DE69806700T2

DE69806700T2 - Diszipinierter Referenzoszillator für Raumfahrzeuge

Info

Publication number: DE69806700T2
Application number: DE69806700T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Gilliland; Benjamin F. Hitch
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Maxar Space LLC
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: US5861842A; DE69806700D1; EP0899637A1; EP0899637B1; JPH11153680A

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdumlaufsatellitensteuerung, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Synchronisierung von Erdumlaufsatelliten mit einem globalen Positionierungssystem (GPS, Global Positioning System).
Eine hochzuverlässige Zeit- und Frequenzreferenz ist von wesentlicher Bedeutung für drahtlose Kommunikationssysteme, die entweder digitale oder analoge Technologien verwenden. Die Synchronisation mit einer Standard-Zeit- und Frequenzreferenz ist besonders wichtig, wenn mehrere digitale oder analoge Komponenten in dem Kommunikationssystem verwendet werden. Erdumlaufsatellitennetze sind Beispiele für diese Art von Kommunikationssystemen.
Die Zeit- und Frequenzsynchronisation eines Erdempfängers mit einem GPS- Satellitensystem ist bekannt, wie beispielsweise durch den Taktgeber von Absolute Time Corporation, Modell 100A/B GPS; den GPS-Satellitenempfänger von Datum, Incorporated, Modell bc627AT; die Modelle HP 58000A und HP 58503A von Hewlett- Packard und den Empfänger von True Time, Modell GPS-705, belegt. Bei diesen herkömmlichen Systemen erreicht der Erdempfänger eine Zeit- und Frequenzsynchronisation, indem er sich selbst auf Signale vom GPS verriegelt. Diese Verriegelungseigenschaft wird implementiert, indem der Referenzoszillator des Empfängers auf die vom GPS empfangene Eingabezeit und Frequenzsignale diszipliniert wird. Die Synchronisation kann auf Exaktheit fernüberwacht werden. Wenn ein ungenauer Zustand erfasst wird, ist eine Zeit- und/oder Frequenzkorrektur zulässig. Jedoch erfordern die Korrekturverfahren das Eingreifen durch Bodenkommandos.
Derzeit verwenden Erdumlaufsatellitennetze dieses Verfahren der Zeit- und Frequenzsynchronisation unter Verwendung eines GPS-Systems nicht. Daher besteht ein Bedarf für ein System, das die Synchronisation zwischen der Zeit und/oder Frequenz eines Satelliten und der des GPS Systems aufrechterhält.
Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, eine automatische, kontinuierliche Korrektur von Zeit und Frequenz zu schaffen, um die Synchronisation zwischen einem Satelliten und einem globalen Positionierungssystem (GPS) aufrecht zu erhalten.
JP-A-7-287 083 beschreibt eine Zeitsynchronisiervorrichtung unter Verwendung eines GPS-Satelliten. Es wird ein internes Ein-Impuls-pro-Sekunde-Signal in einem internen Oszillator erzeugt und mit einem Ein-Impuls-pro-Sekunde-Signal verglichen, das von einem GPS-Signal gewonnen wird. Eine Steuereinheit steuert den internen Oszillator, so dass eine exakte Zeit bereitgestellt wird.
JP-A-10-177 071, das nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, beschreibt die Verwendung eines vom GPS abgeleiteten Zeitsignals in einem künstlichen Satelliten.
Die vorliegende Erfindung kann eine Zeit- und Frequenzsynchronisation durch Disziplinieren des Referenzoszillators eines Satelliten erreichen, indem er auf Zeitimpulse von dem GPS phasenverriegelt wird.
Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe einer Zustandsmaschine eine intelligente Phasenverriegelungsschleifenfunktion (PLL-Funktion) schaffen, wobei die Zustandsmaschine, außer unter seltenen Bedingungen, von der Bodensteuerung unabhängig ist. Diese PLL-Funktionen umfassen zum Beispiel: die Ausführung von Validierung/Kalibrierung des GPS-Referenzsignals vor dem Start einer Erfassung; das Voreinstellen von Schaltkreiswerten basierend auf Initialphasenmessungen, um die Erfassungszeit zu minimieren; das Ausführen von kontinuierlicher Aktivitäts- und Ereigniserfassung von anormalen Zuständen; das Fixieren/Halten der PLL in der offenen Betriebsweise, wenn Anormalitäten auftreten; das Ausführen einer automatischen Neuerfassung, falls erforderlich; das Ausführen von Telemetrie- Überwachungsfunktionen; und das Ermöglichen einer Ferneinstellung der OCXO- Frequenz durch die Bodensteuerung.
Insbesondere betrifft diese Erfindung die automatische, kontinuierliche Korrektur der Zeit und Frequenz eines Satelliten, um die Synchronisation mit einem GPS-Satellitensystem aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Synchronsieren eines Erdumlaufsatelliten mit einem globalen Positionierungssystem (GPS) geschaffen, das die Schritte umfasst: Empfangen eines Referenzzeitimpulses vom GPS, Phasenverriegelung eines Referenzoszillators des Satelliten auf den empfangenen GPS-Referenzzeitimpuls und kontinuierliches und automatisches Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators, um die Synchronisation zwischen dem Satelliten und dem GPS aufrecht zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzoszillator sowohl in einer geschlossenen Betriebsweise mit Phasenverriegelung des Referenzoszillators auf GPS-Zeitimpulse als auch in einer offenen Betriebsweise zyklisch betrieben werden kann, bei der Kommandos von einer Bodenstation die Zeit- und Frequenzsynchronisation des Oszillators antreiben.
Die vorliegende Erfindung kann demgemäß einen disziplinierten Oszillator schaffen, der sowohl in einer geschlossenen Betriebsweise mit Phasenverriegelung des Referenzoszillators auf GPS-Zeitimpulse als auch in einer offenen Betriebsweise zyklisch betrieben werden kann, bei der zuvor gespeicherte GPS-Zeitimpulse oder ein Kommando von einer Bodenstation die Zeit- und Frequenzsynchronisation des Oszillators antreiben.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Satellitensynchronisationssystem geschaffen, das Folgendes umfasst: einen an Bord eines Satelliten befindlichen Referenzoszillator, einen Empfänger zum Empfang von GPS-Referenzzeitimpulsen, wobei der Empfänger mit dem Referenzoszillator gekoppelt ist, Mittel im Satelliten zum Disziplinieren des Referenzoszillators auf die empfangenen GPS-Referenzzeitimpulse und Mittel im Satelliten zum kontinuierlichen und automatischen Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators, um die Synchronisation zwischen dem Satelliten und dem GPS beizubehalten, gekennzeichnet durch eine Handsteuerung, die Kommandos von einer Bodenstation annimmt, um die Disziplinierung des Referenzoszillators auf die empfangenen GPS-Referenzzeitimpulse zu überstimmen und stattdessen zu ermöglichen, dass Kommandos der Bodenstation den Referenzoszillator des Satelliten steuern.
Gemäß der Lehre dieser Erfindung erreicht ein Satellit eine Langzeitleistung, die mit der einer hochgenauen Atomfrequenzreferenz mit verbesserter Stabilität vergleichbar ist, indem er sich selbst mit dem GPS-System synchronisiert. Der Satellit erreicht eine Zeit- und Frequenzsynchronisation mit dem GPS durch Disziplinierung oder Verriegelung seines Referenzoszillators auf Zeitimpulse, die von dem GPS empfangen werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Referenzoszillator des Satelliten ein thermostabilisierter Kristalloszillator (OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator). Der OCXO ist durch Phasenverriegelung des Oszillators auf Zeitimpulse, die von dem GPS-System empfangen werden, auf das GPS- System diszipliniert. Der OCXO ist mit Hilfe einer digitalen Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung auf die GPS-Zeitimpulse phasenverriegelt. Die Phasenverriegelungsschleife korrigiert als Reaktion auf die wechselnden GPS-Impulse oder auf ein empfangenes Bodenkommando automatisch und kontinuierlich die Frequenz und Phase des OCXO.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein digitaler Schaltkreis, der für die Implementierung dieser Phasenverriegelungsschleife (PLL) notwendig ist, im lokalen Oszillator des Satelliten enthalten und wird als anwendungsspezifisch integrierte Schaltung mit Phasenverriegelungsschleife (PLL ASIC, Phase-Locked Loop Application Specific Integrated Circuit) bezeichnet. Die PLL ASIC weist eine Schnittstelle mit einem Empfänger, der Zeitimpulse von dem GPS empfängt, einen On- Board-Prozessor (OBPE) und andere Schaltungen in dem lokalen Oszillator zur D/A- Umwandlung und Signalkonditionierung auf. Die PLL weist einen Nullwert des Integrators auf, der die Einstellung eines Schleifendämpfungsfaktors sowie einer Schleifenbandbreite ermöglicht. Der Schleifendämpfungsfaktor und die Schleifenbandbreite können während der Initialprüfung und -ausrichtung so eingestellt werden, dass das vorübergehende Überschwingen im Phasenfehler während der Erfassung minimiert wird und die endgültige Ausgangsphase sowie der Frequenzfehler vom OCXO reduziert werden.
