一种基于GPS信号的定时方法和设备

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN97108825.X

(22)申请日 1997.01.27

(71)申请人 深圳市华为技术有限公司

地址 518057 广东省深圳市科技园科发路华为用服中心赵俨转

(72)发明人 鲁敬农 俞晓龙

(74)专利代理机构

代理人

(51)

G01S5/00

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 1189622 A

(43)申请公布日 1998.08.05

(54)发明名称

备

(57)摘要

一种基于GPS信号的定时方法和一

一种基于GPS信号的定时方法和设

种采用该方法的设备。该方法引入一张以

相差变化值和相差变化率为自变量的二元

电压控制表,综合考虑调整晶体的电压值,可

在利用三级晶体的情况下解决S.A.干扰以

及压控晶体的频率漂移和频率抖动问题,大

大降低了设备的成本,并简化了结构。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种基于GPS信号的定时方法，包括比较收到的每个GPS脉冲与本地分频脉冲

的相位差，并存储该相位差，其特征在于：根据有效滤除S.A.干扰和及时调整晶

体的要求设定一个数据存储量N，存满N个所述相差后，对数据进行平滑处理，

调整所述晶体。

2.如权利要求1所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于所述对数据进行平滑

处理、调整所述晶体的过程包括以下主要步骤：

(1)计算所存储的N个所述相位差的平均值，得到一个平均相差，并存储该平均相

差；

(2)将所述平均相差和一个预先设定的标准相差比较，得到相差变化值E；

(3)将本次得到的所述平均相差与上一次所存储的所述平均相差进行比较，得到相

差变化率EC；

(4)根据所述相差变化值和所述相差变化率，以及预先存放的以所述相差变化值和

所述相差变化率为自变量的二元电压控制表确定应施加的晶体控制电压差值ΔU；

(5)将所述晶体控制电压差值ΔU加在当前的控制电压上，调整本地秒脉冲。

3.如权利要求2所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于构建所述二元电压控

制表的步骤又包括以下步骤：

—确定所述相差变化值E的量化范围，并将该范围划分为若干个档次；

—确定所述相差变化率EC的量化范围，并将该范围划分为若干个档次；

—确定所述晶体控制电压差值ΔU的量化范围，并将该范围划分为若干个档次；

—根据公式ΔU＝λ₁E+λ₂EC确定对应于每一对所述相差变

化值和所述相差变化率的所述晶体控制电压差值ΔU，即得到作为电压控制表的二

元电压控制表；

—存储该二元电压控制表。

4.如权利要求2所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于在计算所述求平均相

差前，可以先对存储的所述相差值进行滤波，去掉相差抖动较大的数据。

5.如权利要求2所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于所述查询所述二元电

压控制表的步骤(4)可以用如下步骤代替：由公式ΔU＝

λ₁E+λ₂EC直接求得所述晶体电压控制差值。

6.如权利要求3、4或5所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于所述N的取

值范围为30～180。

7.如权利要求6所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于设定所述相差变化值

的量化范围为-90ns至90ns，所述相差变化率的量化范围为-90ns至90ns，所述晶

体控制电压差值的量化范围为-0.002V至0.002V。

8.如权利要求7所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在于将所述相差变化值、

所述相差变化率、所述晶体控制电压差值的量化范围均划分为13个档次。

9.如权利要求1、2、3、4、5、7或8所述的基于GPS信号的定时方法，其特征在

于：存储所述相位差和所述平均相差时采用了循环队列的数据结构。

10.如权利要求9所述的基于GPS信号的定时方法，其特征还在于：在特殊情况下

可以利用所保存的所述相差值来调整晶体。

11.一种实现如权利要求1-10所述方法的基于GPS信号的定时设备，包括：

—接收卫星信号的天线(101)；

—从卫星信号中恢复GPS脉冲的GPS接收电路(102)；

—提供本地分频脉冲的压控晶体(108)和分频器(110)；

—比较GPS脉冲与本地分频脉冲相位差的鉴相器(103)；

—存储数据的RAM(105)；

—对数据进行平滑处理、提供所述晶体控制电压差值的CPU(104)；

—将所述晶体控制电压差值加在所述压控晶体(108)上的D/A转换器(107)；其特征

在于该设备还包括：

—一个用于存储程序和所述二元电压控制表的存储器(106)。

12.如权利要求11所述的基于GPS信号的定时设备，其特征在于：还包括一个产生

记录本地分频脉冲与GPS脉冲的相位差的65MHz信号的倍频器(109)。

说 明 书

本发明涉及通信领域中提供精确时钟的技术，更具体地说，涉及一种基于GPS的

定时方法和设备。

美国国防部建立的全球定时定位导航卫星系统(NAVSTARGPS，以下简称GPS系

统)为人们提供了任何时候在任何地点精确定时和定位的可能。但美国政府有意在

卫星发射的信号中加入了选择性干扰(SELECTIVE AVAILABILITY，以下简称S.A.

