CN103176190A - 基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***及方法，该***包含数据解算与授时滤波两部分。数据解算部分采用传统的最小二乘法解算出北斗二代接收机的位置信息以及钟差信息，之后利用Kalman滤波器对钟差信息进行滤波得到秒信号发生器的相位误差信息以及频率误差信息，最后利用滤波得到秒信号发生器的相位误差信息以及频率误差信息对秒信号发生器的初始相位以及频率计数字进行调整，实现高精度授时的功能。本发明解决了现有技术条件下授时精度不高，以及秒信号发生器易受晶振频率误差影响的问题。

Description

基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域与通信领域，具体为一种基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***及方法，利用Kalman滤波技术和卫星导航对秒信号发生器的相位误差以及频率误差进行校正，实现高精度的授时功能。

背景技术

近年来，随着卫星导航***的发展，卫星导航***在日常工作与生活中占有了越来越重要的地位。卫星导航***在实现定位以及定速功能的同时，可以将本地接收机的时钟误差信息一并解算出来，利用本地误差信息可以对接收机的秒信号产生电路的相位信息进行修正，实现授时的功能。但是传统的授时***受到定位精度的影响，存在较大的抖动。同时传统的授时方法不考虑晶振误差对于秒信号造成的影响，近一步降低了授时***的精度。例如在谢刚的《GPS原理与接收机设计》一书中提到的授时方法就并未涉及对于晶振误差的估计。

发明内容

要解决的技术问题

针对直接利用钟差信息对秒信号进行校正误差较大的缺点，以及晶振误差带来的时钟误差，本发明提出了一种基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***及方法，对钟差进行Kalman滤波，降低时钟的抖动，同时利用滤波得到秒信号频率误差对秒信号发生器的频率控制字进行调整，提高授时信号的精度。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***，包括卫星接受模块、定位解算模块、Kalman滤波器和秒信号发生器；所述卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，并传递给定位解算模块，定位解算模块根据卫星位置信息与伪距信息得到卫星接受模块的钟差信息，并将卫星接受模块的钟差信息传递给Kalman滤波器，Kalman滤波器对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，根据得到钟差信息以及频差信息得到秒信号发生器的相位控制字以及频率控制字，Kalman滤波器将得到的相位控制字以及频率控制字传递给秒信号发生器，实现高精度授时。

本发明中的方法包括定位解算、Kalman滤波、时钟校正三个部分。定位解算采用传统的最小二乘法对定位结果进行解算，同时得到卫星接收机钟差信息，通过Kalman滤波器对定位解算得到的钟差信息进行滤波。利用滤波得到的结果对秒信号发生器进行校正，得到精确的时钟信息。

所述基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时方法，采用以下步骤：

步骤1：卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，根据卫星位置信息与伪距信息，采用最小二乘法解算卫星接受模块的钟差信息δt_g；

步骤2：对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，对于第k次滤波具体步骤如下：

步骤2.1：Kalman滤波的时间更新过程：

对状态向量X_k-1＝[δt_k-1δf_k-1]进行估计，得到状态估计值

其中δt_k-1为秒信号发生器的钟差信息、δf_k-1为秒信号发生器频差信息，估计式为

$A=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right],$ 当k=1时，X_k-1取值为[0 0]；根据式

得到协方差阵P_k-1的预测矩阵其中Q为过程噪声协方差阵；

步骤2.2：Kalman滤波的量测更新过程：

根据式

得到增益矩阵K_k，其中C＝[1 0]，R为量测噪声协方差阵；根据式得到滤波后的状态向量矩阵X_k，根据式

得到更新后的协方差矩阵P_k，其中I为二维单位矩阵；

步骤3：利用每一次滤波得到的秒信号发生器的钟差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的相位控制字N_p的调整量ΔN_p，用N_p减去调整量ΔN_p得到精确的秒信号发生器的相位控制字；利用每一次滤波得到的秒信号发生器的频差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的频率控制字N_f的调整量ΔN_f，用N_f减去调整量ΔN_f得到精确的秒信号发生器的频率控制字；根据得到的精确的秒信号发生器的相位控制字和频率控制字，实现高精度授时。

有益效果

本发明设计基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***，通过对卫星接收机钟差信息进行Kalman滤波，降低了秒信号发生器的抖动，提高了授时精度，同时对秒信号发生器的频率计数字进行调整，补偿晶振频差所造成的授时误差。

