一種輻射源監(jiān)測(cè)定位的gps時(shí)鐘同步系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著無線電通信事業(yè)的飛速發(fā)展，我國建設(shè)了大量的通信設(shè)施，有限的頻率 資源十分緊張，各種通信系統(tǒng)間的干擾時(shí)有發(fā)生，因此需要對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解 重點(diǎn)區(qū)域的電磁環(huán)境狀況，發(fā)現(xiàn)并消除干擾，保證通信系統(tǒng)暢通。
[0003] 要及時(shí)發(fā)現(xiàn)干擾源必須要對(duì)其進(jìn)行精確的定位，目前常用的時(shí)差定位（TDOA)技 術(shù)，將多個(gè)室外型監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，對(duì)同一輻射源進(jìn)行同步掃描，獲得帶有時(shí)標(biāo)的時(shí)域 數(shù)據(jù)，將時(shí)域數(shù)據(jù)匯聚到計(jì)算中心后利用時(shí)差定位技術(shù)估計(jì)輻射源的位置。而定位精度的 高低與時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確度和各聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)之間的同步程度有著密切的關(guān)系，因此要得到精 確的定位結(jié)果必須要保證各聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)之間高度的同步。
[0004] 各聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)間要實(shí)現(xiàn)同步即對(duì)各監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的授時(shí)使之與國際 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到精確同步。通常的授時(shí)系統(tǒng)可用原子鐘、銫鐘等來保證儀器的時(shí)間與國際標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到精確同步，但是它們的價(jià)格昂貴且搬運(yùn)不方便，不適合在監(jiān)測(cè)網(wǎng)中使用。目前， 許多正在應(yīng)用的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大都采用 了GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，以確保整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間具有高度的一致性，以免系統(tǒng)發(fā)生由于時(shí)間的不 一致而導(dǎo)致的不可預(yù)測(cè)性錯(cuò)誤。尤其在一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域，為了在不同的地理區(qū)域采 集到同一時(shí)刻的不同數(shù)據(jù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出正確的結(jié)論，這就要求每個(gè)采集系統(tǒng) 在時(shí)間上保持高度的一致性，否則得到的將是不正確的結(jié)論。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型在于通過外部時(shí)間（GPS)基準(zhǔn)，對(duì)本地晶振的頻率和分頻產(chǎn)生的秒脈 沖進(jìn)行測(cè)量和校正，獲得和國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致的秒脈沖信號(hào)和時(shí)間信息從而利用這些信 息對(duì)輻射源進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。
[0006] 本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)，包括：可編程門陣列FPGA電路板和與 其連接的數(shù)字信號(hào)處理器DSP，其中，F(xiàn)PGA電路板連接有GPS接收機(jī)和壓控恒溫晶體振蕩器 VCOCXO,其中，所述FPGA電路板上設(shè)有：解碼模塊、時(shí)間數(shù)據(jù)整合模塊、顯示/輸出模塊、時(shí) 間間隔測(cè)量模塊、分頻器、D/A轉(zhuǎn)化器，且所述GPS接收機(jī)接收GPS傳來的信號(hào)，并以1PPS的 方式傳遞給時(shí)間間隔測(cè)量模塊，所述GPS接收機(jī)將串行時(shí)間信息傳遞給解碼模塊，所述解 碼模塊將時(shí)刻信息傳遞給時(shí)間數(shù)據(jù)整合模塊，所述時(shí)間數(shù)據(jù)模塊將時(shí)刻輸出給顯示/輸出 豐旲塊。
[0008] 進(jìn)一步地，優(yōu)選的是，所述數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)設(shè)時(shí)差處理模塊和秒信號(hào)時(shí)差 校準(zhǔn)模塊，且所述時(shí)間數(shù)據(jù)整合模塊連接所述時(shí)差處理模塊，所述時(shí)差處理模塊連接所述 秒信號(hào)時(shí)差校準(zhǔn)模塊，所述秒信號(hào)時(shí)差校準(zhǔn)模塊連接到所述D/A轉(zhuǎn)化器。
[0009] 進(jìn)一步地，優(yōu)選的是，所述D/A轉(zhuǎn)化器連接所述壓控恒溫晶體振蕩器VCOCXO,所述 壓控恒溫晶體振蕩器VC0CX0連接到所述分頻器，所述分頻器的輸出一端連接顯示/輸出模 塊，一端連接到時(shí)間間隔測(cè)量模塊。