Die PLL ASIC arbeitet in zwei Betriebsweisen, einer geschlossenen und einer offenen Betriebsweise. In der geschlossenen Betriebsweise vergleicht die PLL ASIC die Phase eines Ein-Impuls-pro-Sekunde-Referenzsignals (PPS-Signals) vom GPS-System, im Folgenden einfach als GPS-Referenzsignal bezeichnet, mit einem ebensolchen internen Ein-PPS-Signal, das vom OCXO gewonnen wird. Aus dem Vergleich des GPS-Referenzsignals mit dem internen Ein-PPS-Signal, das vom OCXO gewonnen wird, wird eine Phasendifferenz bestimmt. Die Phasendifferenz, die als Phasenfehler bezeichnet wird, wird von der PLL ASIC in Form eines digitalen Wortes aufgezeichnet. Das digitale Wort wird durch die PLL ASIC digital gefiltert, um ein Steuerwort zu bilden. Das Steuerwort wird von der PLL ASIC zu einem D/A-Wandler geleitet. Der D/A-Wandler wandelt das Steuerwort in eine analoge Steuerspannung um. Die analoge Steuerspannung korrigiert die Frequenz und Phase des OCXO auf Werte, die der Langzeitfrequenz und -phase des GPS angenähert sind. In der geschlossenen Betriebsweise wird die Korrektur kontinuierlich durchgeführt.
Tatsächlich verwendet die PLL ASIC das Steuerwort, um den Phasenfehler, d. h. die Phasendifferenz zwischen dem GPS-Referenzsignal und dem internen Ein-PPS- Signal, das von dem OCXO gewonnen wird, zu verringern. Wenn sich der Phasenfehler null nähert, verbessert sich die Synchronisation zwischen dem Satelliten und dem GPS- System.
Die PLL ASIC schaltet zur offenen Betriebsweise um, wenn das GPS- Referenzsignal fehlt oder fehlerhaft ist, oder auf das Kommando einer Bodenstation hin, beispielsweise wenn die Bodenstation bestimmt, dass die GPS-Referenzsignale nicht ausreichend exakt sind. Wenn das GPS-Referenzsignal fehlt oder fehlerhaft ist, wird die Frequenz des OCXO von der PLL ASIC durch Verwendung des Steuerwortes beibehalten, das von der PLL ASIC das letzte Mal, als ein gültiges GPS-Referenzsignal empfangen wurde, definiert und gespeichert wurde. Daher hält das GPS-Referenzsignal, das auf einer zuvor empfangenen PLL ASIC basiert, die OCXO-Phase auf dem GPS- Referenzphasensignal. Die gespeicherten Informationen halten die OCXO-Korrektur, bis ein anderes gültiges GPS-Referenzsignal empfangen wird.
Wenn eine Bodenstation bestimmt, dass die empfangenen GPS-Referenzsignale, aus welchem Grund auch immer, nicht verwendet werden sollen, kann die Bodenstation die PLL ASIC zum Umschalten in die offene Betriebsweise zwingen. Wenn das Kommando zur offenen Betriebsweise gegeben wird, wird die Frequenz des OCXO durch Kommandos gesteuert, die von der Bodenstation empfangen werden. Das bedeutet, dass die am Boden erzeugten Kommandos das Steuerwort, das die PLL ASIC an den D/A-Wandler weiterleitet, direkt schrittweise erhöhen oder verringern. Tatsächlich vergrößern oder verringern die Bodenkommandos die Steuerspannung und daher die Frequenz des OCXO schrittweise. Die Bodenkommandos, die entweder manuell oder automatisch in die Bodenstation eingegeben werden können, überstimmen das Phasendifferenzsynchronisationsverfahren, das in der geschlossenen Betriebsweise verwendet wird.
Die Betriebsweisen der PLL ASIC werden von einer Steuereinheit aufrecht erhalten, die als Zustandsmaschine implementiert ist. Die Zustandsmaschine überwacht die Systemeingaben und -ausgaben, um den Eintritt in entweder die offene oder die geschlossene Betriebsweise automatisch zu steuern. Systemeingaben, die eine Reaktion der Zustandsmaschine hervorrufen können, umfassen Kommandos, die von der Bodenstation empfangen werden, fehlende oder fehlerhafte GPS-Referenzsignale und anormale Ereignisse, wie beispielsweise Einzelereignis-Regelabweichungen (SEUs). Daher stellt die Zustandsmaschine durch Steuerung der Betriebsweisen der PLL ASIC erstens eine automatische, kontinuierliche Korrektur der Zeit und Frequenz der OCXO bereit, um die Synchronisation zwischen dem Satelliten und dem GPS beizubehalten; sie verhindert zweitens, dass anormale Ereignisse die korrekte OCXO-Einstellung stören; und sie versorgt drittens die Bodenstation mit einer Status- und Alarmanzeige.
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden unten beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild gemäß der vorliegenden Erfindung eines Synchronisationssystems für einen Satelliten ist,
Fig. 2A ein Blockschaltbild gemäß der Erfindung für eine ASIC der GPS- Verfolgungsnetzsteuereinheit und ihre Schnittstellen ist,
Fig. 2B und 2C Tabellen gemäß der Erfindung der Eingaben in die ASIC der GPS- Verfolgungsnetzsteuereinheit und der Ausgaben daraus sind,
Fig. 3A, 3B und 3C Blockschaltbilder gemäß der Erfindung für eine PLL ASIC sind,
Fig. 4A und 4B Zustandsablaufdiagramme gemäß der Erfindung der Betriebsweisen der PLL ASIC sind,
Fig. 5A ein Schaubild gemäß der Erfindung für ein N-Wortzählwerk ist, und
Fig. 5B ein Logikablaufdiagramm gemäß der Erfindung für den Betrieb des Überschreitungsdetektors ist.
Gemäß der Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 1 erreicht ein Satellit 1 eine Langzeitleistung, die mit der einer hochgenauen Atomfrequenzreferenz mit verbesserter Stabilität vergleichbar ist, indem er sich selbst mit dem globalen Positionierungssystem (GPS) 2 synchronisiert. Bei dieser Erfindung synchronisiert sich der Satellit 1 mit dem GPS 2, indem er seinen Referenzoszillator mit Zeitimpulsen, die von dem GPS 2 empfangen werden, diszipliniert oder synchronisiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 2A wird die Disziplinierung des Referenzoszillators des Satelliten implementiert, indem der Referenzoszillator, ein thermostabilisierter Kristalloszillator (OCXO) 10, auf Zeitimpulse verriegelt wird, die vom GPS 2 empfangen werden. Bei dieser Erfindung wird die Phasenverriegelung mit einer digitalen Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung erreicht, die als anwendungsspezifisch integrierte Schaltung mit Phasenverriegelungsschleife (PLL ASIC) 4 implementiert ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt eine Rad-Hard-PLL ASIC-Konstruktion einen zuverlässigen Satellitenbetrieb bereit. In Fig. 2A ist die PLL ASIC 4 mit Schnittstellen mit digitalem Schaltkreis gezeigt, die benötigt werden, um die Zeit- und Frequenzsynchronisation zwischen dem Satelliten 1 und dem GPS 2 zu unterstützen. Fig. 2B und 2C veranschaulichen die Eingaben in die PLL ASIC 4 und die Ausgaben aus derselben. Bei anderen Ausführungsformen kann die ASIC durch diskrete Schaltungen ersetzt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform empfangen Empfänger 6, die am Satelliten 1 angeordnet sind, Zeitsignale vom GPS 2. Die Empfänger 6 leiten die Zeitsignale über Leitungsempfänger 5, die sich in dem lokalen Oszillator befinden, vom GPS 2 zur PLL ASIC 4. Bei dieser Ausführungsform empfangen die Empfänger 6 aus Redundanz-Gründen tatsächlich zwei GPS-Referenzsignale. Diese Redundanz ermöglicht im Fall eines Ausfalls eines Empfängers 6 oder eines Leitungsempfängers 5 ein Umschalten zwischen den GPS-Referenzsignalen. Die PLL ASIC 4 nimmt die beiden GPS-Referenzsignale von den Leitungsempfängern 5 bei einem PPS A EING Signal, Eingang 4A, und bei einem PPS B IN Signal, Eingang 4B, an. Ein On-Board- Prozessor (OBPE) 7 informiert die PLL ASIC 4 über eine Schnittstelle 8, welches der beiden GPS-Referenzsignale sie auswählen soll. Diese Mitteilung von dem OBPE 7 wird von der PLL ASIC 4 bei einem PPS AUSWAHL A Signal, Eingang 4G, und bei einem PPS AUSWAHL B Signal, Eingang 4H, angenommen. Wenn keins der beiden GPS-Referenzsignale gültig ist, informiert zusätzlich der OBPE 7 die PLL ASIC 4 über diesen Zustand. Der OBPE 7 wird durch Kommandos von einer Bodenstation angewiesen, welches der beiden GPS-Referenzsignale er auswählen soll.
Die PLL ASIC 4 empfängt eine andere Eingabe, die die PLL ASIC 4 dafür verwendet, ein internes Ein-PPS-Signal zu gewinnen. Die PLL ASIC 4 nimmt die Eingabe, ein 19,38 MHz Taktsignal, vom OCXO 10 bei einem 19,38 MHz TAKT EING Signal, Eingang 4C, an.
Die PLL ASIC 4 arbeitet in zwei Betriebsweisen, einer geschlossenen Betriebsweise und einer offenen Betriebsweise. Bei der geschlossenen Betriebsweise vergleicht die PLL ASIC 4 die Phase eines der beiden GPS-Referenzsignale, im Folgenden einfach ein ausgewähltes GPS-Referenzsignal, mit der Phase des internen Ein-PPS-Signals, das vom OCXO 10 abgeleitet wird. Die Ableitung des internen Ein- PPS-Signals, die unten ausführlich beschrieben wird, beginnt, wenn die PLL ASIC 4 das 19,38 MHz Taktsignal bei dem 19,38 MHz TAKT EING Signal, Eingabe 4C, vom OCXO 10 annimmt. Das 19,38 MHz Taktsignal wird in der Tat durch einen Verteiler 11 zur PLL ASIC 4 geleitet. Der Verteiler 11 leitet das 19,38 MHz Taktsignal zur PLL ASIC 4 und zu verschiedenen dielektrischen Resonatoroszillatoren im lokalen Oszillator. Die dielektrischen Resonatoroszillatoren verwenden das 19,38 MHz Taktsignal als Referenzfrequenz.
