號進行清零；

6)被測設備接收到B時間碼信號和1PPS秒脈沖信號后進行時間同步，同步完成后將待測信號通過接口單元的測試接口發送至主控制單元；

7)主控制單元記錄待測信號的到達時刻，讀取待測信號的B時間碼得到該時刻的天、時、分、秒信息，讀取計數器的計數值得到該時刻的微秒信息；主控制單元將得到的時刻信息通過接口單元發送至計算機；

8)計算機對被測設備的授時精度進行測試：

若待測信號為1PPS秒脈沖信號，則計算機讀取的時刻信息的天、時、分、秒值與被測設備一致，計算機讀取的時刻信息的微秒值即為被測設備的授時精度；

若待測信號為非1PPS秒脈沖信號，則計算機讀取的時刻信息的天、時、分、秒值與被測設備一致，計算機讀取的時刻信息的微秒值與待測信號的微秒值之差的絕對值即為被測設備的授時精度。

較佳的，上述授時精度是重復測試三次以后的最大值。

本發明還提供一種基于衛星授時系統的守時精度測試方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)將接口單元的1PPS標準秒信號輸出接口與被測設備的秒脈沖接口相連；將接口單元的B時間碼輸出接口與被測設備的B時間碼接口相連；

2)接收天線將接收到的衛星信號發送至衛星信號接收機，衛星信號接收機鎖定多顆衛星并接收衛星發送的B時間碼信號和1PPS秒脈沖信號；

3)衛星信號接收機將衛星鎖定信號通過接口單元發送至計算機，計算機判斷鎖定的衛星數量是否大于或者等于4顆；若是，則執行步驟4)；若否，則調整接收天線的位置并返回步驟2)；

4)衛星信號接收機將衛星鎖定信號和接收到的1PPS秒脈沖信號通過接口單元發送至主控制單元，衛星信號接收機將接收到的B時間碼信號通過接口單元發送至B碼解調單元；

5)B碼解調單元將經過誤碼糾錯或者相位自適應的B時間碼信號通過接口單元發送至主控制單元，并每秒更新一次數據；

主控制單元將接收到的B時間碼信號輸出至時序機及延時PLL單元，在時序機及延時PLL單元內完成交直流B時間碼的成形、精度對齊和延時輸出控制邏輯，然后通過接口單元的B時間碼輸出接口輸出至被測設備；

主控制單元將接收到的1PPS秒脈沖信號通過接口單元輸出至被測設備；

主控制單元接收溫度補償晶振輸出的時鐘信號，對時鐘信號進行分頻作為計數器，分頻后頻率不低于100MHz；通過計數值計算該時刻的微秒值，分辨率不低于0.1ms；計數值每秒由1PPS秒脈沖信號進行清零；

6)被測設備接收到B時間碼信號和1PPS秒脈沖信號后進行時間同步，同步完成后斷開被測設備與接口單元的連接；

被測設備獨立運行規定時間后，再將被測設備的待測信號輸出接口與接口單元的測試接口相連；被測設備將待測信號發送至主控制單元；

7)主控制單元記錄待測信號的到達時刻，讀取待測信號的B時間碼得到該時刻的天、時、分、秒信息，讀取計數器的計數值得到該時刻的微秒信息；主控制單元將得到的時刻信息通過接口單元發送至計算機；

8)計算機對被測設備的守時精度進行測試：

若待測信號為1PPS秒脈沖信號，則計算機讀取的時刻信息的天、時、分、秒值與被測設備一致，計算機讀取的時刻信息的微秒值即為被測設備的守時精度；

若待測信號為非1PPS秒脈沖信號，則計算機讀取的時刻信息的天、時、分、秒值與被測設備一致，計算機讀取的時刻信息的微秒值與待測信號的微秒值之差的絕對值即為被測設備的守時精度。

較佳的，上述守時精度是重復測試三次以后的最大值。

本發明的有益效果在于：

(1)本發明利用記錄待測信號到達時刻的方式進行計算守時、授時精度。提供了一種測試過程簡單，易于工程實現的基于GPS/北斗系統的守時、授時精度測試系統及方法。

(2)本發明測量守時、授時精度時不需要其它輔助設備，簡化了測試過程。

(3)本發明使用系統自身產生的1PPS標準秒脈沖、B時間碼信號對被測設備進行時間同步。有效的避免了使用不同1PPS標準秒脈沖、B時間碼信號所帶來的測試誤差。

(4)本發明接口單元具有RS422輸入接口、RS232輸入接口、LVDS輸入接口。可以完成多種待測信號的采集工作。本發明可以發送2V_p-p～8V_p-p的B(AC)時間碼及RS422、RS232的B(DC)時間碼信號至被測設備，提高了測試設備的通用性。

(5)本發明使用高精度溫度補償晶振作為頻準。該晶振具有較高的頻率溫度穩定度：±5ppm，減少了環境溫度對測試的影響；該晶振具有較低的老化率：±5ppm/年，提高了測試設備的穩定性及測試精度。

(6)本發明使用高精度時序機及延時PLL對B時間碼進行精度對齊及延時控制輸出，提高了測試精度。

(7)本發明使用計算機控制及數據采集技術實現了守時、授時精度自動測試，節省了勞動力和成本。

附圖說明

圖1為本發明基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置的系統示意圖。

具體實施方式

參見圖1，本發明提供一種基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置，其較佳實施例的系統構成主要包括接收天線、衛星信號接收機(本實施例中選用GPS/北斗接收機)、接口單元、B碼解調單元、高精度溫度補償晶振、主控制單元、高精度時序機及延時PLL和計算機。