[0010] 本專利應(yīng)用于監(jiān)測(cè)接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)干擾源的定位，為干擾源的定位提供精確的標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)間信息。同時(shí)，可將以本專利為基礎(chǔ)的系統(tǒng)應(yīng)用于為航天測(cè)控系統(tǒng)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈、常規(guī)武 器試驗(yàn)時(shí)的測(cè)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。
[0011] 本實(shí)用新型的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書 中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本實(shí)用新型而了解。本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過 在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述，以使得本實(shí)用新型的上述優(yōu)點(diǎn)更加 明確。
[0013] 圖1是本實(shí)用新型輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的授時(shí)校頻系統(tǒng)框圖；
[0014]圖2本實(shí)用新型輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的時(shí)間同步模塊；
[0015] 圖3本實(shí)用新型輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的調(diào)頻過程流程圖；
[0016] 圖4本實(shí)用新型輻射源監(jiān)測(cè)定位的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的秒脈沖校準(zhǔn)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0018] 本實(shí)用新型介紹的GPS同步系統(tǒng)是基于外部時(shí)間基準(zhǔn)校準(zhǔn)本地晶振輸出頻率的 授時(shí)校頻系統(tǒng)。主要是通過外部時(shí)間（GPS)基準(zhǔn)，對(duì)本地晶振的頻率和分頻產(chǎn)生的秒脈沖 進(jìn)行測(cè)量和校正，獲得和國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致的秒脈沖信號(hào)和準(zhǔn)確的100MHz頻率輸出，來替 代本地晶振的輸出提供準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和頻率標(biāo)準(zhǔn)，其中，PPS:pulsepersecond的簡寫 所以lpps= 1Hz= 1次/秒。
[0019] 本實(shí)用新型所使用的技術(shù)方案主要包括以下三大部分。
[0020] 時(shí)間間隔測(cè)量：通過FPGA對(duì)GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖和本地晶振分頻產(chǎn)生的秒脈 沖進(jìn)行鑒相處理，得到時(shí)間差。
[0021] 將GPS接收機(jī)接收到的秒脈沖信號(hào)GPS_lpps作為起始信號(hào)，本地晶振分頻后產(chǎn)生 的秒信號(hào)l〇cal_ls作為終止信號(hào)，將這兩路脈沖信號(hào)輸入FPGA進(jìn)行比較，用頻率為100MHz 的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)接收機(jī)秒脈沖和本地晶振秒脈沖的時(shí)間間隔計(jì)量。
[0022] 當(dāng)GPS接收機(jī)秒脈沖上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，本地晶振秒脈沖上升沿到來 時(shí)計(jì)數(shù)停止，兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔就是本地振蕩器對(duì)GPS接收機(jī)秒脈沖的時(shí)間差。最終 的測(cè)量結(jié)果最大誤差為l〇ns。
[0023] 時(shí)差處理：
[0024] 由于GPS的秒脈沖上升沿相對(duì)準(zhǔn)確的GPS系統(tǒng)時(shí)刻有一定的隨機(jī)抖動(dòng)，因此不能 直接使用測(cè)得的時(shí)間間隔即時(shí)差進(jìn)行時(shí)間同步，為了消除這個(gè)隨機(jī)誤差的影響，必須對(duì)測(cè) 得的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)加以處理。這里采用改進(jìn)的最小二乘直線擬合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處 理。
[0025] 在對(duì)這些數(shù)據(jù)做最小二乘擬合之前，我們先對(duì)鑒相數(shù)據(jù)做一些初步的處理，剔除 野值，這樣可以使得到估計(jì)值更加精確。
[0026] 假設(shè)鑒相數(shù)組如下分布，數(shù)組長度b，數(shù)組數(shù)量a，鑒相初值S，相差y(每秒同方向 跑y)，
[0027]數(shù)組第一個(gè)元素array_phaseO[0]:
[0028]每秒鑒相值：S;S+y;S+2y;? ? ? ;S+(b_l)y?-共b個(gè)，
[0029] 相力P，并去除最大最小兩個(gè)值，累計(jì)和〃array_phase0[0]〃 = (b-2) S+bby/2~3by/2+y.