In der geschlossenen Betriebsweise wird eine Phasendifferenz aus dem Vergleich des ausgewählten GPS-Referenzsignals mit dem internen Ein-PPS-Signal, das von dem OCXO 10 gewonnen wird, bestimmt. Die Phasendifferenz wird durch die PLL ASIC 4 in Form eines digitalen Wortes aufgezeichnet. Die PLL ASIC 4 filtert das digitale Wort digital, um ein Steuerwort bereitzustellen. Die PLL ASIC 4 leitet dieses Steuerwort über Ausgänge, die kollektiv als D/A STEUERWORT bezeichnet werden, Ausgang 4F, zu einem D/A-Wandler (DAC) 9. Der DAC 9 wandelt das Steuerwort in eine analoge Steuerspannung um, die die Frequenz und Phase des OCXO 10 korrigiert. In der geschlossenen Betriebsweise wird die Korrektur kontinuierlich durchgeführt. Tatsächlich verwendet die PLL ASIC 4 das Steuerwort, um den Phasenfehler, d. h. die Phasendifferenz zwischen dem ausgewählten GPS-Referenzsignal und dem internen Ein-PPS-Signal zu verringern. Wenn sich der Phasenfehler null nähert, verbessert sich die Synchronisation zwischen dem Satelliten 1 und dem GPS-Satellitensystem 2.
Die PLL ASIC 4 schaltet in die offene Betriebsweise um, wenn das ausgewählte GPS-Referenzsignal fehlt oder fehlerhaft ist, wenn eine Anormalität, wie beispielsweise eine Einzelereignis-Regelabweichung auftritt, oder auf das Kommando der Bodenstation 3 hin, beispielsweise wenn die Bodenstation 3 bestimmt, dass das verwendete GPS-Referenzsignal nicht ausreichend exakt ist. Wenn das ausgewählte GPS-Referenzsignal fehlt oder fehlerhaft ist oder wenn eine Einzelereignis- Regelabweichung auftritt, schaltet die PLL ASIC 4 in die offene Betriebsweise um und behält die Frequenz des OCXO 10 bei, indem sie das Steuerwort verwendet, das von der PLL ASIC 4 berechnet und gespeichert wurde, als das letzte Mal ein gültiges GPS- Referenzsignal empfangen wurde. Dementsprechend hält die PLL ASIC 4 die OCXO Frequenz konstant, indem sie Aktualisierungen der Schleifenberechnungen verhindert. Die gespeicherten Informationen steuern die Korrektur des OCXO 10, bis ein anderes gültiges GPS-Referenzsignal empfangen wird. Sobald das gültige GPS-Referenzsignal wiederum empfangen wird, schaltet die PLL ASIC 4 erneut in die geschlossene Betriebsweise um.
Wenn die Bodenstation 3 bestimmt, dass die empfangenen GPS- Referenzsignale, aus welchem Grund auch immer, nicht verwendet werden sollen, kann die Bodenstation 3 die PLL ASIC 4 zum Umschalten in die offene Betriebsweise zwingen. Das Offen-Kommando wird vom OBPE 7 von der Bodenstation empfangen und über die Schnittstelle 8 zur PLL ASIC 4 geleitet. Die PLL ASIC 4 empfängt das Offen-Kommando bei einem GESCHLOSSEN/OFFEN-KOMMANDO, Eingang 41. Wenn die offene Betriebsweise angewiesen wird, wird die Frequenz des OCXO 10 durch Kommandos gesteuert, die von der Bodenstation 3 empfangen werden. Das bedeutet, dass die am Boden erzeugten Kommandos das Steuerwort, das die PLL ASIC 4 an den DAC 9 weiterleitet, direkt schrittweise erhöhen oder verringern. Die Bodenkommandos werden vom OBPE 7 empfangen und über die Schnittstelle 8 zur PLL ASIC 4 geleitet. Die PLL ASIC 4 empfängt das Vergrößerungs- oder Verkleinerungskommando entweder als ein OCXO AUF Signal, Eingang 41, oder als ein OCXO AB Signal, Eingang 4K. Tatsächlich vergrößern oder verkleinern die Bodenkommandos die Steuerspannung und damit die Frequenz des OCXO schrittweise. Die Bodenkommandos, die entweder manuell oder automatisch in die Bodenstation 3 eingegeben werden können, überstimmen das Phasendifferenzsynchronisationsverfahren der PLL ASIC, das in der geschlossenen Betriebsweise verwendet wird. Es wird angemerkt, dass die aktuelle Betriebsweise der PLL ASIC 4 überprüft werden kann, indem ein Geschlossen-/Offen-Telemetriesignal (GESCHLOSSEN/OFFEN TLMIE) am Ausgang 4L der PLL ASIC 4 ausgewertet wird.
Fig. 3A, 38 und 3C zeigen Blockschaltbilder, die die Komponenten der PLL ASIC 4 darstellen. Bei der in Fig. 3A gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Konfiguration der PLL ASIC 4 vier Abschnitte; einen Zählwerk-Abschnitt, einen Addierer-Abschnitt, einen Multiplizierer-Abschnitt und einen Zustand-Abschnitt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Zählwerk-Abschnitt ein 20 Bit Synchronabwärtszählwerk 13, ein 11 Bit Synchronzählwerk 14, einen Phasendetektor 15, einen Überschreitungsdetektor 16 und PPS-Auswahlschaltungen 17. Das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 stellt eine laufende Zählung der Phase oder der Zeit zwischen dem letzten internen Ein-PPS-Signal, das vom OCXO 10 gewonnen wird, und dem ausgewählten GPS-Referenzsignal bereit. Tatsächlich führt das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 die Ableitung des internen Ein-PPS-Signals durch, indem es das 19,38 MHz Taktsignal vom Verteiler 11 annimmt und dieses Taktsignal herunterzählt. Das interne Phasenfehlerwort ist als die dreizehn niedrigstwertigen Bits (13 LSBs) der Ausgabe des 20 Bit Abwärtszählwerks definiert. Die 13 LSBs werden zum Vergleich mit dem ausgewählten GPS-Referenzsignal zum Phasendetektor 15 geleitet. Zusätzlich werden die oberen 8 höchstwertigen Bits (MSBs) des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 zum Überschreitungsdetektor 16 geleitet.
Das 11 Bit Zählwerk 14 nimmt als Eingabe ein 32 Hz Taktsignal vom 20 Bit Abwärtszählwerk 13 an. Das 11 Bit Zählwerk 14 gibt ein internes 1 Hz Taktsignal und ein internes 1/64 Hz Taktsignal aus. Die Taktsignale werden an einer 1 Hz Taktsignaleingabe 12 D und einer 1/64 Hz Taktsignaleingabe 12C der Zustandsmaschine 12 angenommen. Um einen korrekten ASIC Betrieb sicherzustellen, ist zudem das 1 Hz Taktsignal als ein PLL PPS AUSG Signal, Ausgang 4P der PLL ASIC 4, verfügbar. Das PLL PPS AUSG Signal wird verwendet, um zu bestimmen, ob ein gültiges internes Ein-PPS-Signal vom OCXO 10 gewonnen wird. Die Zustandsmaschine 12 verwendet das 1/64 Hz Taktsignal oder den Schleifentaktsignalausgang 12I, um ein D/A-Register 21 zu aktualisieren. Das D/A- Register 2 t leitet das D/A STEUERWORT AUSG, Ausgänge 4F, von der PLL ASIC 4 zu einem D/A-Wandler 9. Das Aktualisieren des D/A-Registers 21 mit dem 1/64 Hz Taktsignal führt dazu, dass die OCXO Frequenz alle 64 Sekunden aktualisiert wird.
der Phasendetektor 15 umfasst ein Register A, das als Eingabe die 13 LSBs des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 annimmt, d. h. den Rotationsphasenwert des internen Ein- PPS-Signals und des ausgewählten GPS-Referenzsignals. Einmal pro Sekunde veranlasst das ausgewählte GPS-Referenzsignal das Speichern des momentanen Phasenwerts vöm 20 Bit Abwärtszählwerk 13 in das Register A. Der Speichervorgang findet an der Anstiegsflanke des ausgewählten GPS-Referenzsignals statt. Ein Phasendetektorwort ist ein Maß der Phasendifferenz zwischen dem internen Ein-PPS- Signal und dem ausgewählten GPS-Referenzsignal. Diese Phasendifferenz wird als Phasenfehler bezeichnet. Der Phasenfehlerwert ist null, wenn das ausgewählte GPS- Referenzsignal und das interne Ein-PPS-Signal innerhalb einer Zählung der Zählungen des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 liegt. Wenn der Phasenfehler ein anderer Wert als null ist, ist der Wert proportional zu der Phasendifferenz zwischen dem ausgewählten GPS- Referenzsignal und dem internen Ein-PPS-Signal, das vom OCXO 10 gewonnen wird. Das Phasendetektorwort wird zu einem PLL-Schleifenfilter 19, der sich im Addierer- und im Multiplizierer-Abschnitt befindet, und zur Zustandsmaschine 12 als A Signal geleitet, Eingang 12B.
Der Zählwerk-Abschnitt enthält ebenfalls einen Überschreitungsdetektor 16. Der Überschreitungsdetektor 16 nimmt als Eingaben die Ausgabe des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 und des 11 Bit Zählwerks 14 an, wobei diese Ausgaben kollektiv als ein N-Wort-Zählwerk-Wert bezeichnet werden. Die N-Wort-Zählwerk-Bits werden von demselben GPS-Referenzsignal, das den Phasenfehler in Register A speichert, in einem Überschreitungsregister gespeichert. Eine Überschreitungslogik erfasst Phasenfehler, die die maximale Phasenfehlergröße überschreiten, die in Register A gespeichert werden kann, das heißt beispielsweise Phasenfehler außerhalb des Bereichs von -4096 bis +4095 Zählungen. Wenn das höchstzulässige Phasenfehler-Limit überschritten ist, benachrichtigt der Überschreitungsdetektor 16 die Zustandsmaschine 12, um einen Überschreitungsalarm auszulösen. Die Benachrichtigung wird als ÜBERSCHREITUNGS-Signal, Eingang 12H, an die Zustandsmaschine 12 geleitet. Der Alarm wird ebenfalls bei der PLL ASIC 4, Ausgang 4N, als ein Alarmtelemetriesignal veranschaulicht (ALARM TLMIE). Das Alarmsignal zeigt an, dass entweder ein übermäßig großer Phasenfehler oder eine Anormalie, wie beispielsweise eine Einzelereignis-Regelabweichung (SEU), aufgetreten ist. Das Alarmsignal verursacht, dass die Zustandsmaschine 12 Maßnahmen zur Korrektur des Überschreitungszustands ergreift. Die Abhilfemaßnahmen der Zustandsmaschine 12, die unten ausführlich aufgeführt sind, haben in Bezug auf die Unregelmäßigkeit einen Teilausfall zur Folge. