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

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時鐘同步方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時間⑶與預(yù)設(shè)的同步時刻(7)相同時，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)系 統(tǒng)同步，即時間同步的建立；B.開始同步后，GPS時間同步裝置據(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)生時鐘信號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)目達到預(yù)先設(shè)定的個數(shù)(12)時，GPS秒脈沖(9)信號觸發(fā)產(chǎn)生 一個強制清零信號，使所有計數(shù)器重新計數(shù)(10)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來的累積誤差。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)明提供了一種實現(xiàn)分布式各節(jié)點之間嚴(yán)格同步的方法，利用秒脈沖和一個普 通的晶振來實現(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時間同步裝置在水聲定位系統(tǒng)中應(yīng)用示意2為GPS時間同步裝置原理框3為GPS時間同步裝置工作流程4為GPS時間同步裝置仿真時序圖
圖5的表1為整數(shù)秒和GPS輸出雙精度浮點數(shù)秒
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述圖1時GPS時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，每個節(jié)點測量的數(shù)據(jù)在時間上應(yīng)保持同 步，因此每個節(jié)點都需加裝GPS時間同步裝置。主控計算機(1)將同步開始時刻和同步脈 沖周期、脈寬的預(yù)設(shè)值(7)通過無線電通信鏈(3)發(fā)送給各個節(jié)點。每個節(jié)點接收到主控 計算機(1)發(fā)送的預(yù)設(shè)值之后，將預(yù)設(shè)值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間(8)進行實時對比。圖2為GPS時間同步裝置原理框圖。節(jié)點接收到主控計算機(1)發(fā)送的同步開始時刻和同步脈沖周期、脈寬預(yù)設(shè)值 (7)之后，時間同步建立邏輯(4)將預(yù)設(shè)值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間(8)進行實時比較，當(dāng)二者相等 時，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步時能信號，時間同步建立；開始同步后，時間同步同步建立邏 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)生時鐘信號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)目達到預(yù)先設(shè)定的個數(shù) 時(12)，時間同步保持邏輯(6)根據(jù)GPS秒脈沖信號(9)觸發(fā)產(chǎn)生一個強制清零信號(10)， 使所有計數(shù)器重新計數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來的累積誤差，時間同步得到保持。圖3為GPS時間同步裝置工作流程圖。GPS時間同步裝置工作流程圖分為兩個部分時間同步建立邏輯和時間同步保持 邏輯。時間同步建立邏輯將接收到的同步開始時刻和同步脈沖周期、脈寬預(yù)設(shè)值(7)與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時間信息(8)進行實時比較，若二者相等，則由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步使能信號。普 通晶振分頻產(chǎn)生周期為T的時鐘信號clkl (11)，若同步脈沖周期預(yù)設(shè)值為m，脈寬為t，則時 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時間同步裝置仿真時序圖。時序圖信號說明clk為普通晶振，頻率為IOMHz ；count 1為對普通晶振分頻產(chǎn)生 時鐘信號clkl的計數(shù)器，clkl頻率為IOOKHz ；count2為對clkl分頻產(chǎn)生同步脈沖的計數(shù) 器，COimt2值由預(yù)設(shè)的同步脈沖周期值決定；Count3為同步脈沖個數(shù)計數(shù)器；clk_clr為清 零信號；0ne_pps為GPS秒脈沖信號；Sye_en為同步使能信號，高電平有效；Syn_led_0ut為 同步脈沖指示信號，輸出接到發(fā)光二極管；syn_pulse為同步脈沖；syn_pulse_win為時間 窗信號。圖中假定普通晶振頻率為10MHz，同步建立后，使能信號變?yōu)楦唠娖接行?，計?shù)器 count 1分頻產(chǎn)生一個IOKHz的時鐘clkl，同時計數(shù)器count2對clkl進行計數(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計數(shù)器countl清零，但由于同步脈沖不一定是 整數(shù)秒，GPS秒脈沖無法直接對計數(shù)器Count2進行清零。這里采用計數(shù)器Count3對同步 脈沖進行計數(shù)，若同步脈沖周期為1. 3秒，十個同步脈沖就是13秒，在13秒時，GPS秒脈沖 可以對計數(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，每十個同步脈沖長度進行一次清零。