本发明专利技术是一种全球定位系统接收机的低成本授时与同步方法及设备，涉及时间的授予及同步领域，尤其涉及基于全球定位系统的，例如美国的全球定位系统（ＧＰＳ），在基带处理芯片级别实现的低成本授时与同步领域。本发明专利技术改进了基于全球定位系统的授时与同步方法，基于全球定位系统基带处理芯片设备实现。该发明专利技术通过全球定位系统计算出的协调世界时间对晶振进行软校准，通过时间代码和同步脉冲信号的组合实现对外部设备授时，利用低成本的晶振即可实现高精度授时。同时该发明专利技术不需要以硬件形式对晶振进行校准，大大简化了系统设计，降低了成本，同时具备硬件开销小，可扩展性强，可靠性高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及时间的授予及同步领域，尤其涉及基于全球定位系统，属 于在基带处理芯片级别实现的低成本授时与同步领域。
技术介绍
全球卫星定位与导航系统，例如美国的全球定位系统(GPS)，包括一 组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号 能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以 便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况 是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩展频信号。商业上 使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码) 的直接序列二相扩展信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆 码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于l毫秒 的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从 几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语"卫 星星号"和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电 文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧 又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期， 卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历 (ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五 包含了 1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及l-32 颗卫星的历书(alamanc)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。协调世界时(Coordinate Universal Time, UTC)是一种国际标准的时 间标度。它由来自原子钟驱动的时间标度和以地球旋转速率为基准的时间 标度UT1输入组成。来自原子钟的原子时具有刻度均匀的优点，而基于地 球旋转速率的时间标度在很多应用场合同样重要。为协调两种时间，UTC 的秒长严格等于原子时的秒长，同时国际地球旋转局(IERS)负责确定合 适在UTC时间上加或减一个闰秒，使得UTC和世界时同步。全球定位系统为满足精密定位与导航的需要，在系统设计与试验指出 就建立了自己专用的时间系统。GPS系统时是以UTC (USNO)为参照的。 UTC (USNO)是原子美国海军天文台(USNO)利用持有的20多个铯标 准组，以及天文数据形成自己的UTC版本。UTC (USNO)保持处于UTC 的l/^以内。GPS是个连续的时间标度，不用闰秒来调整。GPS系统时与 UTC (NSNO)在1980年月6日0时是重合的。GPS控制区段调节GPS 系统时使之处于UTC (NSNO) l戸内。GPS接收机的主要目标之一是确定PN码的到达时间。术语"GPS到 达之间"指GPS卫星PN码到达GPS接收机的时间。这是通过将(每一 接收信号)本地产生的PN参考信号与接收的信号相比并且"滑动"本地 基准直至与接收信号在时间上对齐来完成的。通过称之为"相关"的相乘 和积分过程，将这两个信号相互比较。当两个信号在时间上是对齐时，输 出的结果为最大。通过这种方法可以使接收机时间和GPS时间同步上。包含在导航电文中的，与绝对时间信号相关联的周时间(TOW)数据 使GPS接收机能够精确地和可靠地确定本地UTC时间。TOW数据由所 有的卫星按6秒钟的时间间隔传送。GPS接收机可以使用绝对时间信号以 准确地确定位置。 一旦知道了位置所在，可以通过利用接收机和卫星之间 的，可计算的传播延迟来补偿接收机从卫星导航电文中得到的明确的时间 得到。GPS信号所包含的数据的详细信息可以在接口控制文件(Interface Control Document)ICD-GPS-200C中找到，该文件于1993年制定，于2003 年更新，由Rockwell Internation Corporation出版。授时的方法有很多种，与经典的授时方法相比，GPS授时精度较高，设备简单经济可靠，且可在全球连续实时地进行，故得到了广泛的应用。NMEA标准是由美国国家船舶电子协会(National Marine Electronics Association)制定的用于船舶电子设备接口的标准，主要规定了电子信号 要求，数据传输协议等内容。其中用于GPS接收机接口的NMEA0183协 议被业界广泛接收，成为GPS接收机输出传输工业标准。其中在 Recommended Minimum Specific GPS / TRANSIT Data(RMC)格式中的第 一部分含有小时、分钟、秒和毫秒的UTC时间信息，格式为hhmmss.sss。 第九部分包含了年、月、日的UTC日期信息，格式为ddmmyy。其中由于 串口输出本身的延时性，以及接收机嵌入式处理器计算的延迟性，利用串 口输出的毫秒级别时间信息并不精确，因而绝大多数GPS厂家都没有使用 期毫秒信息的输出。目前市场上见到的绝大部分GPS授时产品都是第三方公司在GPS基 带处理芯片的基础上做二次开发获得的。而这些GPS基带处理芯片绝大多 数都是针对定位需求设计，对授时没有特殊的优化，使得系统开发商需要 相当额外的工作，同时授时系统成本由于增加了大量额外的设备而大大增 加。另一方面，普通GPS基带处理芯片的内部主频主要为其嵌入式处理器 的需要，频率较低，用于时钟校准的频率往往更低，使得本地时钟的时间 分辨率误差较大。绝大多数的GPS授时产品依赖高精度的外部晶振提高授时的精度，其 中包含了频率稳定度在10-8左右的温度补偿晶振(TCXO)和频率稳定度 在10-9左右但昂贵的多的恒温晶振(OCXO)，有的产品甚至使用极为昂 贵的原子钟作为参考源。晶振部分成本在系统整体成本中的比重越来越 高，甚至已经大大超过基带处理芯片本身。对晶振进行补偿是提高晶振精度，减低对晶振要求和成本的有效方法。 现有授时方案往往通过GPS时间转变成模拟量直接对晶振进行补偿，但该 类方案结构复杂，模拟电路的引入了额外的设计难度和问题，成本大幅增 加，系统稳定度不高。而且需要专门定制晶振及其补偿电路，而且只能使 用TCXO不能使用OCXO。同时由于实时补偿，使得两次校准之间的频率 不稳定。另外一些方案使用数字频率合成DDS来实现频率输出，解决两8次校准之间频率不稳定的问题。但是其频率稳定度依然基于DDS的晶振，同时该方案结构更为复杂，GPS基带处理芯片和DDS之间需要复杂的编 码控制电路，成本高。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种基于全球定位系统接收机的芯片级低成本授时 与同步方法及其设备。本专利技术基于全球定位系统(GPS)基带处理芯片实 现，利用低成本的晶振即可实现高精度的授时。本专利技术提出的全球定位系统的授时与同步方法，包括以下步骤计算协调世界时间(UTC)步骤，通过软件方法计算协调世界时间；计算同步脉冲步骤，通过软件方法和硬件方法计算同步脉冲； 对晶振校准步骤，通过计算出的协调世界时间对晶振进行软校准；对外部设备授时步骤，通过时间代码和同步脉冲信号的组合实现对外 部设备授时。进一步，所述计算协调世本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全球定位系统的授时与同步方法，其特征在于，包括： 计算协调世界时间步骤，通过软件方法计算协调世界时间； 计算同步脉冲步骤，通过软件方法和硬件方法计算同步脉冲； 对晶振校准步骤，通过计算出的协调世界时间对晶振进行软校准； 对外部设备授时步骤，通过时间代码和同步脉冲信号的组合实现对外部设备授时。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑睿，陈杰，李健，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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