一种GPS数据处理方法以及其系统

技术领域

本发明属于数字电路设计、晶振驯服算法、时钟同步技术领域，尤其涉及一种GPS数据处理方法以及其系统。

背景技术

频率源在通信、导航、军事、电子、交通等很多领域都有着举足轻重的作用，其频率的高稳定度和高准确度一直是人们不断探索的标志。在常用的频率源中，铯原子钟与氢原子钟是当前频率准确度和稳定度较好的时钟源，它们具有非常好的长期稳定性和短期稳定性，但因其价格比较高，很难用到要求低成本的领域。恒温晶振具有价格便宜，短期稳定度好的特点，但其长期稳定度和准确度不太理想。时钟驯服技术可以通过使用接收的星载原子钟秒脉冲信号驯服恒温晶振，使其成为短期稳定度和长期稳定度都比较好的频率源，其精度可以达到纳秒级别，使其成本控制在可接受范围内，满足低成本，高精度，高稳定度的要求。但是由于大气层、电离层、环境温度以及信号传输时间过长等因素的影响，接收到的秒脉冲会发生抖动、相位偏移等问题，因此，GPS的秒脉冲信号的短期稳定性比较差，如果干扰严重时，GPS的秒脉冲信号可能还会失效，会给时钟驯服系统引入很大的相位差测量误差，从而使晶振的稳定度和准确度偏低。传统常用的方法为滑动平均滤波法、中值滤波法、无限脉冲响应滤波等，但是此类方法只能简单的起到平滑效果，并不适用数据变化大的场景，容易引入不稳定性误差，并不能对于异常值进行有效的滤除且不能有效地减少数据中的误差，从而造成晶振的准确度和稳定度低。本发明提出奇异值截断方法和渐消滤波方法结合的滤波方法，奇异值截断方法是机器学习领域广泛应用的方法，可以很好的滤除异常值，渐消滤波是一种参数可自适应调节的滤波算法，能有效利用系统的最新量测信息，进行滤波时，采用渐消因子限制陈旧数据的使用效率，以便充分利用现时的观测数据，减小陈旧观测值的影响，有效的减少数据的误差并使稳定输出在一定范围内。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于时钟驯服的数据处理方法以及其系统，采用奇异值截断和渐消滤波结合的方法，旨在解决由于卫星接收机接收到的秒脉冲信号受到外部因素的影响而发生相位抖动偏移，从而在时钟驯服系统中引入过多的相位差误差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种GPS数据处理方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：数据采集

1-1采用GPS接收机接收卫星的秒脉冲信号；

1-2时间间隔测量：

测量GPS接收机接收到的秒脉冲和由在硬件板卡上的恒温晶振依次倍频、分频得到的秒脉冲之间的相位差；

步骤(2)：利用奇异值截断方法对连续相位差数据进行异常值剔除；

步骤(3)：利用渐消滤波方法对步骤(2)处理后的相位差数据进行滤波处理；

步骤(4)：对步骤(3)滤波后的相位差通过PI控制，得到修正后的电压数字量并将其输入到DA芯片转换成模拟电压，模拟电压经过信号调理电路输出到恒温晶振的压控端调节恒温晶振的频率输出。

第二方面，本发明提供一种GPS数据处理系统，包括：

GPS接收机模块，负责接收卫星的秒脉冲信号；

相位差测量模块，负责测量GPS接收机接收到的秒脉冲和由恒温晶振倍频分频得到的秒脉冲之间的相位差；

预处理模块，负责利用奇异值截断方法对连续相位差数据进行异常值剔除；

滤波处理模块，负责利用渐消滤波方法对预处理模块处理后的相位差数据进行滤波处理；

PI控制模块，负责对滤波处理模块滤波后的相位差通过PI控制，得到修正后的电压数字量；

DA转化模块，负责对PI控制模块输出的修正后的电压数字量转换成模拟电压；

信号后处理模块，负责模拟电压经过信号调理电路输出到恒温晶振的压控端调节恒温晶振的频率输出；

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的方法。本发明的有益效果为：

本发明采用奇异值截断和渐消滤波结合的方法，可以实时的滤除相位差偏差大的异常值并使相位差稳定输出在一定范围内，避免转化后的电压跳变范围过大而引起晶振频率偏差过大。由上可见，通过此方法可以消除外界因素造成的秒脉冲抖动偏移，从而使系统误差过大的问题。