由于十個同步脈沖周期較長，為了防止在此 期間對計數(shù)器的意外清零，在前一個周期第十個同步脈沖開始后的80us和下個周期的第 一個同步脈沖開始后的80us開一個寬度為Ims使能窗syn_pulse_Win，只有在使能窗為高電平的情況下，對GPS秒脈沖的檢測才視為有效，并且在此窗內(nèi)由GPS秒脈沖觸發(fā)產(chǎn)生寬度可調(diào)的強制清零信號clk_clr，使coimtl、count2, count3這三個計數(shù)器全部清零，進入下 一個計數(shù)周期，其時序仿真圖如圖4所示，這樣就消除了普通晶振不精準(zhǔn)帶來的累計誤差， 實現(xiàn)了浮標(biāo)各節(jié)點時間信息的高度精準(zhǔn)，達到了同步保持的效果。表1是GPS輸出雙精度浮點數(shù)秒和整數(shù)秒。GPS時鐘同步裝置需要將主控計算機⑴下傳的同步開始時刻值與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間 對齊，當(dāng)寫入的開始同步時刻與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間相等時，系統(tǒng)開始同步。由于GPS接收機輸出 的秒時間信息采用的是IEEE754雙精度浮點數(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接收機進入導(dǎo)航模式，此時GPS接收機輸出的秒時間信息精確到小 數(shù)點后的20位，從GPS接收機中讀出來的通常并不是整數(shù)秒，而主控計算機下傳的是整數(shù) 秒，直接用整數(shù)秒和GPS接收機輸出的雙精度浮點數(shù)秒作比較二者是不可能相等的，因此 需要對GPS標(biāo)準(zhǔn)時間秒信息其進行修正，將其修正為整數(shù)。GPS接收機輸出的時間信息包括 小時、分鐘和秒。小時和分鐘的信息完全提取，而將GPS接收機輸出的64位雙精度浮點數(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接收機輸出秒的IEEE754 雙精度浮點數(shù)的十六進制和十進制形式，由于篇幅有限，只列出了從51到60的十個數(shù)。從 表中可以很明顯的看出，只要將GPS接收機輸出的雙精度浮點數(shù)加上10000000000H，即可 形成整數(shù)秒。將修正后的GPS時間信息與預(yù)設(shè)的同步時刻進行實時對比，當(dāng)兩者完全相同 時，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時鐘同步方法，其特征是A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時間(8)與預(yù)設(shè)的同步時刻(7)相同時，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)系統(tǒng)同步，即時間同步的建立；B.開始同步后，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)生時鐘信號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)目達到預(yù)先設(shè)定的個數(shù)時，GPS秒脈沖信號觸發(fā)產(chǎn)生一個強制清零信號(10)，使所有計數(shù)器重新計數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來的累積誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式水聲定位系統(tǒng)GPS時鐘同步方法，其特征是步驟A中 所述時間同步的建立的方法為GPS標(biāo)準(zhǔn)時間信息⑶與預(yù)設(shè)的同步時刻(7)實時對比，兩 者完全相同時，由GPS秒脈沖(9)觸發(fā)同步使能信號，系統(tǒng)開始同步(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時鐘同步方法，其特征是步驟A中所述的預(yù)設(shè)的同步時刻由主控計算機(1)通過無線電通信鏈(3)下傳給各節(jié)點同步裝置 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算機(1)通過無線電通信鏈(3)下傳 給各節(jié)點同步裝置(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算機(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時鐘同步方法，其特征是 步驟C中所述系統(tǒng)重新計數(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時鐘同步方法，其特征是步驟C中 所述系統(tǒng)重新計數(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時鐘同步方法，其特征是步驟C中 所述系統(tǒng)重新計數(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時鐘同步方法。A.當(dāng)GPS標(biāo)準(zhǔn)時間與預(yù)設(shè)的同步時刻相同時，由GPS秒脈沖觸發(fā)系統(tǒng)同步，即時間同步的建立；B.開始同步后，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)生時鐘信號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)目達到預(yù)先設(shè)定的個數(shù)時，GPS秒脈沖信號觸發(fā)產(chǎn)生一個強制清零信號，使所有計數(shù)器重新計數(shù)，以消除普通晶振不精準(zhǔn)帶來的累積誤差。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)點之間的高精度同步，功耗小，成本低。
文檔編號G01S5/18GK101834684SQ20101014248
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者付進, 嵇建飛, 張光普, 梁國龍, 王燕 申請人:哈爾濱工程大學(xué)