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ermöglicht die Zustandsmaschine 12, dass die PLL ASIC 4 sich innerhalb einer Stunde von der Unregelmäßigkeit erholt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Zählwerk-Abschnitt ebenfalls PPS-Auswahlschaltungen 17. Die Auswahlschaltung 17 verwendet Eingaben, die von dem OBPE 7 empfangen werden, d. h. das PPS AUSWAHL A Signal, Eingang 4G, und das PPS AUSWAHL B Signal, Eingang 4H, um zu bestimmten, welches der beiden GPS-Referenzsignale ausgewählt werden soll. Die beiden GPS-Referenzsignale sind das PPS A EING Signal, Eingang 4A, und das PPS B IN Signal, Eingang 4B. Sobald es ausgewählt wurde, wird das entsprechende GPS-Referenzsignal zum Vergleich mit dem internen Ein-PPS-Signal, d. h. den 13 LSBs von dem 20 Bit Abwärtszählwerk 13, zum Phasendetektor 15 geleitet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Addierer-Abschnitt eine manuelle Frequenzsteuerschaltung 18 und ein PLL-Schleifenfilter 19. Die manuelle Frequenzsteuerschaltung 18 nimmt als Eingabe das GESCHLOSSEN-/OFFEN- Kommando, das OCXO AUF Signal und das OCXO AB Signal, die PLL ASIC 4 Eingaben 4I, 4J bzw. 4K an. Wie oben erörtert, werden diese Eingaben vom OBPE 7 von der Bodenstation 3 empfangen und über die Schnittstelle 8 zur PLL ASIC 4 geleitet. Der manuelle Frequenzsteuerschaltkreis 18 bewertet die Bodenkommandos und -signale und bestimmt, wie die PLL ASIC fortfahren soll. Beim Betrieb in der geschlossenen Betriebsweise sendet die manuelle Frequenzsteuerschaltung 18 die Ausgabe des Phasendetektors 15, das heißt des Phasendetektorwortes, zum PLL- Schleifenfilter 19. Daher beeinflussen die Bodenkommandos und -signale in der geschlossenen Betriebsweise nicht die Frequenz des OCXO 10. Tatsächlich wird die Stabilisierung des OCXO 10 von dem ausgewählten GPS-Referenzsignal angetrieben. Wenn jedoch die manuelle Frequenzsteuerschaltung 18 Kommandos von der Bodenstation 3 empfängt, um der PLL ASIC 4 zu befehlen, in die offene Betriebsweise umzuschalten, treibt entweder das OCXO AUF oder das OCXO AB Signal die Stabilisierung des OCXO 10 an. Wenn zum Beispiel die PLL ASIC 4 in der offenen Betriebsweise arbeitet und das OCXO AUF Signal empfangen wird, arbeiten das PLL- Schleifenfilter 19 und die Zustandsmaschine 12 zusammen, um das Wort des D/A- Registers 21 um eins zu erhöhen. Das schrittweise Erhöhen des im D/A-Register 21 gespeicherten Wertes hat eine Vergrößerung der Frequenz des OCXO 10 um ein Bit zur Folge. Wenn die PLL ASIC 4 in der offenen Betriebsweise arbeitet und das OCXO AB Signal empfangen wird, aktualisieren ebenso das PLL-Schleifenfilter 19 und die Zustandsmaschine 12 das Wort des D/A-Registers 21 und daher die Frequenz des OCXO 10, indem sie jeden Wert um eins verringern.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst das PLL-Schleifenfilter 19 zwei Wege, einen proportionalen oder direkten Weg und einen Integratorweg. Diese Wege sind ausführlich in Fig. 3B gezeigt. Jeder Weg umfasst einen Eingangskoeffizienten und einen unterstützenden digitalen Schaltkreis, die das digitale Wort filtern, das vom Phasendetektor 15 empfangen wird. Die Eingangskoeffizienten und die unterstützenden digitalen Schaltkreise lassen einen vorherrschenden Schleifenpol und einen Schleifennullwert zu und ermöglichen so die unabhängige Einstellung sowohl einer Schleifenbandbreite als auch eines Dämpfungsfaktors. Beim Anfangstest werden die Eingangskoeffizienten so ausgewählt, dass sie die Schleifenbandbreite und den Dämpfungsfaktor ergeben, die die Ausgabephase und den Frequenzfehler minimieren. Durch zyklisches Betreiben der Schleifenbandbreite und des Dämpfungsfaktors kann die Ausgabe des PLL-Schleifenfilters 19, ein Steuerwort, variiert werden.
Wie in Fig. 3B gezeigt, umfasst der Integratorweg einen K1 Koeffizienten, einen Multiplizierer 22, einen Multiplexer 23, einen Speicher 24 und eine Schiebeeinheit 25. Die Schiebeeinheit 25 wirkt als arithmetische Dividiereinheit. Der direkte Weg umfasst einen K2 Koeffizienten, einen Multiplizierer 26 und eine Schiebeeinheit 27. Wie bei dem Integratorweg wirkt die Schiebeeinheit 27 des direkten Weges als eine arithmetische Dividiereinheit. Vorzugsweise werden die Koeffizienten K1 und K2 (die Eingänge 4D und 4E der PLL ASIC 4) bei der Herstellung definiert und für die Lebensdauer der PLL ASIC 4 hartcodiert, obwohl es innerhalb des Bereichs dieser Erfindung liegt, diese entweder von dem OBPE 7 oder von der Bodenstation 3 über den OBPE 7 programmierbar zu machen. Die Werte der Koeffizienten bestimmen die Reaktion der PLL-Schleife, z. B. kann K1 so definiert sein, dass er die Schleifenbandbreite definiert, während das Verhältnis K2/K1 daraufhin definiert so werden kann, dass es den Dämpfungsfaktor bestimmt und dadurch die erforderliche Signalfilterung bereitstellt.
Die Ausgabe des PLL-Schleifenfilters 19, das Steuerwort, ist das Ergebnis der Summierung der Ausgabe des Integratorweges und des direkten Weges mit Hilfe eines Addierers 28. Wenn die PLL ASIC 4 in der geschlossenen Betriebsweise arbeitet, sendet der Multiplexer 23 die Ausgabe des Phasendetektors 15 durch den Integratorweg, d. h. zum Speicher 24. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Speicher 24 eine Begrenzerfunktion auf, die sicherstellt, dass der Speicher 24 keinen Überlauf oder Unterlauf erfährt. Vorzugsweise ist die Begrenzerfunktion so implementiert, dass sie den Speicher auf seinem Höchst- oder Mindestwert hält. Dementsprechend wird die Erfassungszeit wesentlich verkürzt, da verhindert wird, dass der Speicher übermäßig große Werte speichert, für deren Entfernung, d. h. deren Ausgliederung, eine typische Steuerschleifenoperation einige Zeit benötigen würde.
Die Ausgabe des Speichers 24 gelangt zur Schiebeeinheit 25. Die Schiebeeinheit 25 leitet sie zum Addierer 28 weiter, nachdem sie das eingegebe Signal modifiziert hat. Wenn die PLL ASIC 4 in der offenen Betriebsweise arbeitet, leitet der Multiplexer 23 entweder ein +32 oder ein -32 Signal durch den Integratorweg. Demgemäß wird die Ausgabe des Phasendetektors 15 in der offenen Betriebsweise nicht weitergeleitet. Zum Beispiel leitet der Multiplexer 23 das +32 Signal weiter, wenn er das OCXO AUF Signal von der manuellen Frequenzsteuerung 18 empfängt. Durch Leiten des +32 Signals durch den Integratorweg wird das D/A-Register 21 auf die Ausgabe eines Schleifentaktimpulses durch die Zustandsmaschine 12 hin um eins vergrößert. Ebenso leitet der Multiplexer 23, wenn er das OCXO AB Signal von der manuellen Frequenzsteuerung 18 empfängt, das -32 Signal durch den Integratorweg. Das -32 Signal hat zur Folge, dass das D/A-Register 21 auf die Ausgabe des Schleifentaktimpulses durch die Zustandsmaschine 12 hin um eins verringert wird. Wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 3A wird die Steuerwortausgabe des PLL- Schleifenfilters 19 zu einem J-Begrenzer 20 im Multiplizierer-Abschnitt geleitet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Multiplizierer-Abschnitt den J- Begrenzer 20 und das D/A-Register 21. Der J-Begrenzer 20 empfängt das Steuerwort, die Ausgabe des PLL-Schleifenfilters 19. Das Steuerwort wird durch den J-Begrenzer 20 zum D/A-Register 21 geleitet. Der J-Begrenzer 20 begrenzt die Spitzenamplitude des Steuerworts auf einen Wert zwischen einem spezifizierten Minimum und Maximum und verhindert so einen Überlauf am D/A-Register 21. Nach dem Empfang leitet das D/A-Register 21 das Steuerwort zum DAC 9, der sich außerhalb der PLL ASIC 4 befindet. Der DAC 9 wandelt das Steuerwort in eine analoge Steuerspannung um, die die Frequenz des OCXO 10 variiert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung werden die Betriebsweisen der PLL ASIC 4 durch eine Steuereinheit aufrecht erhalten, die als Zustandsmaschine 12 implementiert ist. Die Zustandsmaschine 12, die ausführlich in Fig. 3C gezeigt ist, befindet sich im Zustands-Abschnitt der PLL ASIC 4. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein zuverlässiger Satellitenbetrieb mit dreifach redundanter Zustandsmaschinensteuerung bereitgestellt. Wie oben erörtert, reagiert die Zustandsmaschine 12 auf Eingaben und Zustände, einschließlich Kommandos, die von der Bodenstation 3 empfangen werden, fehlende oder fehlerhafte GPS-Referenzsignale und anormale Ereignisse, wie beispielsweise Einzelereignis-Regelabweichungen (SEUs). Fig. 2B; 2C und 3C veranschaulichen die Eingaben in und die Ausgaben aus der PLL ASIC 4 und ihrer Steuereinheit, der Zustandsmaschine 12.