干扰)，使普通用户得到的定时定位精度大大下降，定时精度降至±150ns以上。各

国大公司相应开发出各种GPS接收设备以从夹杂着S.A.干扰的卫星信号中提取一

个相对稳定的输出，其中惠普公司的HP 58503 GPS时间和频率标准接收机通过长

时间(一小时)的平滑滤波以滤去S.A.干扰，取得较好的效果。但该方案需要有一个

价格昂贵的长时间稳定的晶体(二级以上)，才能有效地用长时间平滑滤波来滤除

S.A.干扰，否则如果晶体不稳定(例如采用的是三级晶体)，一小时内晶体自身的频

率漂移已经相当可观了，无法进行长时间的平滑滤波；该方案还需要相应复杂的晶

体外围电路以使晶体正常工作；此外，为了进行长时间的平滑滤波，需要大容量的

存储器以存储很长一段时间记录的数据，并且在卫星信号质量突然恶化，经过一段

时间又恢复的情况下，由于该方案将长时间记录的数据进行平均，卫星信号质量恶

化时记录的数据也将在很长一段时间内仍作为有效数据被继续使用，使得该设备需

要较长时间才能恢复稳定的输出。

本发明的目的就是克服上述缺点，提供一种成本低，结构简单，能迅速捕捉GPS

信号，并且在卫星信号恶化后又恢复的情况下能迅速恢复稳定输出的基于GPS信

号的定时方法和设备。

为实现本发明的目的，本发明基于以下构思：选择一段充分长的时间，保证通过该

段时间内的平滑可有效地滤除S.A.干扰，同时可以及时地调整晶体，以解决三级

晶体的频率漂移问题；并引入一张以相差变化值和相差变化率为自变量的二元电压

控制表，综合考虑调整晶体的电压值，以解决因单纯调相而引起的晶体频率抖动或

单纯调频而引起的无法恢复的相位漂移问题。

本发明的基于GPS信号的定时方法需要比较收到的每个GPS脉冲与本地分频脉冲

的相位差，并存储该相位差，其特征在于：根据有效滤除S.A.干扰和及时调整晶

体的要求设定一个数据存储量N，存满N个所述相位差后，对数据进行平滑处理，

调整本地晶体(本地分频脉冲由本地晶体的输出分频后产生)。

其中所述对数据进行平滑处理、调整本地晶体的过程包括如下具体步骤：

(1)计算所存储的N个所述相位差的平均值，得到一个平均相差，并存储该平均相

差；

(2)将所述平均相差和一个预先设定的标准相差比较，得到相差变化值E；

(3)将这次得到的所述平均相差与上一次所存储的所述平均相差进行比较，得到相

差变化率EC；

(4)根据所述相差变化值E和所述相差变化率EC，查阅预先存放的以所述相差变化

值E和所述相差变化率EC为自变量的二元电压控制表确定应施加的晶体控制电压

差值ΔU；

(5)将所述晶体控制电压差值ΔU加在当前的控制电压上，调整本地晶体。

本发明的基于GPS信号的定时设备包括GPS接收天线、GPS卡、鉴相器、CPU、

RAM、EPROM、D/A转换器、压控晶体、倍频器、以及分频器。所述GPS卡通过

所述GPS天线接收卫星信号，从中恢复出GPS脉冲送给所述鉴相器，所述鉴相器

比较从卫星信号中恢复的GPS脉冲与本地分频器提供的本地分频脉冲的相位差，

将该相位差送给所述CPU，所述CPU将该相位差存于所述RAM中，所述RAM

存储一定量数据后，所述CPU处理这批数据得到所述相差变化值E和所述相差变

化率EC，根据所述相差变化值E和所述相差变化率EC查找所述EPROM中存储

的所述二元电压控制表，确定调节所述压控晶体的所述晶体控制电压差值ΔU，通

过所述D/A转换器将所述ΔU加在所述压控晶体上，调整所述压控晶体的输出频率。

所述压控晶体的输出同时送给所述分频器和所述倍频器，所述分频器产生本发明的

基于GPS信号的定时设备的输出，并产生本地分频脉冲，所述倍频器产生65MHz

信号送给所述鉴相器，用65MHz信号来计数，记录本地分频脉冲与GPS脉冲的相

差。

由于本发明采用的是三级晶体，因此大大降低了本发明设备的成本；同时通过采用

本发明方法较好地解决了S.A.干扰以及压控晶体的频率漂移和频率抖动问题，使

本发明设备的输出精度可与采用了优质晶体(二级以上)的国外同类设备相比拟，经

测试表明本发明设备已实现如下性能指标：相位漂移特性： 百秒级 ＜50ns

千秒级 ＜100ns

最大 ＜170ns频率特性： 短期(抖动) ≤5×10^-10

长期 ≤1×10^-13此外，本发明设备无需大容量的存储器以

及复杂的晶体保护电路，从而使得电路结构简单，并且在GPS信号突然恶化，经

过一段时间又恢复的情况下，能将存储的数据很快更新，因此能迅速(大约四分钟)

恢复稳定的输出。

下面结合附图说明本发明的实施例。附图中：

图1为本发明的基于GPS信号的定时设备一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的基于GPS信号的定时方法的流程图；

