CN103033828B - 一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法，在恶劣信号条件下，即便只跟踪到一颗卫星，在不能完成定位解算的情况下，依靠从接收到的导航信号中提取的周内时信息，仍然能够完成对北斗***时间的同步,提供了高灵敏度的授时服务。高灵敏度北斗辅助授时装置包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块。

Description

一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法

技术领域

本发明涉及卫星导航授时技术领域，特别是涉及一种高灵敏度北斗辅助授时装置和内嵌有所述高灵敏度辅助授时装置的高灵敏度北斗导航授时接收机及授时方法。

背景技术

授时的基本含义就是通过标准或者定制的接口和协议，为其他设备或***提供时间信息。最初的授时基本都依靠对太阳和恒星等天体规则运动的观测来实现，称为天文授时。天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间（世界时）精度无法满足二十世纪中叶社会经济各方面的需求。一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子钟”。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段包括：短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整个工序，就称为“授时***”。

短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号（简称时号），用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。长波授时利用长波（低频）进行时间频率传递与校准，是一种覆盖能力比短波强，校准的准确度更高的授时方法。网络授时和电话授时，采用用户询问方式向用户提供标准时间信号。卫星授时可以实现发播信号大面积的覆盖，而且比起前两种授时方法，它的精度更高。根据卫星在授时中所起的作用卫星授时分为主动式和中转式。主动式卫星有精密时钟，可发播标准时间信号；中转式仅转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号。

卫星导航定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具***置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于卫星轨道误差、大气层电离层的干扰，星钟与本地时钟的不同步等原因，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距。当卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。用户接受到导航电文，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

导航***卫星部分的作用就是不断地发射导航电文，卫星导航电文包含有***时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况信息等，这是为了给用户提供时间、位置坐标、速度等结果数据，而用于导航卫星信号处理的有关信息。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟存在时间差，称为钟差，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以，如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4颗卫星的信号。利用解算出的本地接收机时钟与卫星导航***时的时间差Δt，可以实现卫星导航接收机本地时钟与以原子钟为基础的导航***时间的同步。因此，每一个处于定位解算成功状态的卫星导航接收机都是一个高精度的时钟。

当前，卫星导航授时应用已发展成为全球性的高新技术产业，并且随着北斗卫星导航***日趋成熟，基于该***的授时应用也越来越得到人们的关注。北斗卫星导航***是中国自行研制的全球卫星定位与通信***，是继美国的全球定位***（GPS）和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航***，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力，截止2012年5月在轨卫星12颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航***将在2020年形成全球覆盖能力。随着中国北斗卫星***的发展，覆盖范围的扩大，移动终端内部的时钟可以得到北斗卫星信号的有力辅助。但是由于目前大量移动终端用户都居住在城市环境中，移动终端在严重遮挡的环境下，可能无法保证对卫星连续的跟踪，任何一颗卫星的信号都可能时断时续，以致无法保证接收到完整的4颗卫星信号。在卫星信号强度较弱和遮挡的情况下，对北斗卫星导航***的授时服务灵敏度提出了更高的要求。

发明内容

本发明公开了一种高灵敏度北斗辅助授时装置和内嵌有所述高灵敏度辅助授时装置的高灵敏度北斗导航授时接收机及授时方法，在恶劣的信号遮挡和衰减条件下，即便只跟踪到一颗卫星，在不能完成位置、速度和时间的定位解算情况下，依靠从接收到的导航信号中提取的周内时信息，仍然能够完成对北斗***时间的同步,提供高灵敏度的授时服务。

本发明的技术方案是：

一种高灵敏度北斗辅助授时装置，其特征在于，包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，所述帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；所述帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，将截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)和本地复现信号S_l(m)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过帧头搜索门限判决模块进行计算和比较，确定北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；所述周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块，当接收到确定的帧头位置信号后，将截取的固定位置上的一段基带信号S_r(m)和本地复现信号S_k(m)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过周内时门限判决模块进行计算和比较，提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

一种低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及所述高灵敏度北斗辅助授时装置，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端连接所述高灵敏度北斗辅助授时装置；当信号捕获模块捕获少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

当信号捕获模块只捕获一颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

一种高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及所述高灵敏度北斗辅助授时装置和授时模式选择模块，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端分别连接定位授时模块和所述高灵敏度北斗辅助授时装置，定位授时模块和高灵敏度北斗辅助授时装置的输出端分别连接授时模式选择模块；当信号捕获模块捕获四颗以上卫星信号时，由定位授时模块完成定位解算，通过授时模式选择模块输出定位结果及1PPS秒脉冲信号；当信号捕获模块捕获少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