Insbesondere nimmt die Zustandsmaschine 12 die folgenden Eingaben an: ein AKTUALISIEREN Kommando an Eingang 12A von der manuellen Frequenzsteuerung 18, die die Zustandsmaschine 12 darüber benachrichtigt, dass das OCXO AUF oder das OCXO AB Signal von der Bodenstation 3 empfangen worden ist; das A Signal an Eingang 12B vom Phasendetektor 15, das den Phasenfehler darstellt, der zwischen dem internen Ein-PPS-Signal gemessen wird, das vom OCXO 10 und dem ausgewählten GPS-Referenzsignal gewonnen wird; das 1/64 Hz Taktsignal und das 1 Hz Taktsignal an den Eingängen 12C und 12D von dem 11 Bit Zählwerk 14; ein SCHLIESSEN Kommando am Eingang 12E, das das GESCHLOSSEN/OFFEN Kommando ist, das beim Einschalten aktiviert wird, wodurch die Zustandsmaschine 12 ausgelöst wird, um in die geforderte Betriebsweise umzuschalten; ein RÜCKSETZ Kommando am Eingang 12F, das beim Einschalten aktiviert wird, wodurch die Zustandsmaschine 12 ausgelöst wird, um sämtliche Register in der PLL ASIC 4 zurückzusetzen; ein REF 1 PPS Signal am Eingang 12G von den PPS-Auswahlschaltungen 17, das der Zustandsmaschine 12 ermöglicht, das ausgewählte GPS-Referenzsignal zu überwachen, um sicherzustellen, dass es ausreichend exakt ist; und das ÜBERSCHREITUNGS-Signal am Eingang 12H vom Überschreitungsdetektor 16, das die Zustandsmaschine 12 darüber in Kenntnis setzt, dass ein großer Phasenfehler erfasst wurde, was anzeigt, dass eine Anormalität, wie beispielsweise eine SEU oder ein fehlendes oder fehlerhaftes PPS, aufgetreten ist.
Durch Bewertung dieser Eingaben steuert die Zustandsmaschine 12 automatisch die Umschaltung entweder in die offene Betriebsweise oder in die geschlossene Betriebsweise und bestimmt auf diese Weise, wann die Frequenz 10 des OCXO aktualisiert wird. Die Zustandsmaschine 12 stellt ebenfalls Ausgaben bereit, die andere Teile der PLL ASIC 4 steuern. Insbesondere umfassen diese Ausgaben: ein SCHLEIFENTAKTGEBER Signal am Ausgang 121, das das 1/64 Hz Taktsignal ist, das verwendet wird, um zu steuern, wann das D/A-Register 21 und damit der OCXO 10 aktualisiert wird; und ein SYNC Signal an Ausgang 12M, das das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 und das 11 Bit Zählwerk 14 auf ihre ursprünglichen Zustände zurücksetzt. Zusätzlich stellt die Zustandsmaschine 12 Telemetrieausgaben bereit, die den Zustand des GPS-Verfolgungsnetzes mitteilen. Insbesondere sind diese Ausgaben: ein Verriegelungstelemetriesignal (VERRIEGELUNGS-TLMIE) an Ausgang 12J, das anzeigt, dass der OCXO 10 auf das eingegebene GPS-Zeitsignal verriegelt ist; ein VERFOLGUNG oder GESCHLOSSEN/OFFEN TLMIE Signal an Ausgang 12K, das anzeigt, dass die PLL ASIC 4 sich entweder im offenen (niedrigwertigen) Betrieb oder im geschlossenen (hochwertigen) Betrieb befindet; das ALARM TLMIE Signal an Ausgang 12L, das anzeigt, dass die Zustandsmaschine 12 einen Alarmzustand vom Überschreitungsdetektor 16 empfangen hat, d. h. die Zustandsmaschine 12 darüber benachrichtigt, dass ein großer Phasenfehler erfasst wurde.
Wie oben erörtert, wurde der Betrieb der PLL ASIC 4 im Hinblick auf zwei Betriebsweisen beschrieben, die geschlossene Betriebsweise und die offene Betriebsweise. Zusätzlich zu diesen hochpegeligen Betriebsweisen der PLL ASIC 4 wird die Zustandsmaschine 12 gemäß den in Fig. 4A und 4B veranschaulichten Betriebsweisen betrieben.
Gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 2A, 3A, 3C, 4A und 4B wird die Zustandsmaschine 12 der PLL ASIC 4 entweder in einer Halte-Betriebsweise, einer Aktualisierungs-Betriebsweise, einer Warte- Betriebsweise, einer Erfassungs-Betriebsweise oder einer Verfolgungs-Betriebsweise betrieben. Es ist zu beachten, dass die Hatte-Betriebsweise, die Aktualisierungs- Betriebsweise und die Warte-Betriebsweise Untergruppen der offenen Betriebsweise sind, während die Erfassungs-Betriebsweise und die Verfolgungs-Betriebsweise Untergruppen der geschlossenen Betriebsweise sind.
Zusätzlich zu den oben genannten Betriebsweisen tritt eine anfängliche Einschalt-Betriebsweise auf, wenn Strom an die PLL ASIC 4 angelegt wird, das heißt, wenn ein Impuls an das RÜCKSETZ Kommando, Eingang 4Q der PLL ASIC 4 und Eingang 12F der Zustandsmaschine 12, angelegt wird. Beim Einschalten werden die Ausgänge der PLL ASIG 4 auf einen bekannten Zustand eingestellt. Dieser Zustand lautet für alle null, außer für das Steuerwort, das auf das D/A-Register 21 angewendet wird. Das D/A-Register 21 wird stattdessen auf einen Startwert von 0111 1111 1111 eingestellt. Daher stellt der D/A-Wandler 9, der seine Eingabe von dem D/A-Register 21 empfängt, die Steuerspannung des OCXO 10 auf einen Wert im mittleren Bereich ein.
Nach der Einschalt-Betriebsweise steuert die Zustandsmaschine 12 den Betrieb der PLL ASIC 4 wie folgt. Unter Bezugnahme auf Fig. 4A wird bei Block A in die Halte-Betriebsweise umgeschaltet, wenn die PLL ASIC 4 von der Bodenstation das Kommando empfängt, in der offenen Betriebsweise zu arbeiten. Wie oben erörtert, wird ein Offen-Kommando von der Zustandsmaschine 12 am SCHLIESSEN Kommando, Eingang 12E, empfangen. In der Halte-Betriebsweise arbeitet die Zustandsmaschine 12 so, dass die SCHLEIFENTAKTSIGNALE, Ausgang 12G und 12I, deaktiviert werden; das VERRIEGELUNGS-TLMIE Signal, Ausgang 12J, auf null (d. h. nicht verriegelt) eingestellt wird; und das VERFOLGUNG oder GESCHLOSSEN/OFFEN TLMIE Signal, Ausgang 12K, auf null (d. h. offene Betriebsweise) eingestellt wird, Die Zustandsmaschine 12 löscht daraufhin den Phasendetektor 15 (Register A) und deaktiviert das GPS-Referenzsignal an Register A. Die Zustandsmaschine 12 gibt als nächstes ein einzelnes SCHLEIFENTAKTSIGNAL, Ausgang 12I, aus, um das D/A- Register 21 zu aktualisieren. Sobald das SCHLEIFENTAKTSIGNAL ausgegeben ist, überwacht die Zustandsmaschine 12 sowohl das SCHLIESSEN Kommando, Eingang 12E, bei Block B als auch das AKTUALISIEREN Kommando, Eingang 12A bei Block C. Die Zustandsmaschine 12 hält diesen Überwachungszustand der Halte-Betriebsweise aufrecht, bis sie durch das AKTUALISIEREN Kommando oder das SCHLIESSEN Kommando angewiesen wird, entweder in die Aktualisieren-Betriebsweise oder in die Warte-Betriebsweise umzuschalten. Wenn daher das AKTUALISIEREN Kommando, Eingang 12A, von der manuellen Frequenzsteuerung 18 auf einen Wert von eins eingestellt wird und das SCHLIESSEN Kommando, Eingang 12E einen Wert von null beibehält, dann wird bei Block D in die Aktualisieren-Betriebsweise umgeschaltet. Wenn jedoch das SCHLIESSEN Kommando von dem OBPE 7 auf einen Wert von eins eingestellt wird, dann wird ungeachtet des Status des AKTUALISIEREN Kommandos bei Block E die Warte-Betriebsweise angenommen. Es ist zu beachten, dass bei der bevorzugten Ausführungsform die Zustandsmaschine 12 die Warte-Betriebsweise beibehält, bis der Phasenfehler und/oder die Stabilität der GPS-Referenzsignale beispielsweise weniger oder gleich ±1,65 usek pro Sekunde beträgt.
In der Aktualisierungs-Betriebsweise wird, wie in Block D gezeigt, das Steuerwort, das im D/A-Register 21 gespeichert ist, durch die Zustandsmaschine 12 entweder schrittweise erhöht oder schrittweise verringert. Die Zustandsmaschine 12 erfüllt die Erhöhungs- bzw. Verringerungsfunktion durch Erzeugung eines einzelnen Impulses des SCHLEIFENTAKTSIGNALS an das PLL-Schleifenfilter 19 und das D/A-Register 21. Die Zustandsmaschine 12 ruft entweder die Erhöhungs- oder die Verringerungsfunktion auf, wenn sie das AKTUALISIEREN Kommando von der manuellen Frequenzsteuerung 18 empfängt. Um den Wert in dem D/A-Register 21 schrittweise zu erhöhen, sendet die manuelle Frequenzsteuerung 18 das OCXO AUF Signal zum Integratorweg des PLL-Schleifenfilters 19. Das PLL-Schleifenfilter 19 leitet bei Empfang des OCXO AUF Signals ein +32 Signal zum Speicher 24, dessen Ausgabe von der Schiebeeinheit 25 durch 32 geteilt wird, wodurch der Wert des D/A-Registers 21 um eins erhöht wird. Ebenso sendet die manuelle Frequenzsteuerung 18 zur schrittweisen Verringerung des Wertes im D/A-Register das OCXO AB Signal zum Integratorweg des PLL-Schleifenfilters 19. Als Reaktion auf das OCXO AB Signal leitet das PLL-Schleifenfilter 19 ein-32 Signal zum Speicher 24, das von der Schiebeeinheit 25 durch 32 geteilt wird, wodurch der Wert im D/A-Register 21 um eins verringert wird. Sobald das D/A-Register 21 erhöht oder verringert worden ist, schaltet die Zustandsmaschine 12 ihren Betrieb wieder in die Halte-Betriebsweise um, Block A, wo das AKTUALISIEREN-Kommando und das SCHLIESSEN-Kommando wiederum bewertet werden, um ihre nächste Betriebsweise zu bestimmen, d. h. die Zustandsmaschine 12 kehrt in den Überwachungszustand der Halte-Betriebsweise zurück.
In der Warte-Betriebsweise überprüft die Zustandsmaschine 12, wie in Block E bis H gezeigt, das Vorhandensein gültiger GPS-Referenzsignale. Dies stellt sicher, dass die PLL ASIC 4 nicht versucht, den Erfassungs-Vorgang zu starten, bevor die GPS- Empfänger 6 korrekt auf die GPS-Referenzsignale verriegelt worden sind, wodurch der PLL ASIC 4 stabile Zeitsignale bereitgestellt werden. Die Warte-Betriebsweise "sprungstartet" zudem den Erfassungs-Vorgang durch Voreinstellung der Initialphasenausrichtung des internen Ein-PPS-Signals im Verhältnis zu dem ausgewählten GPS-Referenzsignal. Der Sprungstart erbringt einen Initialphasenfehler von nahe null und minimiert daher sowohl die Größe der Schleifenübergänge als auch der Erfassungs-Zeit.