图3为图2中所示快速捕获GPS秒脉冲频率步骤S202的流程图；

图4为图2中所示输出精确频率步骤S206的流程图；

图5为构造本发明中所述电压控制表的流程图。

参见图1，该图示出本发明的基于GPS信号的定时设备包括：GPS接收天线101、

GPS卡102、鉴相器103、CPU104、RAM105、EPROM106、D/A转换器107、压

控晶体108、倍频器109、以及分频器110。所述GPS卡102(本实施例中为

Motorola公司生产的VP ONCORE，提供每秒一次的秒脉冲SP)通过所述GPS天线

101接收卫星信号，从中恢复出GPS秒脉冲送给所述鉴相器103，所述鉴相器103

比较从卫星信号中恢复的秒脉冲SP与本地分频器110提供的1Hz信号的相位差，

将得到的相位差送给所述CPU104，所述CPU104将该相位差存于所述RAM105中，

所述RAM存满一定量数据后，所述CPU处理这批数据得到相差变化值E和相差

变化率EC，根据E和EC查找所述EPROM106中存储的一张以相差变化值和相差

变化率为自变量的二元电压控制表(后面将结合图5详述该表的生成)，确定调节所

述压控晶体108的晶体控制电压差值ΔU，通过所述D/A转换器107将ΔU加在所

述压控晶体108上，调整所述压控晶体108的输出频率；所述CPU还与所述GPS

卡通信，对GPS卡的状态参量进行设置并从GPS卡读取卫星信号是否正常等信息。

所述压控晶体的输出同时送给所述分频器110和所述倍频器109，所述分频器110

产生2MHz和8KHz的信号作为本发明的基于GPS信号的定时设备的输出，并产

生1Hz信号作为本地秒脉冲，所述倍频器109产生65MHz信号送给所述鉴相器

103，用65MHz信号来计数，记录本地秒脉冲与GPS秒脉冲的相位差。所述

RAM105还根据所述CPU的指令存储相差变化值和相差变化率等数据。所述

CPU104所需的程序存在所述EPROM106中。

本发明的基于GPS信号的定时方法需要每秒一次地比较收到的每个GPS秒脉冲与

本地秒脉冲的相位差，并存储该相位差，同时执行如下如图2所示的具体步骤：首

先在步骤S201完成初始化工作，包括RAM清零、设定晶体初始工作电压、以及

设定要求存储的相位差个数M和N，所述相位差个数反映了对晶体控制电压进行

调整的时间间隔，而且M＜N，M的取值较小，以满足快速捕获GPS秒脉冲频率

的要求，其最佳范围为2～7，N的取值需满足既能有效滤除S.A.干扰、又能及时

调整压控晶体的要求，其最佳范围为30～180，之后进到步骤S202：快速捕捉

GPS秒脉冲的频率；然后进到步骤S203：判断卫星信号是否正常，如判断为‘否’，

则经步骤S204复位后重复执行步骤S201；如步骤S203判断为‘是’，则执行步骤

S205：比较最新收到的GPS秒脉冲与本地秒脉冲的相位差，将此相位差设定为标

准相差并存储；然后进到步骤S206：进入锁定态，进一步调整本地秒脉冲，输出

精确频率；然后在步骤S207判断卫星信号是否正常，如判断为‘是’，则返回执行

步骤S206；如步骤S207判断为‘否’，则进到步骤S208：保持在步骤S206中得到

的输出，并在需要时利用以前存储的数据对晶体进行调整；然后在步骤S209中判

断卫星信号是否正常，如判断为‘否’，则返回执行步骤S208；如步骤S209判断为

‘是’，则执行步骤S206。需要说明一下，本发明中建立了若干个循环队列的数据结

构分别存储记录下来的GPS秒脉冲与本地秒脉冲的相位差、晶体电压控制差值等

数据，当队列已满时，先存储的数据被自动抹去；本发明存储大约8000个GPS秒

脉冲与本地秒脉冲的相差，可以在例如卫星信号失常、S.A.干扰强烈等特殊情况下

利用这些数据对晶体作特殊调整。

