一种高精度的GPS同步授时系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度的GPS同步授时系统和方法，所述系统包括电路连接的GPS天线、精密授时模块、ARM处理器和外部有源的压控晶振器；所述的方法包括以下步骤：步骤1、初始化硬件设备；步骤2、配置精密授时模块；步骤3、本地时间同步授时；步骤4、计算本地时间；步骤5、系统主频的模拟校正；步骤6、系统主频的数字校正；步骤7、重复步骤4到步骤6，使得系统的频率达到目标频率，实现系统时间的精确同步，将本地时间同步到标准时间，时钟精度可以达到微秒级，时间误差稳定在1us以内。本发明专利技术具有低功耗、质量轻巧、研制周期短、环境适应性强等特点，适用于对多处设备间需要高精度同步控制的场合。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的GPS同步授时系统及方法
本专利技术涉及GPS授时系统
，具体涉及一种基于GPS的高精度同步授时系统及方法，可用于多设备间的高精度同步控制，尤其是涉及检测系统中各单元装置高精度时间同步信息的精确实现，时钟精度可以达到微秒级。
技术介绍
GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，授时系统从卫星上获取标准的三维位置，精确时间等导航信息，将这些信息通过各种接口传送给自动化系统中需要时间信息的计算机设备、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置等,进而实现整个系统的时间同步。随着计算机和网络通信技术的飞速发展,自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台,另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。众所周知，计算机的时钟一般采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，时钟本身不可避免地存在误差。例如，某精度为±20ppm的时钟，其每小时的误差为：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)＝72ms，一天的累计误差可达1.73s；若其工作的环境温度从额定25℃变为45℃，则还会增加±25ppm的额外误差。可见，分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)中的时钟若不经定期同步校准，自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，作为一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，搭载了高稳定高精准的原子钟，可以作为其他设备的时频标准。GPS能够为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，实用性强。其中，GPS接收机能接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息。GPS具有精准度高、性价比高、抗干扰能力强、使用方便等特点，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。随着晶振制造技术的发展，目前在要求高精度时钟的应用中，已有各种高稳定性晶振体可供选用，如TCXO(温度补偿晶振)、VCXO(压控晶振)、OCXO(恒温晶振)等。其中，压控晶体振荡器又叫做压控晶振(VCXO)，主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。压控晶振可用控制电压将频率进行小范围调整，控制电压范围一般为0V至2V或0V至3V。VCXO的调谐范围为±100PPM至±200PPM。此处，PPM的全称为PartPerMillion，意指百万分之一的频率跳动值。因VCXO具有传输性能好、抗干扰性强、节省功率等优点，大多用于锁相技术、频率负反馈系统及频率调制，已是通信机、移动电话、寻呼机、全球定位系统(GPS)等众多电子应用系统中必不可少的关键部件。由于受到跟踪的卫星数目、卫星钟差、传导距离、电磁干扰和接收机性能等因素影响，GPS接收机输出的时间码存在一定的随机误差ε，ε服从正态分布ε～N(0，σ2)，但是没有累积误差。而压控晶振时钟信号的随机误差较小，稳定性强，不过由于器件老化、短期扰动和外界环境等一些因素的影响，存在频率漂移现象，具有较大的累积误差。如果压控晶振长期不间断的运行，频率将无法满足工作所需的精度与稳定度，因此需要通过实时的自动调控压控端电压来进行频率校准。