CN104808480A - 一种秒脉冲(pps)的产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秒脉冲(PPS)产生的方法。从卫星信号基带处理通道读取卫星观测值，用于生成本地UTC时间信息；采用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息预测未来历元PPS有效沿时刻相位差；采用晶体振荡器参数和接收机参数等信息判定接收机环路当前所处状态，动态调整PPS有效沿跳变约束阈值，既能保证晶体振荡器的长期稳定度，也能消除接收机跟踪的卫星导航信号的短期随机相位抖动，提高PPS输出精度。本发明还提供了一种实现以上方法的装置，能够充分利用GNSS的高精度时间信息，提高了卫星导航***授时精度，因此本发明具有较高商用价值。

Description

一种秒脉冲(PPS)的产生方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星定位及授时技术领域，特别是指一种基于定位定时解算所得到的卫星时间和本地时间、接收机状态及晶体振荡器特性等信息产生PPS秒脉冲的方法和装置。

背景技术

在过去的几十年中，卫星导航技术无论在军用领域还是在民用领域都表现出了极高的精度，它为数以万计的海陆空各种设备提供精确的PVT服务。随着GPS、GLONASS、Galileo和Compass的逐渐完善，全球导航卫星***(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)在各行业都有广泛的应用。在航空航天、银行证券***、电力***等国防和国民经济中，高精度的同步时间基准都是其稳定运行的基础保障。此外，随着移动通信的普及和网络的广泛应用，人们对于时间精度的要求也越来越高。众所周知，对于分立晶体振荡器来说，它们都是在其标称频率范围内自由震荡，极易受到周围环境的影响。因此对于采用晶体振荡器的同步设备来说都需要一个基准脉冲来校准，即所谓的PPS。在导航卫星***中装备有精确的原子钟，且在全球范围内保持严格的同步。因此如何将高精度的卫星***时间同步到分立的晶体振荡器上成为有效利用卫星导航***精确时间信息的重要环节。

GNSS的基本定位定时原理是根据四颗或者四颗以上卫星的位置，以及各卫星到用户的距离来计算用户的位置和钟差，其基本计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_1-x_u)}^2+{(y_1-y_u)}^2+{(z_1-z_u)}^2}+{\mathrm{\δ}}_{t_u}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_2-x_u)}^2+{(y_2-y_u)}^2+{(z_2-z_u)}^2}+{\mathrm{\δ}}_{t_u}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(x_3-x_u)}^2+{(y_3-y_u)}^2+{(z_3-z_u)}^2}+{\mathrm{\δ}}_{t_u}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_4=\sqrt{{(x_4-x_u)}^2+{(y_4-y_u)}^2+{(z_4-z_u)}^2}+{\mathrm{\δ}}_{t_u}---\left(4\right)$

其中(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别代表四颗卫星的位置，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄为各颗卫星到接收机的伪距，代表接收机钟差。卫星导航***具有高精度的频率基准(10^-1210^-15s)，用户可以通过接收机提取卫星***的同步时钟来获得本地时间。然而由于卫星信号在传播过程中会受到电离层、对流层等各种因素的影响使得信号到达地面时存在较大误差。此外，接收机在解调过程中也会注入器件热噪声、晶振抖动等各种随机噪声，从而导致恢复出来的本地时间虽然能够跟踪卫星时间的长期稳定度，但是也增加了短期的相位抖动。对于晶体振荡器(如OCXO、VCXO、TCXO等)来说，其短期稳定度比较好，但是会随着时间推移而存在漂移、老化等缺陷。由信号传播带来的误差和接收机本身特性引入的误差使得GNSS的高精度时间信息不能被充分利用。