图3示出图2中所示步骤S202所包括的步骤：首先在步骤S301判断是否已存满

M个相位差值(M已在步骤S201中设定)，如判断为‘否’，则在步骤S302中延时1

秒后执行步骤S301；如步骤S301判断为‘是’，则直接执行步骤S303：将存储的M

个相位差值平均，得到一平均相差，并存储该平均相差；然后执行步骤S304：判

断是否已存满M个相位差值，如判断为‘否’，则在步骤S305中延时1秒后执行步

骤S304；如步骤S304判断为‘是’，则直接执行步骤S306：将存储的M个相差值

平均，得到一平均相差，并存储该平均相差；然后进到步骤S307：将此次求得的

平均相差与上次存储的平均相差比较得到相差变化值E；接着进到步骤S308：设

定相差变化率EC＝0；然后在步骤S309中根据所述相差变化值E和相差变化率

EC查询电压控制表(电压控制表的构建过程将在结合图5的说明中描述)，得到晶

体电压控制差值ΔU并存储该差值；接着执行步骤S310：将ΔU加在当前的控制电

压上，调整晶体的输出频率；然后执行步骤S311：判断快捕过程是否已完成，如

判断为‘否’，则返回执行步骤S304；如步骤S311判断为‘是’，则进入图2所示的

步骤S203。

参见图4，该图示出图2所示步骤S206所包括的具体步骤：首先在步骤S401判断

是否已存满N个相位差值(N已在步骤S201中设定)，如判断为‘否’，在步骤S402

中延时1秒后重复执行步骤S401.；如步骤S401判断为‘是’，则直接执行步骤S403：

将存储的N个相位差值平均，得到一平均相差，并存储该平均相差；然后执行步

骤S404：将此次求得的平均相差与步骤S205中设定的标准相差比较得到相差变化

值E；接着进到步骤S405：比较这次的平均相差与所存储的上一次的平均相差，

得到相差变化率EC(因为在步骤S201中已将RAM清零，第一次执行步骤S405时，

所述‘所存储的上一次的平均相差’被设定为0)；然后进到步骤S406：根据相差变

化值E和相差变化率EC，以及预先存放的以E和EC为自变量的二元电压控制表

查出应施加的晶体控制电压差值ΔU；然后执行步骤S407：将ΔU加在当前的控制

电压上，调整本地秒脉冲。需要说明一下，在步骤S403求平均相差前，可以先对

存储的相差值进行滤波，去掉相差抖动较大的数据。

图5示出构建以所述相差变化值和所述相差变化率为自变量的所述二元电压控制表

的流程图：首先在步骤S501限定相差变化值E的量化范围(-90ns～90ns)，并将该

范围划分为X个区间(本例中X取13)，然后进到步骤S502：限定相差变化率EC

的量化范围(-90ns～90ns)，并将该范围划分为Y个区间(本例中Y取13)，接着执

行步骤S503：限定晶体控制电压差值ΔU的量化范围(-0.002V～0.002V)，并将该

范围划分为Z个区间(本例中Z取13)，然后在步骤S504根据公式ΔU＝

λ₁E+λ₂EC(此处λ₁、λ₂表示对E

和EC的加权值)确定对应于每一对所述相差变化值E和所述相差变化率EC的晶体

控制电压差值ΔU，即得到一张二元电压控制表，最后在步骤S505中存储该二元

电压控制表。

以上虽已结合实施例描述了本发明，但显然本发明的保护范围并不局限于此，本领

域的技术人员还可能作出种种显而易见的变动，例如：在步骤S309中可以不采用

查询二元电压控制表的方式，而直接根据公式ΔU＝

λ₁E+λ₂EC求得所述晶体电压控制差值ΔU；采用其他公司、

其他型号的GPS卡；用其它形式的存储器代替本发明实施例中所使用的RAM和/

或EPROM；存储数据时可以采用其他形式的数据结构；还可以改变本发明中存储

的数据量，所述M和N的保护范围，以及相差变化值、相差变化率、晶体控制电

压差值的取值范围和划分的区间，等等。因此，本发明的保护范围仅由权利要求书

来确定。