Bei Block E wartet die Zustandsmaschine 12 auf ein erstes GPS-Referenzsignal. Wenn dieses erste Signal erfasst wird, liest und speichert die Zustandsmaschine 12 ein erstes digitales Wort, das sich in dem Phasendetektor 15 befindet. Die Zustandsmaschine wartet auf ein zweites GPS-Referenzsignal. Die Zustandsmaschine 12 wartet eine vorherbestimmte Zeitspanne auf dieses zweite Signal, zum Beispiel etwa 2 Sekunden. Wenn das zweite GPS-Referenzsignal innerhalb der vorherbestimmten Zeitspanne erfasst wird, liest und speichert die Zustandsmaschine 12 ein zweites digitales Wort, das sich im Phasendetektor 15 befindet. Wenn das erste und das zweite digitale Wort gelesen und gespeichert worden sind, vergleicht die Zustandsmaschine 12 die Phase des ersten mit der des zweiten digitalen Wortes.
Bei Block H bewertet die Zustandsmaschine 12 das Ergebnis des Phasenvergleiches. Wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden digitalen Worten größer ist als ein spezifizierter Schwellenbereich, beispielsweise etwa ±32 Zählungen (etwa 1,7 usek), schaltet die Zustandsmaschine 12 in die Halte-Betriebsweise um. Wenn jedoch die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Wort innerhalb des spezifizierten Schwellenbereiches liegt, bewertet die Zustandsmaschine 12 als nächstes das ÜBERSCHREITUNGS-Signal, Eingang 12H. Wenn die ÜBERSCHREITUNG eingestellt ist, stellt die Zustandsmaschine 12 das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 und das 11 Bit Zählwerk 14 durch Ausgabe des SYNC Signals, Ausgang 12M, zurück, bevor sie in die Erfassungs-Betriebsweise umschaltet. Das SYNC Signal stellt das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 und das 11 Bit Zählwerk 14 auf ihre Anfangseinstellung zurück. Wenn das ÜBERSCHREITUNGS-Signal jedoch nicht eingestellt wird, stellt die Zustandsmaschine 12 das VERFOLGUNG Signal, Ausgang 12K, auf einen Wert ein, der anzeigt, dass die PLL ASIC 4 in die geschlossene Betriebsweise umschaltet. Sobald das VERFOLGUNG Signal aktualisiert worden ist, schaltet die Zustandsmaschine 12 bei Block 1 in die Erfassungs-Betriebsweise um. Es wird angemerkt, dass, wenn die Zustandsmaschine 12 zu irgendeiner Zeit während der Warte-Betriebsweise einen Wert von null am SCHLIESSEN-Kommando, Eingang 12E, bewertet bei Block F, erfasst oder wenn die vorherbestimmte Zeitspanne abläuft, bevor die Zustandsmaschine 12 das zweite GPS-Referenzsignal, verifiziert bei Block G, erfasst, dann kehrt der Betrieb der Zustandsmaschine 12 zur Halte-Betriebsweise bei Block A zurück.
Die Erfassungs-Betriebsweise, wie sie in Block 1 gezeigt ist, ist der erste Zustand des geschlossenen Betriebs. Sie wird angenommen, nachdem eine gültige GPS- Impulsphasendifferenz bestimmt wurde, d. h. die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Wort befindet sich innerhalb des spezifizierten Schwellenbereichs. In der Erfassungs-Betriebsweise ist die Phase und Frequenz des OCXO 10 mit der des ausgewählten GPS-Referenzsignals synchronisiert. Mit anderen Worten wird eine neue Phasendifferenz vom Phasendetektor 15 gemessen, die die Phasendifferenz zwischen dem ausgewählten GPS-Referenzsignal und dem internen Ein-PPS-Signal ist, das vom OCXO 10 gewonnen wird. In der geschlossenen Betriebsweise wird die neue Phasendifferenz schrittweise auf etwa null verringert.
In der Erfassungs-Betriebsweise stellt die Zustandsmaschine 12 das VERRIEGELUNGS-TLMIE Signal, Ausgang 12J, auf einen Wert von null ein und ermöglicht dem SCHLEIFENTAKTSIGNAL, Ausgang 12I, alle 64 Sekunden einmal zu pulsieren. Sobald das SCHLEIFENTAKTSIGNAL aktiviert ist, bewertet die Zustandsmaschine 12 sowohl das SCHLIESSEN Kommando, Eingang 12E bei Block J, als auch das REF 1 PPS Signal, Eingang 12G bei Block K. Wenn das SCHLIESSEN Kommando einen Wert von null aufweist, ist das Offen-Kommando empfangen worden, und die Zustandsmaschine 12 schaltet bei Block A wiederum in die Halte- Betriebsweise um. Wenn das ausgewählte GPS-Referenzsignal innerhalb eines spezifizierten Schwellenbereichs, beispielsweise etwa 2 Sekunden, nicht am REF 1 PPS-Eingang empfangen worden ist, schaltet die Zustandsmaschine 12 bei Block A wieder in die Halte-Betriebsweise um. Diese letztere Situation würde anzeigen, dass ein fehlendes oder fehlerhaftes GPS-Referenzsignal aufgetreten ist.
Zusätzlich überwacht die Zustandsmaschine 12 das ÜBERSCHREITUNGS- Signal, Eingang 12H. Wenn ein Überschreitungszustand erfasst wird, setzt die Zustandsmaschine 12 das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 und das 11 Bit Zählwerk 14 durch Ausgabe des SYNC Kommandos, Ausgang 12M, zurück. Die Zustandsmaschine 12 bewertet ebenfalls den Phasenfehler zwischen dem internen Ein-PPS-Signal und dem ausgewählten GPS-Referenzsignal. Die Zustandsmaschine 12 empfängt den Phasenfehler beim A Signal, Eingang 12B, vom Phasendetektor 15. Wenn die Zustandsmaschine bestimmt, dass der Phasenfehler innerhalb eines spezifizierten Schwellenbereiches liegt, beispielsweise etwa ±40 Zählungen für 960 Sekunden, dann schaltet die Zustandsmaschine 12 bei Block M in die Verfolgungs-Betriebsweise um.
In der Verfolgungs-Betriebsweise, die bei Block M bis R in Fig. 4B gezeigt ist, stellt die Zustandsmaschine 12 das VERRIEGELUNGS-TLMIE Signal, Ausgang 12J, auf einen Wert von eins ein, der anzeigt, dass die Frequenz des OCXO 10 auf die GPS- Referenzsignale phasenverriegelt ist. Wie in der Erfassungs-Betriebsweise bewertet die Zustandsmaschine 12 das SCHLIESSEN Kommando, Eingang 12E bei Block N, das REF 1 PPS-Signal, Eingang 12G bei Block O und das ÜBERSCHREITUNGS-Signal, Eingang 12H bei Block P. Wenn das SCHLIESSEN Kommando anzeigt, dass das Offen-Kommando ausgegeben wurde, oder das REF 1 PPS-Signal anzeigt, dass das GPS-Zeitsignal fehlt oder fehlerhaft ist, dann beendet die Zustandsmaschine 12 die Verfolgungs-Betriebsweise und schaltet bei Block A wiederum in die Halte- Betriebsweise um. Wenn ein ÜBERSCHREITUNGS-Signal empfangen wird, stellt die Zustandsmaschine 12 zuerst das ALARM TLMIE Signal, Ausgang 12L bei Block Q ein, wodurch angezeigt wird, dass eine Überschreitung stattgefunden hat, und schaltet daraufhin wiederum bei Block A in die Halte-Betriebsweise um. Die Zustandsmaschine 12 überwacht ebenfalls den Phasenfehler, Eingang 12B bei Block R, der vom Phasendetektor 15 empfangen wird. Wenn die Zustandsmaschine 12 bestimmt, dass der Phasenfehler sich innerhalb eines spezifizierten Schwellenbereiches befindet, beispielsweise etwa ±40 Zählungen, dann wird die Verfolgungs-Betriebsweise beibehalten. Wenn jedoch die Phasendifferenz den spezifizierten Schwellenbereich überschreitet, kehrt die Zustandsmaschine 12 in die Erfassungs-Betriebsweise zurück, um die Signalsynchronisation wieder herzustellen.
Daher steuert die Zustandsmaschine 12 die Satellitensynchronisation mit den Zeitimpulsen des GPS 2, indem sie durch die oben genannten Zustände schaltet.
Gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 5A ist ein N-Wort-Zählwerk-Schaubild gezeigt.
Das N-Wort-Zählwerk ist die kollektive Ausgabe des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 und des 11 Bit Zählwerks 14, die oben erörtert wurden. Spezifische Werte, die von dem N- Wort-Zählwerk berechnet wurden, werden vom Überschreitungsdetektor 16 bewertet, um Phasenfehler zu erfassen, die einen spezifizierten Höchstwert überschreiten. Wenn der N-Wort-Wert das spezifizierte Maximum überschreitet, aktiviert die Zustandsmaschine 12 den Überschreitungsalarm. Der Überschreitungsalarmzustand wird erfasst, bevor die fehlerhafte Phasenmessung in der nächsten Berechnung verwendet wird. Der Überschreitungsalarm zeigt an, dass entweder ein übermäßig großer Phasenfehler oder eine Anormalie, wie beispielsweise eine SEU, aufgetreten ist.
Die Zustandsmaschine 12 ergreift sofortige Maßnahmen, um den Alarmzustand zu korrigieren. Sobald er erfasst ist, schaltet die Zustandsmaschine 12 unverzüglich wieder in die Halte-Betriebsweise um. Durch erneutes Umschalten in die Halte- Betriebsweise stellt die Zustandsmaschine 12 den letzten gemessenen Phasenfehler auf null ein, ermöglicht eine weitere Schleifenberechnung unter Verwendung dieses null- Phasenfehlers und fixiert die gesamte Schleife. Insbesondere werden der Speicher 24 und das D/A-Ausgabesteuerwort an Ausgang 4F in ihren letzten gültigen Werten fixiert. Die Zustandsmaschine 12 versucht daraufhin, wieder in die Erfassungs-Betriebsweise umzuschalten. Wie immer schaltet die Zustandsmaschine 12 zuerst in die Warte- Betriebsweise um, in der die Zustandsmaschine nach einer GPS-Referenzsignalaktivität sucht, und bewertet daraufhin die Exaktheit der GPS-Referenzsignalperiode. Nachdem das GPS-Referenzsignal verifiziert worden ist, bewertet die Zustandsmaschine 12 die absolute Größe des Phasenfehlers. Wenn ein großer Phasenfehler vorliegt, beispielsweise ein Fehler, der größer ist als etwa ±200 usek, werden das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 und das 11 Bit Zählwerk 14, d. h. das N-Wort-Zählwerk, unter Verwendung der Anstiegsflanke am nächsten GPS-Referenzsignal zurückgesetzt. Durch Verwendung der Zeitabstimmung des GPS-Referenzsignals wird der Phasenfehler tatsächlich auf null eingestellt. Das heißt, die Ausgabe des N-Wort-Zählwerks ist nun genau dann null, wenn das GPS-Referenzsignal auftritt. Daher schaltet die PLL ASIC 4 in die Erfassungs-Betriebsweise mit praktisch denselben numerischen Schleifenwerten wie vor dem unregelmäßigen Alarmzustand um. Daher werden viele der Zeitfehler des GPS-Empfängers ausgefiltert, und die Reaktivationszeit wird minimiert. Dies "sprungstartet" tatsächlich den Erfassungs-Vorgang der PLL ASIC 4 durch Verwendung der vorherigen Einstellung und hat in Bezug auf die Unregelmäßigkeit, die den Überschreitungsalarm auslöste, einen Teilausfall zur Folge.