当信号捕获模块只捕获一颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

一种基于上述高灵敏度北斗辅助授时装置的授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，得到PRN码相位和多普勒频率信息；截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)，与本地复现信号S_l(m)进行点积运算，进行相参积累，再将所述点积运算结果取绝对值，进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(n\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值所在的位置，找到北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；其中，L表示帧头的长度，n是搜索的起始位置；

2）根据帧头位置所确定的周内时字段的位置，截取固定位置上的一段基带信号S_r(m)，与本地复现信号S_k(m)先进行相参积累再进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(k\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值，提取导航电文的周内时信息，获取北斗***时间；其中，M表示存贮周内时间占用的比特数，Sk对应于第k个可能的周内时间序列。

所述步骤2）中，对于没有关于时间先验知识的首次提取，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成首次周内时的提取；对于获得了先验知识的非首次提取，先估算非相参积累值的搜索范围，在估算的非相参积累值的搜索范围内，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成周内时的提取。

所述步骤1）中，所述非相参积累值按下式计算：

所述步骤1）中，所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量，Acc2nd(n)=Acc(n)+Acc(n+P_sf)，P_sf是子帧长度或周期。

所述步骤2）中，所述非相参积累值按下式计算：

所述步骤2）中，所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量， $\mathrm{Acc}2\mathrm{nd}\left(k\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|}^2+{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(m+P_{\mathrm{sf}})S_{k+1}\left(m\right)\right|}^2,$ P_sf是子帧长度或周期。

本发明的技术效果：

本发明提供了一种高灵敏度北斗辅助授时装置，信号捕获通道可以只捕获一颗或少于四颗导航卫星，在恶劣的信号遮挡或衰减条件下，即便只跟踪到一颗卫星，在不能完成位置、速度和时间的定位解算情况下，依靠从接收到的导航信号中提取的周内时信息，仍然能够完成对北斗***时间的同步,能够适应标准授时方法不能正常工作的卫星信号严重衰减、可见卫星数量不足等恶劣信号环境，提供高灵敏度的授时服务。

本发明的高灵敏度北斗辅助授时装置的授时方法，根据导航电文采用数据帧的结构传送，数据帧由多个子帧构成，每一子帧的开始部分是一个固定图案的帧头，随后的数据中包含了周内时信息的特点，在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，首先搜索帧头位置，帧头位置确定后，即可提取北斗周内时，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。不必进行PVT解算，仅仅提取周内时的方法突出的优点是与标准PVT解算相比大为缩减的运算负荷。

本发明还提供了内嵌有上述高灵敏度北斗辅助授时装置的高灵敏度北斗导航授时接收机，包括低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机和标准型高灵敏度北斗导航授时接收机两种方案。低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及所述高灵敏度辅助授时装置，其优点是信号捕获通道可以只捕获一颗或少于四颗导航卫星，不必实现PVT解算，只要不是所有的卫星信号都被阻断，则授时服务就不会中断，卫星信号中的周内时仍然提供了相对精确的时间，这使得卫星导航接收机的时钟在无法定位的情况下依旧可以被视为一个可取的精确参考时间。标准型高灵敏度北斗导航授时接收机包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及所述高灵敏度辅助授时装置和授时模式选择模块，其优点是能够在提供基于PVT解算的标准授时方法的基础上，还具有提供高灵敏度授时服务的功能，在卫星信号严重衰减、可见卫星数量不足等恶劣信号环境下，标准授时方法不能正常工作时，仍然能够获取北斗***时间，提供授时服务。

附图说明

图1为本发明高灵敏度北斗辅助授时装置的结构示意图。

图2为本发明低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机的结构示意图。

图3为本发明标准型高灵敏度北斗导航授时接收机的结构示意图。

图4为本发明基于高灵敏度北斗辅助授时装置的授时方法流程图。

图5为北斗导航电文结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，一种高灵敏度北斗辅助授时装置，包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，帧头相参积累模块的输入端输入截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)和本地复现信号S_l(m)，先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值输入帧头搜索门限判决模块，通过帧头搜索门限判决模块的计算和比较，确定是否找到北斗导航电文的子帧帧头的位置，若未找到帧头，重复上述过程，若找到帧头，将帧头位置信号输入给周内时提取相关器；周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块，当接收到确定的帧头位置信号后，将截取的固定位置上的一段基带信号S_r(m)和本地复现信号S_k(m)输入给周内时提取相关器，先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过周内时门限判决模块的计算和比较，提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。其中，S_r(n+m)中的r表示received，即接收信号的意思，S_l(m)中的l表示local，即本地信号的意思。