[0030]數(shù)組第二個(gè)元素array_phaseO[1]:
[0031]每秒鑒相值：S+by;S+by+y;S+by+2y;? ? ? ;S+by+(b_l)y?-共b個(gè)，
[0032] 相加，并去除最大最小兩個(gè)值，累計(jì)和〃array_phaseO[l]〃 = (b-2) (S+by)+bby/2~3by/2+y.
[0033]數(shù)組第三個(gè)元素array_phaseO[2]:
[0034]每秒鑒相值：S+2by;S+2by+y;S+2by+2y;? ? ? ;S+2by+(b_l)y. -共b個(gè)，
[0035] 相加，并去除最大最小兩個(gè)值，累計(jì)和〃array_phase0[2]〃 = (b-2) (S+2by)+bby/2~3by/2+y.
[0036]數(shù)組最后一個(gè)元素array_phaseO[a_l]:
[0037]每秒鑒相值：S+(a_l)by;S+(a_l)by+y;S+(a_l)by+2y;…；S+(a_l)by+(b_l) y. -共b個(gè)，
[0038] 相加，并去除最大最小兩個(gè)值，累計(jì)和〃array_phaseO[a-l]〃 = (b-2) (S+(a_l) by)++bby/2~3by/2+y.
[0039] 數(shù)組全部累計(jì)和，不再額外去除數(shù)組的最大最小值，得到以下的算式和= (aabb/2-aab-ab/2+a)y+(ab~2a)S
[0040] 將這些處理后的數(shù)據(jù)保存以備后用。
[0041] 最小二乘直線擬合的算法思想：
[0042] 對(duì)符合y'=Kx+B的一組數(shù)據(jù)，通過測(cè)量的實(shí)際點(diǎn)與直線上點(diǎn)的偏差的平方和最 小來得到最佳的K和B。其中B為初始相差，K是相位差的變化速率，可以通過對(duì)K與B的 估計(jì)值，得到GPS秒脈沖與本地鐘秒信號(hào)之間相位差的估計(jì)值。
[0043] 針對(duì)關(guān)系式中相位差的估計(jì)值_v =h+ /b推導(dǎo)如下：
[0046]
[0047] 其中上式中x是時(shí)間序列，y'是實(shí)際的相位差序列；均為已知序列，代入公式 可得K與B的估計(jì)值&與& 〇將&和6對(duì)應(yīng)到上面的數(shù)據(jù)處理推導(dǎo)中，可以得到&和6分 別對(duì)應(yīng) >
。&和6已由最小二乘擬合公式得 到，因此可以得到擬合后的鑒相數(shù)組的一秒相差的變化量即頻差.v=A//f>-2)鑒相初值 ，
[0048] 此估計(jì)值已經(jīng)減小了相位差中的隨機(jī)抖動(dòng)，獲得了相對(duì)比較真實(shí)的相位差。
[0049] 秒信號(hào)時(shí)差校準(zhǔn)。秒信號(hào)時(shí)差校準(zhǔn)由頻率校準(zhǔn)和秒脈沖同步校準(zhǔn)兩部分組成。
[0050] 頻率校準(zhǔn)部分。
[0051] 在頻率校準(zhǔn)階段，高穩(wěn)晶振的分頻秒脈沖開始跟蹤外部時(shí)間基準(zhǔn)的1PPS。此時(shí)由 于存在一定相位差，并且高穩(wěn)晶振的電壓控制端電壓尚未建立，高穩(wěn)晶振的頻率還存在一 定的偏差，該階段主