Im Wesentlichen besteht der Zweck des N-Wort-Zählwerks darin, eine Phasenwellenform zu erzeugen, die die momentane Phase des internen Ein-PPS-Signals darstellt, das von der 19,38 MHz-Ausgabe des OCXO 10 gewonnen wird. Fig. 5A stellt ein ausführliches Schaubild der Operationen des N-Wort-Zählwerks dar. Wenn das GPS-Referenzsignal empfangen wird, wird das momentane Phasenwort vom N-Wort- Zählwerk in einem Phasenregister, Register A, gespeichert. Dieses gespeicherte Wort stellt die Phase des internen Ein-PPS-Signals der PLL ASIC 4 im Verhältnis zur Anstiegsflanke des ausgewählten GPS-Referenzsignals dar, mit anderen Worten stellt das gespeicherte Wort den Phasenfehler dar. Daher ist das N-Wort-Zählwerk ein Integrator der Frequenz des OCXO 10, wobei das Integral der Frequenz eine momentane Phase ist. Da die Frequenz des OCXO 10 konstant ist, ist die Ausgabe des N-Wort-Zählwerks eine lineare Rampe, die sich alle 360 Grad wiederholt.
Sämtliche Berechnungen des PLL-Schleifenfilters 19 werden in einer Zweierkomplement-Arithmetik ausgeführt. Figur A zeigt, wie das N-Wort-Zählwerk voreingestellt wird, so dass die Phasenwortausgabe eine Zweierkomplement-Nummer für Phasenfehler oberhalb und unterhalb des voreingestellten Wertes korrekt darstellt. Es ist zu beachten, dass die unteren 13 LSBs des N-Wort-Zählwerks auf einen Wert von 0-0000-0000-0000 voreingestellt werden. Wenn der GPS-Taktgeber die momentane Phase eine 19,38 MHz-Taktsignalperiode zu früh speichert, dann wird das Phasenwort auf einen Wert von 0-0000-0000-0001 gespeichert, d. h. einen +18,6 · 10&supmin;&sup6; Gradfehler. Wenn der GPS-Taktgeber die momentane Phase eine Taktsignalperiode zu spät speichert, dann wird das Phasenwort auf einen Wert von 1-1111-1111-1111 oder einen Wert von 1 FFF in Hexadezimal-Schreibweise gespeichert. Der 1 FFF Hexadezimalwert ist das Zweierkomplement-Format von minus eins.
Da die Schleife eine negative Rückmeldung erfordert, wird das N-Wort- Zählwerk vorzugsweise teilweise mit einem Abwärtszähler 13 implementiert. Wenn daher die Frequenz des OCXO 10 zu groß ist, wird das Abwärtszählwerk 13 so betrieben, dass sich ein Wert mit negativem Vorzeichen als Ausgabe des Phasendetektors 15 ergibt. Durch Implementierung des N-Wort-Zählwerks teilweise mit dem Abwärtszählwerk 13 besteht kein Bedarf für einen Zweierkomplement-Schaltkreis nach dem Phasendetektor 15, wodurch der Stromverbrauch der PLL ASIC 4 minimiert wird.
Wie oben erörtert, wird die Frequenz des OCXO 10 alle 64 Sekunden aktualisiert. Dementsprechend ist ein 1/64 Hz Schleifentaktsignal erforderlich. Das 11 Bit Zählwerk 14 stellt das 1/64 Hz Schleifentaktsignal bereit. In Fig. 5A zeigt das "Sekundenzählungs"-Etikett den 1/64 Hz Taktgeber als N-Wort-Zählwerkausgabe.
Das GPS-Referenzsignal ist ein 1 Hz Taktsignal, daher muss das Taktsignal des OCXO 10 dividiert werden, um ein lokales 1 Hz Signal zu erzeugen. Sobald das Taktsignal des OCXO 10 in das lokale 1 Hz-Signal umgewandelt ist, wird es zum Vergleich mit dem GPS-Referenzsignal zum Phasendetektor 15 gesendet. Die Umwandlung des Taktsignal des OCXO kann unter Verwendung eines 25 Bit Zählwerks implementiert werden. Da das Schleifenfilter 19 einen Integrator enthält, müsste das 25 Bit Wort erweitert werden. Jedoch würde ein Wort dieser Größe die Komplexität der arithmetischen Berechenungen der Schleife bedeutend vergrößern. Zudem kann ein solches Wort potentiell einen großen Phasenfehler einführen. Bei dem beschränkten Einstellungsbereich, der dem OCXO 10 zur Verfügung steht, würde es Tage dauern, einen großen Phasenfehler zu entfernen, um die PLL ASIC 4 auf das GPS- Referenzsignal zu verriegeln. Daher wird der potentiell große Phasenfehler beseitigt, indem nur die 13 LSBs des N-Wort-Zählwerks zum Phasendetektor 15 gesendet werden.
Da das Phasenfehlerwort auf 13 Bits verringert worden ist, ist der maximale gemessene Phasenfehler nun auf ±0,012 Grad beschränkt, und die PLL könnte auf jede beliebige von über 2000 verschiedenen Phasenpositionen verriegelt werden, von denen nur eine einen wahren Phasenfehler von null Grad haben würde. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet daher einen Überschreitungsdetektor 16 innerhalb der PLL ASIC 4. Der Überschreitungsdetektor 16 erfasst unkorrekte Phasen des N-Wort-Zählwerks im Verhältnis zur GPS-Referenz und das N-Wort-Zählwerk wird voreingestellt oder "sprunggestartet". Durch den Sprungstart wird das N-Wort-Zählwerk durch Verwendung der Anstiegsflanke des nächsten GPS-Referenzsignals auf einen Initialphasenfehler von null eingestellt, um das N-Wort-Zählwerk, das heißt das 11 Bit Zählwerk 14 und das 20 Bit Abwärtszählwerk 13 mit den Werten 000-0000-0000 bzw. 1000-0000-0000-0000-0000, parallel zu laden. Durch das parallele Laden wird die N-Wort-Zählwerkphase im Verhältnis zur GPS- Referenz-PPS-Zeitsteuerung mit der korrekten ±0,076 Grad Position synchronisiert.
Fig. 5B skizziert einen logischen Ablauf des Betriebs des Überschreitungsdetektors 16. Zuerst empfängt der Überschreitungsdetektor 16 bei Block AA die 13 Bits von der N-Wort-Zählwerks. Diese 13 Bits sind als die 8 MSBs des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 und die 5 LSBs vom 11 Bit Zählwerk 14 definiert. Wie in Block AB bis AG gezeigt und wie oben erörtert, bewertet der Überschreitungsdetektor 16 den Wert jedes der 13 Bits des N-Wortes. Die Bewertung wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob eine inkorrekte Phasenfehlerposition im N- Wort vorliegt. Bei Block AB werden die 5 LBSs des 11 Bit Zählwerks 14 bewertet. Wenn eins dieser Bits auf einen Wert von eins eingestellt ist, dann liegt ein inkorrekter Phasenfehler vor, und die Logik geht unverzüglich zu Block AH über, wo der Überschreitungsdetektor 16 die Zustandsmaschine 12 über diesen Fehler benachrichtigt und daher den Überschreitungsalarm setzt. Wenn jedoch diese 5 LSBs nicht einen Wert von eins aufweisen, geht die Steuerung zu Block AC über, wo die 8 MSBs des 20 Bit Abwärtszählwerks bewertet werden. Der Überschreitungsdetektor 16 untersucht zuerst das MSB des 20 Bit Abwärtszählwerks 13, d. h. Bit N19. Wenn das Bit N19 eingestellt ist, d. h. N19 weist einen Wert von eins auf, dann werden bei Block AF die nächsten 7 Bits des 20 Bit Abwärtszählwerks 13, N18-N12, bewertet. Wenn beliebige dieser Bits eingestellt sind, so wird erneut ein inkorrekter Phasenfehler erfasst, und die Steuerung wird zu Block AH weitergeleitet, wo der Alarm gesetzt wird. Wenn keins der Bits N18- N12 eingestellt ist, dann geht die Steuerung zu Block AG über, wo der Zählvorgang weitergeführt wird.
Wenn alternativ die Bewertung bei Block AC ergibt, dass das Bit N19 nicht eingestellt wurde, d. h. einen Wert von null aufweist, wird die Steuerung zu Block AD weitergeleitet. Bei Block AD werden die nächsten 7 Bits des 20 Bit Abwärtszählwerks 13, N18-N12, bewertet. Wenn beliebige der Bits N18-N12 einen Wert von null aufweisen, dann liegt wiederum ein inkorrekter Phasenfehler vor, und die Logik leitet die Steuerung unverzüglich zu Block AH über. Wenn jedoch keins der Bits N18-N12 null ist, dann wird die Steuerung zu Block AE weitergeleitet, und der Zählvorgang wird wie zuvor weitergeführt.
Wie oben erwähnt, wird die Steuerung zu Block AH weitergeleitet, wenn ein inkorrekter Phasenfehler vom Überschreitungsdetektor 16 erfasst wird. Der Überschreitungsdetektor 16 setzt den Überschreitungsalarm durch Benachrichtigung der Zustandsmaschine 12 über den Fehlerzustand bei Block AH. Ebenfalls initiiert die Zustandsmaschine 12 bei Block AI das parallele Laden des N-Wort-Zählwerks, d. h. des 20 Bit Abwärtszählwerks 13 und des 1 I Bit Zählwerks 14 auf den oben erörterten vordefinierten Wert. Daher minimiert der Überschreitungsdetektor 16 und letztlich die Zustandsmaschine 12 durch fortwährendes Überwachen der N-Wort-Zählwerkswerte die Möglichkeit, dass die PLL ASIC 4 auf eine beliebige Phasenfehlerposition verriegelt wird. Durch Verringerung der Möglichkeit der Verriegelung auf eine beliebige Phasenfehlerposition minimiert die Zustandsmaschine 12 die Zeitspanne, die dafür benötigt wird, dass die PLL ASIC 4 das GPS-Referenzsignal erfasst und sich selbst damit synchronisiert, d. h. die Zustandsmaschine 12 minimiert die Erfassungs-Zeit der PLL ASIC 4.