接收天線與GPS/北斗接收機天線端相連。接口單元分別與GPS/北斗接收機、B碼解調單元、主控制單元、計算機相連。主控制單元分別與接口單元、高精度溫度補償晶振、高精度時序機及延時PLL相連。

GPS/北斗接收機的PPS秒脈沖的精度優于10ns，正脈沖，脈沖寬度100ms±10ms。GPS捕獲時間小于1分鐘。

接口單元具有RS422輸入輸出接口、RS232輸入輸出接口、LVDS輸入輸出接口、SMA輸入輸出接口。其中2路SMA輸出接口的延時均小于5ns。可以接收和發送2V_p-p～8V_p-p的B(AC)時間碼及RS422的B(DC)時間碼信號。

B碼解調單元具有B時間碼誤碼糾錯功能和B(AC)碼相位自適應功能。具有至少30位并行碼時間碼輸出功能(其中秒7位、分7位、時6位、天10位)，高電平有效，TTL電平。

高精度溫度補償晶振工作頻率高于10MHz；具有較高的頻率溫度穩定度：±5ppm；較低的老化率：±5ppm/年。

GPS/北斗接收機、接口單元、B碼解調單元、高精度溫度補償晶振、主控制單元、高精度時序機及延時PLL均封裝于電控箱內部。

本發明提供的基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置的工作原理如下：

接收天線接收到GPS/北斗信號，發送至GPS/北斗接收機。GPS/北斗接收機鎖定4顆以上的GPS/北斗衛星。接收衛星發送的B時間碼信號和1PPS秒脈沖信號。通過接口單元發送B時間碼信號至B碼解調單元，發送1PPS秒脈沖信號、機衛星鎖定信號至主控制單元。發送鎖定信號至計算機。

主控制單元接收到衛星鎖定信號后，接收B碼解調單元經過誤碼糾錯(DC碼)或相位自適應(AC碼)的B時間碼數據，每秒更新一次數據。B時間碼信號輸出到高精度時序機及延時PLL單元，在單元內完成交直流B時間碼的成形、精度對齊和延時輸出控制邏輯，然后輸出值接口單元。主控制單元接收1PPS秒脈沖后，直接進行時標信號轉發，作為標準1PPS秒脈沖。

主控制單元接收高精度溫度補償晶振輸出的時鐘信號，對時鐘信號進行分頻作為計數時鐘，分頻后頻率不低于100MHz；通過計數值計算該時刻的微秒值，分辨率不低于0.1us。計數值每秒由標準1PPS秒脈沖信號進行清零。

主控制單元通過接口單元向被測設備發送標準1PPS秒脈沖信號及B時間碼信號，用于時間同步。主控制單元接收被測設備發送的待測信號。記錄待測信號到達時(上升沿或下降沿)的時刻：讀取B時間碼和計數器計數值，得到該時刻的天、時、分、秒、微秒信息。將該結果通過接口單元發送至計算機。

本發明提供的基于衛星授時系統的守時、授時精度測試裝置的具體工作流程如下：

1)將系統1PPS標準秒信號輸出接口與被測設備秒脈沖接口相連；系統B時間碼輸出接口與被測設備B時間碼接口相連；將被測設備的特征信號輸出接口與系統的測試接口相連；

2)將接收天線置于戶外空曠場地，連接接收天線至GPS/北斗接收機。打開設備電源；

3)等待一分鐘，查看計算機是否接收到鎖定信息。若鎖定4顆及四顆以上衛星則進行下一步。若鎖定衛星少于4顆或鎖定失敗則調整接收天線位置，重復步驟2)；

4)被測設備接收系統發送的1PPS標準秒脈沖信號及B時間碼信號；等待被測設備進行時間同步；同步完成后，輸出特征信號至系統；

5)系統記錄特征信號到達(上升沿有效或下降沿有效)時刻(包括天、時、分、秒、微秒信息)；并且將該信息輸出至計算機。

6)根據測試要求及測試條件分為以下四種情況：

a)測試授時精度且輸出信號為1PPS秒脈沖信號：查看計算機測試結果，其中天、時、分、秒值應與被測設備一致(若不一致則串口/并口授時誤差大于等于1s，一般視為不合格)，微秒值既為授時精度；重復測試3次以上，取最大值為測試結果；

b)測試授時精度且輸出信號為非1PPS秒脈沖信號：查看計算機測試結果，其中天、時、分、秒值應與被測設備一致(若不一致則串口/并口授時誤差大于等于1s，一般視為不合格)，被測設備記錄的微秒值與系統微秒值之差的絕對值既為授時精度；重復測試3次以上，取最大值為測試結果；

c)測試守時精度且輸出信號為1PPS秒脈沖信號：同步完成后來，被測試設備斷開1PPS標準秒脈沖信號及B時間碼信號。被測設備獨立運行規定時間后(例如：30分鐘或24小時)開始測試，查看計算機測試結果，其中天、時、分、秒值應與被測設備一致(若不一致則串口/并口守時誤差大于等于1s，一般視為不合格)，微秒值既守時精度；重復測試3次以上，取最大值為測試結果；

d)測試守時精度且輸出信號為非1PPS秒脈沖信號：同步完成后來，被測試設備斷開1PPS標準秒脈沖信號及B時間碼信號。被測設備獨立運行規定時間后(例如：30分鐘或24小時)開始測試，查看計算機測試結果，其中天、時、分、秒值應與被測設備記錄值一致(若不一致則串口/并口授時誤差大于等于1s，一般視為不合格)，被測設備記錄的微秒值與系統微秒值之差的絕對值既為守時精度；重復測試3次以上，取最大值為測試結果。