如图2所示，描述了本发明内嵌有上述高灵敏度北斗辅助授时装置的低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机的基本组成、结构和信号流向。包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及所述高灵敏度北斗辅助授时装置，射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，信号跟踪模块的输出端连接所述高灵敏度北斗辅助授时装置；其中，天线主要负责信号的接收；射频模块负责信号的下变频，在当前的数字化接收机中还包括A/D转换，它是所有后端处理的基础，其信号的品质直接影响接收机的性能；信号捕获模块和信号跟踪模块即为接收机的基带信号处理部分，主要负责信号的捕获、跟踪与锁定，包括各种原始数据和测量数据的输出；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

在低成本实现方案中，可以选用较低质量的时钟源。其缺点是可能延长卫星信号捕获任务完成所需的时间。假如对于导航卫星辅助时钟***的初次定位时间，即TTFF指标不做较高要求，则可以考虑低成本时钟方案。从获取周内时的角度出发，信号捕获通道可以只捕获一颗(或少于四颗)导航卫星，这是因为不必实现PVT解算，也就无需捕获多颗卫星的信号。因此，仅仅提取周内时的设计突出的优点是与标准PVT解算相比大为缩减的运算负荷。

如图3所示，描述了本发明内嵌有上述高灵敏度北斗辅助授时装置的标准型高灵敏度北斗导航授时接收机的基本组成、结构和信号流向。包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及所述高灵敏度北斗辅助授时装置和授时模式选择模块，射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，信号跟踪模块的输出端分别连接定位授时模块和所述高灵敏度北斗辅助授时装置，定位授时模块和高灵敏度北斗辅助授时装置的输出端分别连接授时模式选择模块；当信号捕获模块捕获四颗或四颗以上卫星信号时，由定位授时模块完成定位解算，通过授时模式选择模块输出定位结果及1PPS信号；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

一种基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，包括以下步骤：

1）在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，得到PRN码相位和多普勒频率信息；截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)，与本地复现信号S_l(m)进行点积运算，进行相参积累，再将所述点积运算结果取绝对值，进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(n\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值所在的位置，找到北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；其中，L表示帧头的长度，n是搜索的起始位置；

2）根据帧头位置所确定的周内时字段的位置，截取的固定位置上的一段基带信号S_r(m)，与本地复现信号S_k(m)先进行相参积累再进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(k\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值，提取导航电文的周内时信息，获取北斗***时间，其中，M表示存贮周内时间占用的比特数，Sk对应于第k个可能的周内时间序列。

其中，步骤2）中，对于没有关于时间先验知识的首次提取，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成首次周内时的提取；对于获得了先验知识的非首次提取，先估算非相参积累值的搜索范围，在估算的非相参积累值的搜索范围内，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成周内时的提取。

如图4所示，为本发明基于高灵敏度北斗辅助授时装置的授时方法流程图。在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，得到PRN码相位和多普勒频率信息，然后进行相参积累和非相参积累，并搜索非相参积累最大值所在的位置，确定帧头位置；帧头位置确定之后，即可以提取北斗周内时，提取周内时之前，须首先明确有无关于时间的先验知识，如果无时间先验知识，进行周内时全组合非相参积累值的计算及搜素；如果有时间先验知识，则先估算非相参积累值的搜索范围，尽可能减小运算量，在估算的非相参积累值的搜索范围内，进行周内时非相参积累值的计算及搜素，搜索非相参积累最大值，完成北斗导航电文周内时的提取。

卫星导航电文包含有***时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况信息等。这是为了给用户提供时间、位置坐标、速度等结果数据，而用于导航卫星信号处理的有关信息。导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。电文采用数据帧的结构传送，数据帧由多个子帧构成。每一子帧的开始部分是一个固定图案的帧头，随后的数据中包含了周内时间，即下一子帧的发射时刻。

固定图案的帧头会重复出现在各子帧的开始部分。在一个实现中，高灵敏度北斗辅助授时装置持续搜索每个子帧，使用非相参积累确定帧头的位置。更明确地说，各子帧的帧头将以非相参积累加以检测。在一个实现中，非相参积累将确定接收到的卫星信号(S_r(m))与本地序列(S_l(m))，如帧头，之间的相关函数。