Claims

1. Verfahren zum Synchronisieren eines Erdumlaufsatelliten auf ein globales Positionierungssystem (GPS; Global Positioning System) umfassend die Schritte: Empfangen eines Referenzzeitimpulses vom GPS, Phasenverriegelung eines Referenzoszillators des Satelliten auf den empfangenen GPS-Referenzzeitimpuls und kontinuierliches und automatisches Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators, um Synchronisation zwischen dem Satelliten und GPS beizubehalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzoszillator sowohl in einer geschlossenen Betriebsweise, mit Phasenverriegelung des Referenzoszillators auf GPS-Zeitimpulse, als auch in einer offenen Betriebsweise zyklisch betrieben werden kann, bei der Kommandos von einer Bodenstation die Zeit- und Frequenzsynchronisation des Oszillators antreiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt zur Phasenverriegelung des Referenzoszillators des Satelliten auf empfangene GPS-Zeitimpulse mit einer digitalen Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt zur Phasenverriegelung mit der digitalen Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung mit Phasenverriegelungsschleife (PLL ASIC, phase-locked 100p application specific integrated circuit) implementiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Schritt zum Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators eine berechnete Phasendifferenz zwischen dem empfangenen GPS-Referenzzeitimpuls und einem internen Zeitimpuls verwendet, der von einer Ausgabe des Referenzoszillators gewonnen ist, wobei die berechnete Phasendifferenz gefiltert wird und dem Referenzoszillator als ein Steuerungsspannungseinstellsignal zugeführt wird, wobei das Einstellsignal kontinuierlich erzeugt wird zum Reduzieren der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen GPS-Referenzzeitimpuls und dem internen Zeitimpuls auf null.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin der interne Zeitimpuls durch Herunterzählen eines Taktsignals gewonnen wird, das vom Referenzoszillator ausgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Taktsignal von einem 19,38 MHz Taktgeber gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin in der geschlossenen Betriebsweise die Phasendifferenz zwischen den empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen und den internen Zeitimpulsen gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin in der offenen Betriebsweise die Phasen- und Frequenzkorrektur auf zuvor empfangenen GPS-Referenzzeitimpulses beruht.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin in der offenen Betriebsweise die Steuerungsimpulse von einer Bodenstation die Phasendifferenzberechnungen umgehen und direkt schrittweise die Steuerungsspannungseinstellungen erhöhen oder verringern, die zum Referenzoszillator gesendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die offene Betriebsweise ferner die Schritte umfasst: Validieren der empfangenen GPS-Referenzzeitimpulse durch kontinuierliches Berechnen der Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgend empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen, wobei die Validierung fortgesetzt wird, bis die Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgend empfangenen GPS-Impulsen in einem ersten bestimmten Phasendifferenzschwellenbereich liegt oder bis ein Überschreitungsalarm gesetzt wird, wenn die Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgend empfangenen GPS-Impulsen im ersten bestimmten Schwellenbereich liegt, wird der geschlossene Modus aufgenommen und worin, wenn die Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgend empfangenen GPS-Impulsen nicht im ersten bestimmten Schwellenbereich liegt, das schrittweise Erhöhen oder Verringern der Frequenz des Referenzoszillators durch von der Bodenstation empfangene Kommandos ermöglicht, ansonsten die Frequenz des Referenzoszillators auf einen zuvor gespeicherten Wer verriegelt wird, der auf gültigen GPS-Referenzzeitimpulsen beruht, bis wieder gültige GPS-Zeitimpulse empfangen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die erste bestimmte Phasendifferenzschwelle ±32 Zähler eines Zählwerks beträgt, das von der Ausgabefrequenz des Referenzoszillators betrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin der zweite bestimmte Phasendifferenzwert den Alarm auslöst und das Zählwerk zurückstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, worin vor dem Eintritt in die geschlossene Betriebsweise, eine Initialphasenausrichtung voreingestellt wird, um einen Initialphasenfehler zu ergeben, wie er zwischen dem internen Zeitimpuls und dem GPS- Referenzzeitimpuls gemessen wird, der nahe null ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, worin die geschlossene Betriebsweise ferner die Schritte umfasst: Ermöglichen interner Zeitimpulse, und kontinuierliches Berechnen der Phasendifferenz zwischen den internen Zeitimpulsen und den empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen, und Steuern der Phase und Frequenz des Referenzoszillators durch Konvertieren der Phasendifferenz in des Steuerungsspannungseinstellsignal, bis die Phasendifferenz zwischen internen Zeitimpulsen und den empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen für einen bestimmten Zeitraum in einem bestimmten Phasendifferenzschwellenbereich liegt, worin, wenn die Phasendifferenz zwischen den internen Zeitimpulsen und den empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen für einen bestimmten Zeitrauum in dem bestimmten Schwellenbereich liegt, ein Telemetriesignal gesetzt wird, um anzuzeigen, dass ein Verriegelungszustand erreicht wurde, worin, wenn die Phasendifferenz zwischen den internen Zeitimpulsen und den empfangenen GPS-Referenzzeitimpulsen für einen bestimmten Zeitraum nicht im dritten bestimmten Schwellenbereich liegt, die Phasen- und Frequenzeinstellungen des Referenzoszillators fortgesetzt werden, bis ein Überschreitungsalarm gesetzt wird oder GPS-Impulse fehlen, worin, wenn der Überschreitungsalarm gesetzt wird oder GPS-Impulse für mehr als zwei Sekunden fehlen, die offene Betriebsweise aufgenommen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die dritte bestimmte Phasendifferenzschwelle ±40 Zähler eines Zählwerks beträgt, das die Ausgabefrequenz des Referenzoszillators zählt, worin die ± 40 Zähler Phasendifferenz für einen bestimmten Zeitraum beibehalten wird.

16. Satellitensynchronisationssystem umfassend einen an Bord eines Satelliten (1) befindlichen Referenzoszillator (10), einen Empfänger (6) zum Empfangen von GPS- Referenzzeitimpulsen, wobei der Empfänger mit dem Referenzoszillator (10) gekoppelt ist, Mittel (4) im Satelliten (1) zum Disziplinieren des Referenzoszillators (10) auf die empfangenen GPS-Referenzzeitimpulse, und Mittel (22-28) im Satelliten zum kontinuierlichen und automatischen Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators (10), um die Synchronisation zwischen dem Satelliten (1) und dem GPS (2) beizubehalten, gekennzeichnet durch eine Handsteuerung (18), die Kommandos von einer Bodenstation (3) annimmt, um die Disziplinierung des Referenzoszillators (10) auf die empfangenen GPS-Referenzzeitimpulse zu überstimmen und stattdessen zu ermöglichen, dass Kommandos der Bodenstation den Referenzoszillator (10) des Satelliten steuern.

17. System nach Anspruch 16, worin der Referenzoszillator ein thermostabilisierter Kristalloszillator (10) (OCXO, oven controlled crystal oscillator) ist.

18. System nach Anspruch 16 oder 17, worin der Empfänger (6) zum Empfangen von GPS-Referenzzeitimpulsen ferner mindestens zwei redundante Empfänger aufweist, wobei die redundanten Empfänger jeweils einen GPS-Zeitimpuls empfangen, und Mittel (17) zum Auswählen eines der redundanten Empfänger, um einen GPS-Referenzzeitimpuls zuzuführen.

19. System nach Anspruch 18, worin die Mittel (17) zum Auswählen eines der redundanten GPS-Zeitimpulsempfänger Auswahlschaltungen umfassen, wobei die Auswahlschaltungen auf Kommandos von einer Bodenstation (3) ansprechen, um einen ausgewählten GPS-Referenzzeitimpuls an die Mittel(4) zum Disziplinieren des Referenzoszillators (10) weiterzuleiten.

20. System nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, worin das Disziplinierungsmittel (14) aus einer digitalen Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung gebildet ist.

21. System nach Anspruch 20, worin die digitale Phasenverriegelungsschleife zweiter Ordnung als eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung mit Phasenverriegelungsschleife (PLL ASIC, phase-locked 100p application specific integrated circuit) (14) implementiert ist.

22. System nach einem der Ansprüche 16 bis 21, worin die Mittel (14) zum Disziplinieren des Referenzoszillators (10) ferner umfassen: eine Zustandsmaschine (12), die einen Eintritt in verschiedene Betriebsweisen einer Frequenzsteuerung (18) steuert, die Kommandos von einer Bodenstation (3) annimmt und diese Kommandos an die Zustandsmaschine (12) sendet, wobei die Kommandos die Betriebsweisen revidieren, einen PLL-Schleifenfilter (19), der als Eingabe eine Ausgabe von dem Korrekturmittel und die Kommandos von der Frequenzsteuerung (18) empfängt, und in Reaktion auf die durch die Zustandmaschine (12) erstellten Betriebsweisen entweder die Ausgabe des Korrekturmittels oder die Kommandos von der Frequenzsteuerung (18) digital filtert, um ein digitales Steuerungssignal zu erzeugen, einen Begrenzer (20), der das digitale Steuerungssignal vom PLL-Schleifenfilter (19) empfängt und eine Spitzenamplitude des digitalen Steuerungssignals auf einen Wert zwischen einem spezifizierten Maximum und Minimum begrenzt und einen D/A-Wandler (9), der die digitale Steuerungssignalausgabe vom Begrenzer (20) empfängt und ein analoges Steuerungssignal für den Referenzoszillator (10) erzeugt.

23. System nach Anspruch 22, worin der PLL-Schleifenfilter (19) ferner einen Integrationsbegrenzer (24) umfasst, worin der Integrationsbegrenzer (24) einen Überlauf des PLL-Schleifenfilters (19) verhindert.

24. System nach einem der Ansprüche 16 bis 23 ferner umfassend Mittel zum Überwachen der GPS-Zeitimpulse auf anormale Zustände, und wenn die anormalen Zustände entdeckt werden, zum Disziplinieren des Referenzoszillators (10) mit einem zuvor gespeicherten Wert, der auf gültigen GPS-Referenzzeitimpulsen beruht, bis die anormalen Zustände beendet sind.

25. System nach einem der Ansprüche 16 bis 24, worin die Mittel zum Korrigieren der Phase und Frequenz des Referenzoszillators ferner umfassen: ein erstes Zählwerk (13), das einen internen Zeitimpuls bereitstellt, der vom Referenzoszillator (10) abgeleitet ist, und eine laufende Zählung einer Zeit zwischen einem letzten internen Zeitimpuls und dem vom GPS (2) empfangenen Referenzzeitimpuls, ein mit dem ersten Zählwerk (13) gekoppeltes zweites Zählwerk (14), einen mit dem ersten Zählwerk (13) und dem Empfänger (6) gekoppelten Phasendetektor (15) zum Berechnen einer Phasendifferenz zwischen dem internen Zeitimpuls und dem empfangenen GPS-Referenzzeitimpuls; und einen Überschreitungsdetektor (16), der eine Ausgabe sowohl vom ersten Zählwerk (13) und vom zweiten Zählwerk (14) bewertet, um zu bestimmen, ob die Phasendifferenz innerhalb bestimmter Limits liegt.

26. System nach Anspruch 25, worin das erste Zählwerk (13) ein 20 bit Synchronabwärtszählwerk ist.

27. System nach Anspruch 25, worin das zweite Zählwerk (14) ein 11 bit Synchronzählwerk ist.