通过对晶振驯服的测试，本发明相对于传统的滤波方法的相位差超过30ns，本晶振驯服的相位差稳定在15ns以内，有了很大的提升。经过滤波后的晶振的频率准确度由7.3×10

附图说明

图1是GPS数据处理系统结构示意图。

图2是滤波方法流程图。

图3是滤波前后的相位差对比图；其中(a)为滤波前相位差变化图；(b)为滤波后相位差变化图。

图4是滤波前后的恒温晶振频率准确度随时间变化的对比图；其中(a)为滤波前的恒温晶振频率准确度随时间变化曲线；(b)为滤波后的恒温晶振频率准确度随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实例来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供如图2所示一种GPS数据处理方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：数据采集

1-1采用GPS接收机接收卫星的秒脉冲信号；

1-2时间间隔测量：

测量GPS接收机接收到的秒脉冲和由在硬件板卡上的恒温晶振倍频分频得到的秒脉冲之间的相位差；

步骤(2)：利用奇异值截断方法对连续相位差数据进行异常值剔除；具体是：

2-1由式(1)计算标准差σ：

其中σ为标准差，x

2-2确定阈值：

任取B个连续的相位差，其中每一个相位差值都与上一个相位差做差并求绝对值，得到相位差值，若差值都小于2σ，取这B-1个相位差值平均数作为阈值ξ；

2-3将步骤2-2获得的每个相位差与阈值ξ作差，若它们的差的绝对值大于或等于2σ，则该相位差为异常值，并对其剔除；若小于2σ，则保留当前相位差同时返回步骤2-2更新阈值；

步骤(3)：利用渐消滤波方法对步骤(2)处理后的相位差数据进行滤波处理；具体是：

3-1渐消滤波系统的状态模型和观测模型分别为式(2)和式(3)：

x(k)＝Ax(k-1)+ω(k-1)(2)

z(k)＝Hx(k)+v(k) (3)

式中，x(k)为k时刻的相位差，z(k)为测量值，w(k)为过程激励噪声，服从高斯分布w(k)～N(0,Q),v(k)为观测噪声，服从高斯分布v(k)～(0,R)，Q和R为其方差，A为状态转移矩阵，H为系统测量矩阵；

3-2在k时刻开启渐消滤波循环，即渐消滤波的预测方程：

x(k,k-1)＝Ax(k-1,k-1) (4)

p(k,k-1)＝λ

其中x(k,k-1)为k时刻的先验估计，x(k-1,k-1)为上一时刻的相位差最优值，p(k,k)表示协方差，p(k,k-1)为x(k,k-1)对应的协方差，p(k-1,k-1)为x(k-1,k-1)对应的协方差，λ

3-3渐消滤波的更新：

Y(k)＝z(k)-Hx(k,k-1)(6)

G(k)＝p(k,k-1)H

p(k,k)＝[I-G(k)H]p(k,k-1)(8)

x(k,k)＝x(k,k-1)+G(k)Y(k) (9)

其中，Y(k)为预测残差，即预测相位差与现时相位差之差，G(k)为渐消滤波增益，I为单位矩阵；

渐消滤波的重点在于将先验状态协方差膨胀λ

3-4渐消因子的求解：

λ

其中tr()为矩阵的求迹符号；M

M

N

式中C

当预测残差Y(k)增大，将引起C

步骤(4)：后处理，具体是：

4-1将步骤(3)滤波之后的相位差通过PI控制，得到修正后的电压数字量。

4-2将步骤4-1得到的电压数字量通过DA芯片转换成控制晶振频率的模拟电压。

4-3将步骤4-2得到的模拟电压通过信号调理电路进行稳定传输。

4-4将步骤4-3得到的模拟电压输出到恒温晶振的压控端，调节恒温晶振的频率的输出，其输出作为倍频分频的初始频率。

本实施例提供如图1一种GPS数据处理系统，包括：

1)GPS接收机模块，负责接收卫星的秒脉冲信号。GPS接收机通过外界天线来接收卫星信号，并对其进行滤波、捕捉、解码等操作，并通过串口将卫星的数量、锁定状态、国际标准的时间传递给FPGA，在锁定LOCK指示灯一直亮之后，将秒脉冲输出端口与相位差测量模块连接作为它的启动信号。

