[发明专利]一种高精度的GPS同步授时系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及GPS授时系统技术领域，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。

背景技术

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(Distributed Control System,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(Global Positioning System，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Part PerMillion，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。