根据GPS时钟信号和压控晶振时钟信号精度互补这一特性，通过对系统频率的模拟校正以及数字校正，得到高稳频率信息，并将本地时间同步到标准时间，以维持短期和长期的时间精度和稳定性。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述现有技术的不足，提出了一种高精度的GPS同步授时系统及方法。本专利技术的技术方案为：一种高精度的GPS同步授时系统，包括：GPS天线，用于接收卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号发送给精密授时模块处理；精密授时模块，一方面用于接收GPS天线发送的电压或电流信号，再把原始观测数据传递给ARM处理器；另一方面通过UART异步通信接收ARM处理器发送的数据，并进行数据处理以及作出相应的信息反馈，同时根据自身的EXTINT0和EXTINT1引脚电平变化，向所述ARM处理器发送其引脚电平变化时的GPS时间码；ARM处理器，通过控制精密授时模块的引脚电平、解析所述精密授时模块发送的GPS时间码与本地时间对时，以进行对系统主频的模拟校正以及数字校正，使得系统得到高稳频率信息，并将本地时钟同步到标准时间，以维持短期和长期的时间精度和稳定性；外部有源的压控晶振器，用于提供系统的时钟源，并通过实时地调控其压控端的输入电压，使其输出频率随之改变，进行系统频率校准。优选地，所述压控晶振器型号为TG5032CAN；所述精密授时模块型号为NEO-LEA-M8T。优选地，所述ARM处理器型号为STM32L4+单片机。上述方案对于系统的同步授时，ARM处理器通过控制NEO-LEA-M8T精密授时模块的引脚电平，解析NEO-LEA-M8T精密授时模块发来的GPS时间码，与本地有源的压控晶振器TG5032CAN分频的ARM处理器的定时器对时，根据对时误差调整压控晶振的输入电压，使其输出频率随之改变，对系统主频进行模拟校正；再者，系统根据对时误差调整定时器的分频因子，对系统主频进行数字校正。系统通过模拟校正以及数字校正，使得系统的频率达到目标频率，实现系统时间的精确同步，并将本地时间同步到标准时间，保证短期和长期的时间精度和稳定性，时间误差稳定在1us以内。一种高精度的GPS同步授时方法，包括步骤：步骤1、初始化硬件设备：对硬件平台上电，初始化串口和子系统硬件平台；步骤2、配置NEO-LEA-M8T精密授时模块：ARM处理器通过UART异步通信向精密授时模块发送数据，设置精密授时模块的参数，使授时模块因EXTINT1引脚电平变化而发送对应的引脚电平变化时的GPS时间码，并保存配置；步骤3、本地时间同步授时：ARM处理器通过控制精密授时模块的EXTINT1引脚电平，使得精密授时模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，对所述GPS时间码进行解析并与EXTINT1引脚电平变化时的本地时间对时，调整本地时间，使其同步到标准的GPS时间；步骤4、计算本地时间：根据所述ARM处理器的定时器TIM2和LPTIM1各自计数值计算本地时间的微秒，其中，本地时间的秒由LPTIM1的1秒中断累加，小时、分钟根据累加的秒数计算，年、月、日从所述精密授时模块发送的GPS时间码解析获取；步骤5、系统主频的模拟校正：所述ARM处理器通过控制精密授时模块的引脚电平，使精密授时模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，对所述GPS时间码进行解析并与EXTINT1引脚电平变化时的本地时间对时，根据对时误差调整外部有源的压控晶振器的输入电压，使其输出频率随之改变，对系统主频进行模拟校正；步骤6、系统主频的数字校正：ARM处理器通过控制NEO-LEA-M8T精密授时模块的引脚电平，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度的GPS同步授时系统，其特征在于，包括：GPS天线，用于接收卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号发送给精密授时模块处理；精密授时模块，一方面用于接收GPS天线发送的电压或电流信号，再把原始观测数据传递给ARM处理器；另一方面通过UART异步通信接收ARM处理器发送的数据，并进行数据处理以及作出相应的信息反馈，同时根据自身的EXTINT0和EXTINT1引脚电平变化，向所述ARM处理器发送其引脚电平变化时的GPS时间码；ARM处理器，通过控制精密授时模块的引脚电平、解析所述精密授时模块发送的GPS时间码与本地时间对时，以进行对系统主频的模拟校正以及数字校正，使得系统得到高稳频率信息，并将本地时钟同步到标准时间，以维持短期和长期的时间精度和稳定性；外部有源的压控晶振器，用于提供系统的时钟源，并通过实时地调控其压控端的输入电压，使其输出频率随之改变，进行系统频率校准。