接收到的卫星信号经相位同步和相参积累后以比特流的形式保存在接收机基带信号处理部分存贮器单元中，每一个比特可以表示为一个复数A_rD(m)e^iθ。其中，A_r是一个未知的幅度，θ是未知的相位，D(m)是电文序列。设定一个宽度为L的滑动窗截取接收到的卫星信号片断S_r(n+m)，计算该片段与本地序列S_l(m)点积(相乘再求和)的绝对值，即可得到非相参积累值。具体的计算方法见方程（1）：

$\mathrm{Acc}\left(n\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|---\left(\right)$

L是信号片断或目标序列长度。假如待检测电文序列为0b0011110，则本地目标电文序列是复序列：

$S_l\left(m\right)=[B,B,-B,-B,-B,-B,B]e^{\mathrm{i\θ}}---\left(\right)$

接收到的卫星信号也是一个复序列

S_r(m)=[A,A,-A,-A,-A,-A,A]e^iθ+N    （）

其中，N是复噪声序列。各序列中对应元素相乘(复数乘法)，然后将乘积的实部和虚部分别相加，最后求取绝对值。显然，当目标序列与滑动窗截取到的输入信号序列匹配时，非相参积累取得最大值；而序列不匹配时得到的非相参积累值较小。在另一个实现中非相参积累也可以按下式计算：

$\mathrm{Acc}\left(n\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|}^2---\left(\right)$

两种计算方法的效果是类似的，但从实现的角度出发，第二种算法可以避免运算量较大的开方计算，更节省软/硬件开销。改变滑动窗位置/n的取值，计算和比较非相参积累值可以确定接收信号中帧头所处的位置。搜索范围，即n的变化范围，取决于北斗电文子帧的长度。在一个实现中，计算接收序列一个子帧内每一个元素处开始的子序列的非相参积累值，最大值所在的位置即为帧头。在弱信号或强噪声条件下，只对单个帧头的位置进行非相参检测可能无法得到正确的结果。解决的办法是在与第一个相关运算相隔固定长度(子帧长度)位置处计算额外的非相参积累值。图5展示了导航电文的结构以及前述多个非相参积累值的关系。在第一子帧进行相关运算得到第一非相参积累值，在第二子帧进行相关运算得到第二非相参积累值，第三子帧进行相关运算得到第三非相参积累值。图中只画出3个子帧，事实上用同样的思路可以得到第四非相参积累值、第五非相参积累值，以此类推。因为帧头会不断重复出现在后续子帧的相同位置上，将这些在对应位置处取得的非相参积累值相加得到最终的检测统计量。所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量，Acc2nd(n)=Acc(n)+Acc(n+P_sf)，P_sf是子帧长度或周期。形成最终检测统计量的对应非相参积累值越多，越有助于平滑检测统计量中的噪声，提高检测灵敏度。

周内时的提取遵循类似的思路，同样使用非相参积累来实现。但是具体的步骤有所不同，原因在于根据导航电文结构，通过前述帧头检测确定了帧头位置，周内时字段的位置也就明确了，因而不再使用滑动窗而是截取固定位置上的一段基带信号。不同于帧头，周内秒字段一直变化/递增，在相邻子帧不重复且一开始是未知的。

$\mathrm{Acc}\left(k\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|}^2---\left(\right)$

周内时提取分无先验知识/首次提取和有先验知识提取。首次提取由于没有先验知识，必须求取所有可能的二进制组合S_k(m)对应的非相参积累值，搜索最大值，认为最大非相参积累值出现在与真实时间匹配的二进制组合处。授时应用可能只关心以24小时为模的时分秒，从而减小搜索范围。搜索范围，即k的变化范围，取决于北斗电文周内时间编码组合的总数。在弱信号情况下，可以运用与帧头检测类似的非相参积累值再累积的办法抑制噪声，增大检测概率。所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量， $\mathrm{Acc}2\mathrm{nd}\left(k\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|}^2+{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(m+P_{\mathrm{sf}})S_{k+1}\left(m\right)\right|}^2,$ P_sf是子帧长度或周期。考虑到相邻子帧周内时字段递增的特性，产生参与再累积的来自相邻周内时的非相参积累值的本地序列应该具有确定的对应关系。

一旦有一颗卫星成功完成了首次周内时提取，终端即取得了关于时间的先验知识。这一先验知识的辅助将大大减少待搜索二进制组合的数量，减轻对该卫星和其它卫星周内时提取的工作量。移动终端在严重遮挡的环境下，可能无法保证对卫星连续的跟踪，任何一颗卫星的信号都可能时断时续。但是只要不是所有的卫星信号都被阻断，则授时服务不会中断，因为终端可能交替提取不同卫星的周内时间。