2)相位差测量模块，负责测量GPS接收机接收到的秒脉冲和由恒温晶振倍频分频得到的秒脉冲之间的相位差。恒温晶振经过FPGA内部使用锁相环技术，先将10M赫兹频率倍频到200M赫兹，再对200M进行分频成秒脉冲1PPS，使其产生的秒脉冲精度在5纳秒以内，与传统直接将恒温晶振分频得到秒脉冲相比，大大增加了秒脉冲的精度，使其后面的测量误差大大降低，其产生的秒脉冲信号与相位差测量模块相连，作为其终止信号。相位差测量模块采用TDC-GP21芯片进行测量，其与两个秒脉冲相连，分别接入芯片的START和STOP接口，然后通过SPI时序配置寄存器即可测量，七个寄存器分别设置为REG0:32’h2206_2812，REG1:32h2142_0023，REG2:32h0000_0034，REG3:32h1800_0045，REG4:32h2000_0056，REG5:32h0800_0067，REG6:32h0000_1078。测得的相位差可以达到皮秒级别，解决传统测量精度不够的问题。

3)预处理模块，负责利用奇异值截断方法对连续相位差数据进行异常值剔除；

由于电离层、多路径误差、电压突变、电磁干扰等因素的影响，1PPS信号会发生相位抖动，给系统引起误差，从而会有与其他数据偏差特别大的测量值，从而会对后续滤波产生极大的影响，因此需要在滤波之前采用预处理模块对这些奇异值进行截断。

4)滤波处理模块，负责利用渐消滤波方法对预处理模块处理后的相位差数据进行滤波处理；

渐消滤波是一种参数可自适应调节的滤波算法，能有效利用系统的最新量测信息，进行滤波时，采用渐消因子限制陈旧相位差的使用效率，以便充分利用现时的观测的相位差数据，减小陈旧相位差的影响，有效的减少相位差的误差并使其稳定输出在一定范围内。具体如图3所示的滤波前后的相位差对比图,可以明显地看出，在滤波前图3(a)因为外界环境的影响，相位差会出现很大的奇异值，其相位差很不稳定，在滤波后图3(b)相位差奇异值可以完全滤除且稳定的输出在15ns以内。

5)PI控制模块，负责对滤波处理模块滤波后的相位差通过PI控制，得到修正后的电压数字量；由相位差可以得到晶振的频率偏差：

f

因为渐消滤波器对噪声有很好的抑制作用，而PI控制对输入信号也有很好的跟踪能力，通过一段时间的控制后可以使得输入与输出的稳态误差为0，所以相位差在经过渐消滤波处理后接入PI控制，并结合晶振的频率偏差公式和晶振的压控灵敏系数K可以计算出模拟电压的数字量

6)DA转化模块，负责对PI控制模块输出的修正后的电压数字量转换成模拟电压；

PI控制模块得到得电压数字量，通过DAC1220芯片转换成模拟电压来校准晶振，芯片得主要计算公式为：

其中，code为输入的数字量，VREF为参考电压，VOUT为输出的模拟电压。

7)信号后处理模块，负责模拟电压经过信号调理电路输出到恒温晶振的压控端调节恒温晶振的频率输出；

DAC1220输出的电压稳定传输到恒温晶振的压控端，其电路由电压跟随器和滤波电路组成，电压实时控制晶振频率输出。

如图4所示滤波前后的恒温晶振频率准确度随时间变化的对比图，图4(a)为滤波前的恒温晶振频率准确度随时间变化曲线，可以看出在经过奇异值截断和渐消滤波前恒温晶振的频率准确度在10