一种基于GPS的精确授时方法及电子设备

技术领域

本发明涉及GPS技术领域，具体涉及一种基于GPS的精确授时方法及电子设备。

背景技术

随着当今世界科学技术的高速发展，不同行业、不同领域对时间的授时精确度也给出了越来越高的要求，涉及生活中的各行各业，如车载导航、电力系统、船舶运输、高空通讯等。GPS授时与网络授时有所不同，GPS是美国新一代卫星导航系统，可全天候连续实时向用户提供高精度的位置、速度和时间信息，GPS系统包括空间、地面控制及用户设备三部分组成。

空间部分即卫星星座，每秒钟通过L1、L2两波段发射三种伪随机码：C/A码(粗码)、P码(精码)和Y码(加密的P码)。C/A码一次定位精度25m，多次定位精度8m，定时精度100ns，全世界都可以无偿使用，P码一次定位精度10m，多次定位精度可以达到厘米级，定时精度10ns，只能美国及盟国军事和授权的民用部门使用。

本文是通过GPS信号接收模块获取C/A码信息，精度可以满足大部分的工业和民用环境的使用要求，模块主要是捕获到按一定高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收模块天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航报文，实时的计算出测站的三维位置，三位速度和时间信息。

GPS接收模块通过解码卫星信号输出准确的同步时标PPS接收机及NMEA-0813协议报文，报文中包含了UTC时间、位置等信号，随着GPS接收模块集成度越来越高，价格也越来越低，采用精度要求不高的应用场合，仅解析其输出的NMA-0813协议报文获取UTC时间，此方案时间误差有数百毫秒。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于GPS的精确授时方法及电子设备，目的主要是采用一种基于GPS授时基础上提高授时达到ns级别的方法，结合GPS发送的UTC时间进行技术手段，从而控制误差只有ns级别的授时时间信息，满足授时精度要求较高的应用场合。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明公开一种基于GPS的精确授时方法，包括以下步骤：

S1利用串口接收中断接收GPS模块按照秒单位发送的UTC时钟信号；

S2结合PPS信号进行误差补偿操作，并于解析处理器配置PPS信号输入通道；

S3采用上升沿中断进行系统触发，并在PPS触发中断中第一时间对毫秒数据进行清零；

S4对上一次获取的GPS发送的报文信息解析出来的秒时钟加一秒；

S5通过解码卫星信号输出准确的同步时标PPS接收机及NMEA-0813协议报文。

更进一步的，所述方法对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航报文，并实时计算出测站的三维位置，三位速度和时间信息。

更进一步的，所述NMEA-0813协议报文包含UTC时间、位置信号。

更进一步的，所述方法中，NMEA-0813协议报文在产生高电平PPS信号并保持固定时长后输出的授时信息。

更进一步的，所述方法中，在授时精度要求较高的应用场合，结合PPS信号或者其他辅助手段来实现精确授时，对GPS时钟的实时监测和误差补偿。

第二方面，本发明公开一种基于GPS的精确授时的电子设备，包括GPS接收模块、串口接收中断、外部PPS输入中断、微处理器单元以及存储有执行指令的存储器，当所述微处理器单元执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述微处理器单元执行第一方面所述的基于GPS的精确授时方法。

更进一步的，所述GPS接收模块通过所述串口接收中断和外部PPS输入中断与所述微处理器单元相连。

更进一步的，所述GPS接收模块获取C/A码信息，捕获到按一定高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理。

本发明的有益效果为：

本发明结合GPS发送的UTC时间进行技术手段，从而控制误差只有ns级别的授时时间信息，满足授时精度要求较高的应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于GPS的精确授时方法原理步骤图；

图2是一种基于GPS的精确授时的电子设备电路原理图；

图3是一种基于GPS的精确授时方法实施结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开如图1所示的一种基于GPS的精确授时方法，包括以下步骤：

S1利用串口接收中断接收GPS模块按照秒单位发送的UTC时钟信号；

S2结合PPS信号进行误差补偿操作，并于解析处理器配置PPS信号输入通道；

S3采用上升沿中断进行系统触发，并在PPS触发中断中第一时间对毫秒数据进行清零；

S4对上一次获取的GPS发送的报文信息解析出来的秒时钟加一秒；

S5通过解码卫星信号输出准确的同步时标PPS接收机及NMEA-0813协议报文。

本实施例中，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航报文，并实时计算出测站的三维位置，三位速度和时间信息。

本实施例中，所述NMEA-0813协议报文包含UTC时间、位置信号。NMEA-0813协议报文在产生高电平PPS信号并保持固定时长后输出的授时信息。

本实施例中，在授时精度要求较高的应用场合，结合PPS信号或者其他辅助手段来实现精确授时，对GPS时钟的实时监测和误差补偿。

实施例2

本实施例通过GPS信号接收模块获取C/A码信息，精度可以满足大部分的工业和民用环境的使用要求，模块主要是捕获到按一定高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收模块天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航报文，实时的计算出测站的三维位置，三位速度和时间信息。

GPS接收模块通过解码卫星信号输出准确的同步时标PPS接收机及NMEA-0813协议报文，报文中包含了UTC时间、位置等信号，随着GPS接收模块集成度越来越高，价格也越来越低，采用精度要求不高的应用场合，仅解析其输出的NMA-0813协议报文获取UTC时间，此方案时间误差有数百毫秒。

结合NMEA-0813协议报文信息，发现获取的PPS信号精度可达到纳秒级，NMEA-0813协议报文是在产生高电平PPS信号并保持100ms时长后输出的授时信息，在授时精度要求较高的应用场合，可以结合PPS信号或者其他辅助手段等来实现精确授时，对GPS时钟的实时监测和误差补偿。

本方案在实际应用中，采用串口中断的方式去接收GPS模块按照秒单位发送的UTC时钟信号，由于单纯靠接收的时钟信息进行解析出来的时间误差往往在数百毫秒，本系统中需要额外结合PPS信号进行误差补偿操作，解析处理器需要在串口中断基础上，额外配置一路PPS信号输入通道，采用上升沿中断的方式进行系统触发，PPS触发中断中第一时间对毫秒数据进行清零，同时当上一次获取的GPS发送的报文信息解析出来的秒时钟加一，即可保证MCU内部的时钟与GPS时钟保持比较高度的一致，参照图3所示，误差在纳秒级以内。

实施例3

本实施例公开如图2所示的一种基于GPS的精确授时的电子设备，包括GPS接收模块、串口接收中断、外部PPS输入中断、微处理器单元以及存储有执行指令的存储器，当所述微处理器单元执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述微处理器单元执行基于GPS的精确授时方法。

本实施例的GPS接收模块通过所述串口接收中断和外部PPS输入中断与所述微处理器单元相连。GPS接收模块获取C/A码信息，捕获到按一定高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理。

综上，本发明采用一种基于GPS授时基础上提高授时达到ns级别的方法，结合GPS发送的UTC时间进行技术手段，从而控制误差只有ns级别的授时时间信息，满足授时精度要求较高的应用场合。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。