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的GPS同步授时系统，其特征在于，包括：GPS天线，用于接收卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号发送给精密授时模块处理；精密授时模块，一方面用于接收GPS天线发送的电压或电流信号，再把原始观测数据传递给ARM处理器；另一方面通过UART异步通信接收ARM处理器发送的数据，并进行数据处理以及作出相应的信息反馈，同时根据自身的EXTINT0和EXTINT1引脚电平变化，向所述ARM处理器发送其引脚电平变化时的GPS时间码；ARM处理器，通过控制精密授时模块的引脚电平、解析所述精密授时模块发送的GPS时间码与本地时间对时，以进行对系统主频的模拟校正以及数字校正，使得系统得到高稳频率信息，并将本地时钟同步到标准时间，以维持短期和长期的时间精度和稳定性；外部有源的压控晶振器，用于提供系统的时钟源，并通过实时地调控其压控端的输入电压，使其输出频率随之改变，进行系统频率校准。2.根据权利要求1所述的高精度的GPS同步授时系统，其特征在于，所述压控晶振器型号为TG5032CAN；所述精密授时模块型号为NEO-LEA-M8T。3.根据权利要求1所述的高精度的GPS同步授时系统，其特征在于，所述ARM处理器型号为STM32L4+单片机。4.一种高精度的GPS同步授时方法，其特征在于，包括步骤：步骤1、初始化硬件设备：对硬件平台上电，初始化串口和子系统硬件平台；步骤2、配置NEO-LEA-M8T精密授时模块：ARM处理器通过UART异步通信向精密授时模块发送数据，设置精密授时模块的参数，使授时模块因EXTINT1引脚电平变化而发送对应的引脚电平变化时的GPS时间码，并保存配置；步骤3、本地时间同步授时：ARM处理器通过控制精密授时模块的EXTINT1引脚电平，使得精密授时模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，对所述GPS时间码进行解析并与EXTINT1引脚电平变化时的本地时间对时，调整本地时间，使其同步到标准的GPS时间；步骤4、计算本地时间：根据所述ARM处理器的定时器TIM2和LPTIM1各自计数值计算本地时间的微秒，其中，本地时间的秒由LPTIM1的1秒中断累加，小时、分钟根据累加的秒数计算，年、月、日从所述精密授时模块发送的GPS时间码解析获取；步骤5、系统主频的模拟校正：所述ARM处理器通过控制精密授时模块的引脚电平，使精密授时模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，对所述GPS时间码进行解析并与EXTINT1引脚电平变化时的本地时间对时，根据对时误差调整外部有源的压控晶振器的输入电压，使其输出频率随之改变，对系统主频进行模拟校正；步骤6、系统主频的数字校正：ARM处理器通过控制NEO-LEA-M8T精密授时模块的引脚电平，使得模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，对所述GPS时间码进行解析并与EXTINT1引脚电平变化时的本地时间对时，根据对时误差调整ARM处理器定时器的分频因子，对系统主频进行数字校正；步骤7、重复步骤4到步骤6，使得系统的频率达到目标频率，实现系统时间的精确同步，将本地时间同步到标准时间。5.根据权利要求4所述的高精度的GPS同步授时方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：ARM处理器通过控制授时模块的EXTINT1引脚电平，检测精密授时模块发送的时间数据是否有效；待精密授时模块正常发送有效的时间数据后，在定时器LPITIM1发生1秒中断时，所述ARM处理器通过控制精密授时模块的EXTINT1引脚电平，使得精密授时模块发送其引脚电平变化时的GPS时间码，所述ARM处理器解析GPS时间码，并与精密授时模块引脚电平变化时的本地时间对时，根据时间误差调整本地时间，使其同步到标准的GPS时间。6.根据权利要求4所述的高精度的GPS同步授时方法，其特征在于，步骤4中，计算本地时间的微秒的公式如下：us＝LPTIM1_SCALE*LPTIM1_CNT+TIM2_SCALE*TIM2_CNT＝31.25*LPTIM1_CNT+0.05*TIM2_CNT其中，LPTIM1_CNT为LPTIM1的实际计数值，数值范围为0～(32000-1)；TIM2_CNT为TIM2的实际计数值，数值范围0～(1000-1)。7.根据权利要求4所述的高精度的GPS同步授时方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富春，贺云，李向阳，杨德华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44