一种高精度的GPS复合授时方法

一种高精度的GPS复合授时方法

作者：王振华

来源：《数字技术与应用》2013年第03期

摘要：授时问题一直以来是在野外使用的各类设备需要解决的一个重要问题，尤其是使用非实时操作系统的设备要实现高精度授时是比较困难的。本文中针对非实时操作系统设备提出了一种基于GPS授时的毫秒级授时方案，以普通装有WINDOWS操作系统的计算机授时为例，通过将GPS授时板的秒脉冲信号与串口授时信号复合使用来提高非实时系统的授时精度，达到对普通计算机系统的毫秒级授时，且成本低、易实现。

关键词：GPS 复合授时高精度

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0219-02

1 前言

授时问题一直以来是在野外使用的各类设备需要解决的一个重要问题，尤其是对采用非实时操作系统的设备进行高精度授时。本文中基于广泛应用的GPS授时技术提出了一种复合授时方法，通过GPS授时板来对采用非实时操作系统的设备进行毫秒级授时，与专业级的时钟服务器授时相比，这种复合授时方法具有成本低、性价比高、授时不依赖网络等多项优势[1]。

2 非实时设备授时的精度问题

对采用非实时操作系统的设备进行高精度授时主要要解决两个问题：

首先，需要高精度的时钟源信号（野外通常使用GPS时钟信号来授时）。

其次，高精度时钟信息如何送到目标机系统中进行校时。以普通装有WINDOWS系统的计算机为例，由于操作系统的非实时性，因而无论使用何种通讯方式进行校时，该计算机获取时钟数据的过程中都要经过数据发送、系统中断、系统接收等环节。每个环节都会带来不确定延迟，因此，通常使用的通过接收中断、串口读入数据的授时方法，其精度不会很高（通常会有几百毫秒的延迟），根本无法使计算机系统达到毫秒级授时精度。

3 一种高精度的复合授时方法

本文中提出的授时方法通过复合使用GPS授时板的两种授时信号向计算机授时：（1）秒脉冲（1PPS）授时；（2）串口授时。由于GPS授时板的秒脉冲（1PPS信号）的上升沿能够与GPS卫星上的UTC时钟保持纳秒级同步，因此该信号是一种高精度授时信号，但该信号无法直接被计算机所使用。而通过串口授时的方式非常便于计算机读取时钟信息，但串口授时的

精度较低。通过图1中对两种常用授时信号比较来看，串口输出的时钟信号比秒脉冲上升沿信号通常会晚，大约延迟了计算时间与授时板输出时间的总和[2]。

本文中的方法在通过计算机串口读取授时板串口发来的年、月、日、时、分、秒时钟信息的同时，将GPS授时板的秒脉冲（1PPS）信号上升沿作为计算机中附带板卡上微秒级计时器的触发信号，由它触发的板卡上的计时器记录从秒脉冲（1PPS）信号上升沿开始的毫秒信息，用该记录的毫秒数据用来修正计算机系统时钟的毫秒数据。

4 复合授时方案相关的硬件

本文中采用了天宝GPS授时板和大恒AC6651定时/计数卡来实现本文中提出的复合授时方案[3]。

4.1 天宝GPS授时板

天宝GPS授时板是专门用来进行高精度授时工作的专业板卡，尤其适用于各种野外的通讯基站和军事设备的授时工作。天宝GPS授时板主要通过两种方式实现授时：1PPS信号、串口信号。

天宝GPS授时板性能指标：

（1）C/A码（SPS），8通道连续跟踪接收器。

（2）更新速度：1Hz。

（3）1PPS上升沿精确度：与UTC误差小于20纳秒。

（4）串行接口 RS-232： DB-9连接器。

（5）串行协议：Trimble标准接口协议（TSIP）二进制协议（9600，8—N—1）。

4.2 大恒AC6651定时/计数卡

大恒AC6651定时/计数卡通过板载的8254芯片实现定时/计数功能，PCI总线接口，支持即插即用功能。

大恒AC6651定时/计数卡性能指标：

（1）3路脉冲计数器（8254一片）。

（2）板上提供周期为：1uS、16uS、64uS 的三种时钟选择。

（3）三路脉冲时钟输入可以选择内部或外部时钟。

（4）三路计数器的输出状态可以直接由软件监测。

5 复合授时方案的具体实现

5.1 复合授时方案的硬件实现（如图2所示）

具体实现过程如下：

（1）将8254计数卡插入计算机PCI总线中，同时将8254的计数通道0设置为硬件触发选通方式（方式5）[4]，并在计数通道0的CLK0端接上一个标准的微秒级脉冲源；

（2）当GPS授时板的秒脉冲信号到来时，它触发8254的计数通道0开始对微秒级脉冲进行计数，其CLOCK0端连接AC6651板卡自带的周期为64微秒的脉冲信号，利用秒脉冲信号高精度的上升沿来启动通道0的计数，对周期为64微秒的秒冲进行计数，记录时钟经过的毫秒数据；

（3）GPS授时板通过串口向计算机中断授时，当计算机串口中断信号到来时，通过串口读出当前的年、月、日、时、分、秒时钟信息，同时通过读取8254计数通道0的计数数据来获取当前时钟的毫秒数据，综合以上两路时钟信息，实现对计算机的高精度授时。

5.2 复合授时方案的软件实现（如图3所示）

在软件的实现方面，首先，设置将8254计数通道0的计数初始值为65535，当1PPS上升沿到来时，启动通道0开始进行减计数，直到计算机的串口接收中断信号。

串口通讯处理过程中，先从串口接收数据中解析出当前时钟信号的年、月、日、时、分、秒信息，再调用板卡的软件包中AC6651_ GetTData（）函数来读出计算器通道0的计数值A，通过计算（65535-A）*64（单位：uS）当前时钟的毫秒数据，将所得到的串口数据与计数毫秒数据结合起来给计算机授时。

6 结语

本文中提出的基于普通GPS授时板的串口与秒脉冲复合授时方法，使得各类野外使用的非实时系统设备方便的实现毫秒级授时，同时大大降低了高精度授时的授时成本及授时过程对通讯网络的依赖，具有良好的应用价值。

参考文献