[发明专利]一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种授时与定位系统，具体涉及一种基于低功耗原子钟在局部地区提供授时与定位的系统。

背景技术

地震检波器是用于天然地震测量、地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器。地震数据采集系统主要由分布设置的地震检波器和数字地震采集站组成。检波器将地震波引起的地面震动转换成电信号并传送至地震采集站；地震采集站将接受到的电信号放大、经过模/数转换器转换成二进制数据、组织数据、存贮数据并根据情况进行处理。其中，检波器和采集站之间的信号传送包括有线和无线两种方式，有线方式由于电缆铺设受地形影响，难度大，电缆铺设和维护成本高，而逐步被无线方式所取代。

目前无缆自定位地震检波器通常采用GPS卫星定位系统授时作为时间服务系统。例如，中国发明专利CN1417593A公开了一种GPS卫星授时遥测地震仪，其定时启动放炮单元由GPS定时与触发板、CPU板和一台改造后的爆炸机组成。中国发明专利CN101661111A公开了一种“利用短信进行地震仪控制和数据传送的方法及短信控制传送型无缆地震仪”，采用GPS进行授时同步，同时，为了获得较高的定位精度，该方法需要布设几百甚至几万个GPS站点形成大型GPS站点网络，进行测量消除误差，以达到厘米级的定位精度。但是在大山附近，丛林茂密地区等卫星信号较差的条件下GPS定位系统授时信息不可获得，或因电磁干扰等原因，GPS信号失锁可能导致采集站无法实现同步数据采集使得整个采集系统无法正常工作，进而陷入瘫痪。而大规模布设GPS站点的方法更是会导致实现难度和成本的增加。

再者，因为在野外工作的采集终端将面临长时间无法续电的情况，所以就要求采集设备应尽量具有低功耗，以保证正常的采集工作。而GPS接收系统功耗很高，很大程度上限制了采集终端的带电时间，从而影响采集系统的工作效率。

此外，其它一些野外工作的终端，例如石油勘探系统、无线传感网等，也存在授时定位的需求。

因此，需要提供一种不使用GPS的授时定位系统，以解决以上传统的基于GPS的无缆自授时定位系统无法解决的问题。 

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，在不需要接收GPS卫星信号的前提下，实现低功耗、低成本、稳定、精确的无缆授时定位，以适应石油勘探、无缆自定位地震检波器系统、无线传感网等的需求。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于低功耗原子钟的局部授时定位系统，包括至少4个固定基站，每一固定基站上设置有时钟信号无线发送机，每一固定基站发出的时钟信号具有不同的编码；所述固定基站分布设置于进行授时定位的地区，使得该地区的终端设备至少能同时接收其中4个固定基站发出的信号；在要获得授时定位的终站设备上，设置有接收所述时钟信号的无线接收机、解码单元和定位计算单元。

上述技术方案中，通过在位置已知的固定基站发出携带编码的无线时钟信号，在需要授时和定位的终端设备处接收时钟编码信号，进行解码和定位计算，实现授时和定位。

上述技术方案中，所述时钟信号无线发送机包括时钟源、时钟编码模块和无线发送机，所述时钟源为原子钟。

优选的技术方案，所述时钟编码模块为IRIG-B（Inter Range Instrumentation Group）编码模块，所述无线发送机包括扩频调制模块、BPSK调制模块、数模转换模块、功率放大模块和发送模块。无线发送机采用直扩系统（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），用BPSK（Binary Phase Shift Keying，移相键控）方式调制。时钟信号无线发送机原理为：首先用同步的原子钟提供的高精度时钟源将本地时间经过IRIG-B编码后变为包含秒脉冲信息、年、天、时、分、秒和二进制秒计日等在内的绝对时间信息，再将上述码流输入无线发送机，无线发送机先对此码流进行扩频调制，再经过BPSK调制将信号频谱搬移到发送频率，最后经过D/A转换和功率放大后通过天线发送。

上述技术方案中，所述时钟编码模块、扩频调制模块和BPSK调制模块设置于同一现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）中。