附图说明

图1：本发明设计的基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***方案图；

图2：本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例：

本实施例的具体实施方案图如图1所示，对卫星接收机得到的钟差信息进行Kalman滤波，实现对秒信号发生器的校准。具体模块包括卫星接受模块、定位解算模块、Kalman滤波器和秒信号发生器；所述卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，并传递给定位解算模块，定位解算模块根据卫星位置信息与伪距信息得到卫星接受模块的钟差信息，并将卫星接受模块的钟差信息传递给Kalman滤波器，Kalman滤波器对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，根据得到钟差信息以及频差信息得到秒信号发生器的相位控制字以及频率控制字，Kalman滤波器将得到的相位控制字以及频率控制字传递给秒信号发生器，实现高精度授时。

具体基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时方法步骤为：

步骤1：卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，根据卫星位置信息与伪距信息，采用最小二乘法解算卫星接受模块的钟差信息δt_g；

步骤2：对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，对于第k次滤波具体步骤如下：

步骤2.1：Kalman滤波的时间更新过程：

对状态向量X_k-1＝[δt_k-1δf_k-1]进行估计，得到状态估计值

其中δt_k-1为秒信号发生器的钟差信息、δf_k-1为秒信号发生器频差信息，估计式为

$A=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right],$ 当k=1时，X_k-1取值为[0 0]；根据式

得到协方差阵P_k-1的预测矩阵

其中Q为过程噪声协方差阵；对于协方差阵，当k=1时，P_k-1取值没有约束，本实施例中取 $P_{k-1}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$

步骤2.2：Kalman滤波的量测更新过程：

根据式

得到增益矩阵K_k，其中C＝[1 0]，R为量测噪声协方差阵；根据式

得到滤波后的状态向量矩阵X_k，根据式得到更新后的协方差矩阵P_k，其中I为二维单位矩阵；

步骤3：利用每一次滤波得到的秒信号发生器的钟差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的相位控制字N_p的调整量ΔN_p，用N_p减去调整量ΔN_p得到精确的秒信号发生器的相位控制字；利用每一次滤波得到的秒信号发生器的频差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的频率控制字N_f的调整量ΔN_f，用N_f减去调整量ΔN_f得到精确的秒信号发生器的频率控制字；根据得到的精确的秒信号发生器的相位控制字和频率控制字，实现高精度授时。

Claims (2)

1.一种基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时***，包括卫星接受模块、定位解算模块、Kalman滤波器和秒信号发生器；所述卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，并传递给定位解算模块，定位解算模块根据卫星位置信息与伪距信息得到卫星接受模块的钟差信息，并将卫星接受模块的钟差信息传递给Kalman滤波器，Kalman滤波器对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，根据得到钟差信息以及频差信息得到秒信号发生器的相位控制字以及频率控制字，Kalman滤波器将得到的相位控制字以及频率控制字传递给秒信号发生器，实现高精度授时。

2.一种基于卫星导航和Kalman滤波的高精度授时方法，采用以下步骤：

步骤1：卫星接受模块接受卫星位置信息与伪距信息，根据卫星位置信息与伪距信息，采用最小二乘法解算卫星接受模块的钟差信息δt_g；

步骤2：对卫星接受模块的钟差信息进行Kalman滤波，对于第k次滤波具体步骤如下：

步骤2.1：Kalman滤波的时间更新过程：

对状态向量X_k-1＝[δt_k-1δf_k-1]进行估计，得到状态估计值

其中δt_k-1为秒信号发生器的钟差信息、δf_k-1为秒信号发生器频差信息，估计式为

$A=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right],$ 当k=1时，X_k-1取值为[0 0]；根据式

得到协方差阵P_k-1的预测矩阵

其中Q为过程噪声协方差阵；

步骤2.2：Kalman滤波的量测更新过程：

根据式得到增益矩阵K_k，其中C＝[1 0]，R为量测噪声协方差阵；根据式

得到滤波后的状态向量矩阵X_k，根据式得到更新后的协方差矩阵P_k，其中I为二维单位矩阵；

步骤3：利用每一次滤波得到的秒信号发生器的钟差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的相位控制字N_p的调整量ΔN_p，用N_p减去调整量ΔN_p得到精确的秒信号发生器的相位控制字；利用每一次滤波得到的秒信号发生器的频差信息乘以晶振的频率f₀得到秒信号发生器的频率控制字N_f的调整量ΔN_f，用N_f减去调整量ΔN_f得到精确的秒信号发生器的频率控制字；根据得到的精确的秒信号发生器的相位控制字和频率控制字，实现高精度授时。

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