与基于PVT解算的标准授时方法相比，本方法的钟差修正频度较低。标准方法的修正频度取决于PVT解算的频率，通常高于1Hz，某些北斗接收机可以达到20Hz或更高。本方法的钟差校正与子帧的发射频率相等，一个北斗信号子帧的持续时间通常在秒级，故而本方法的钟差修正频度小于1Hz。由于时钟随时间逐渐漂移，时间越长，钟漂越大。钟差修正频度越高，时钟的钟漂越小。因此，本方法的授时精度低于以PVT解算为基础的标准授时方法，但是能够适应标准授时方法不能正常工作的卫星信号严重衰减、可见卫星数量不足等恶劣信号环境。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (11)

1.一种高灵敏度北斗辅助授时装置，其特征在于，包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，所述帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；所述帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，将截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)和本地复现信号S_l(m)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过帧头搜索门限判决模块进行计算和比较，确定北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；所述周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块，当接收到确定的帧头位置信号后，将截取的固定位置上的一段基带信号S_r(m)和本地复现信号S_k(m)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过周内时门限判决模块进行计算和比较，提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

2.一种低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及根据权利要求1所述的高灵敏度北斗辅助授时装置，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端连接所述高灵敏度北斗辅助授时装置；当信号捕获模块捕获少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

3.根据权利要求2所述的低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，当信号捕获模块只捕获一颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

4.一种高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及根据权利要求1所述的高灵敏度北斗辅助授时装置和授时模式选择模块，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端分别连接定位授时模块和所述高灵敏度北斗辅助授时装置，定位授时模块和高灵敏度北斗辅助授时装置的输出端分别连接授时模式选择模块；当信号捕获模块捕获四颗以上卫星信号时，由定位授时模块完成定位解算，通过授时模式选择模块输出定位结果及1PPS秒脉冲信号；当信号捕获模块捕获少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，当信号捕获模块只捕获一颗卫星信号时，由所述高灵敏度北斗辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出1PPS秒脉冲信号，完成对北斗***时间的同步。

6.一种基于权利要求1所述的高灵敏度北斗辅助授时装置的授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，得到PRN码相位和多普勒频率信息；截取接收到的基带信号片段S_r(n+m)，与本地复现信号S_l(m)进行点积运算，进行相参积累，再将所述点积运算结果取绝对值，进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(n\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值所在的位置，找到北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；其中，L表示帧头的长度，n是搜索的起始位置；

2)根据帧头位置所确定的周内时字段的位置，截取固定位置上的一段基带信号S_r(m)，与本地复现信号S_k(m)先进行相参积累再进行非相参积累，所述非相参积累值

$\mathrm{Acc}\left(k\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|;$

搜索非相参积累最大值，提取导航电文的周内时信息，获取北斗***时间；其中，M表示存贮周内时间占用的比特数，S_k对应于第k个可能的周内时间序列。

7.根据权利要求6所述的授时方法，其特征在于，所述步骤2)中，对于没有关于时间先验知识的首次提取，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成首次周内时的提取；对于获得了先验知识的非首次提取，先估算非相参积累值的搜索范围，在估算的非相参积累值的搜索范围内，求取所有可能的本地复现信号S_k(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成周内时的提取。

8.根据权利要求6所述的授时方法，其特征在于，所述步骤1)中，用 $\mathrm{Acc}\left(n\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|}^2$ 代替 $\mathrm{Acc}\left(n\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(n+m)S_l\left(m\right)\right|$ 计算所述非相参积累值。

9.根据权利要求6或8所述的授时方法，其特征在于，在弱信号或强噪声条件下，将所述步骤1)中得到的多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加，得到非相参积累值的最终统计量，Acc2nd(n)＝Acc(n)+Acc(n+P_sf)，P_sf是子帧长度或周期。

10.根据权利要求6所述的授时方法，其特征在于，所述步骤2)中，用 $\mathrm{Acc}\left(k\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|}^2$ 代替 $\mathrm{Acc}\left(k\right)=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|$ 计算所述非相参积累值。

11.根据权利要求10所述的授时方法，其特征在于，在弱信号条件下，将所述步骤2)中得到的多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加，得到非相参积累值的最终统计量， $\mathrm{Acc}2\mathrm{nd}\left(k\right)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(m\right)S_k\left(m\right)\right|}^2+{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r(m+P_{\mathrm{sf}})S_{k+1}\left(m\right)\right|}^2,$ P_sf是子帧长度或周期。