为了解决上述问题，需要采取多种方法来提高PPS信号精度。可以采用的方案是提高本地晶体振荡器的频率，减小PPS有效沿相位调节误差。此外还可以用高稳定度的原子钟替换本地晶体振荡器，减小时钟抖动、漂移、老化等误差，进一步提高PPS信号精度。该方案的问题在于晶体振荡器频率是有限的而不能无限制的增加，原子钟又具有昂贵的价格，不适合推广。因此，对利用卫星导航***产生高精度和高稳定度PPS信号的研究具有重大的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种产生高精度和稳定度PPS信号的方法和装置，通过跟踪卫星导航信号，利用定位定时后得到的钟差等信息来预测本地时钟的频率偏差和相位偏差，并通过一定算法消除PPS信号有效沿和UTC时间的偏差，既能保证晶体振荡器的长期稳定度，也能消除接收机跟踪的卫星导航信号的短期随机相位抖动，提高PPS信号精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种秒脉冲产生的方法，所述方法：

从卫星信号基带处理通道中读取各卫星测量值，并根据测量值得到伪距；

通过仰角选择参考卫星；

根据所述的各卫星的伪距，解算得到本地接收机时钟的钟差；

通过参考卫星测量值和所述的接收机钟差，得到本地时间；

根据接收机授时环路模型和所述的本地时间得到接收机参数；

根据所述的接收机参数和接收机授时环路模型，预测未来历元PPS有效沿时刻，并确定***阈值；

根据所述的未来历元PPS有效沿时刻预测值和***阈值得到PPS控制器参数；

根据所述的PPS控制器参数调整PPS控制器。

优选的，所述通过仰角选择参考卫星，具体为：

利用卫星测量值计算各可见卫星仰角，根据仰角测量结果选择仰角最大的卫星作为参考卫星。

优选的，所述接收机授时环路模型，具体为：

首先，接收机在PPS有效沿采样卫星信号基带处理通道测量值，得到本次中断对应的卫星时间和本地时间，然后结合历史信息记录值得到PPS有效沿相位误差，进而通过调整PPS控制器修正未来历元PPS有效沿位置。

该PPS控制器可以通过计数器以及其他定时方法实现PPS输出，但不限于计数方法。

优选的，预测未来历元PPS有效沿对应的时刻，具体为：

***中采用数据集包括但不局限于：历史中断节点卫星时间记录、本地时间记录、PPS控制器参数记录、晶体振荡器参数记录等。***根据以上历史数据集来预测未来历元PPS有效沿最接近的时刻。

优选的，确定***阈值，具体为：

***根据晶体振荡器和接收机的参数评判接收机授时环路当前所处的状态，然后根据授时环路的状态参量改变PPS有效沿跳变约束阈值。

本发明还提供了一种秒脉冲产生的装置，所述装置包括：卫星信号基带处理通道、预测计算模块和PPS控制器。其中，

所述卫星信号基带处理通道，用于捕获、跟踪和测量卫星信号并获取各卫星的测量值；

所述预测计算模块，用于从卫星信号基带处理通道读取各个卫星的测量值，并根据测量值得到各个卫星的伪距和仰角，通过仰角选择参考卫星，根据各卫星的初始伪距，利用最小二乘法得到本地接收机钟差，并根据参考卫星得到本地时间，计算接收机各项参数并记录，根据所述的历史记录和接收机授时环路模型预测未来历元PPS有效沿对应的时刻并确定***阈值，进而得到PPS控制器参数。

所述PPS控制器，用于根据所述的PPS控制器参数调整PPS有效沿输出。

优选的，所述装置还包括：用户位置确定模块，用于根据各个卫星的伪距确定接收机的位置，并不断优化接收机的位置，并最终确定接收机的位置。

优选的，授时过程包含当前历元接收机钟差求解、未来历元脉冲沿相位差预测和阈值动态调整、脉冲调整三个阶段。

优选的，采用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息进行PPS有效沿时刻的无偏估计，以解决信号传播、接收机热噪声带来的授时精度差问题。

优选的，采用晶体振荡器参数和接收机参数等信息判定接收机环路当前所处状态，提供PPS有效沿跳变约束阈值，以降低晶体振荡器频率限制。

本发明所提供的秒脉冲产生的方法和装置，从卫星信号基带处理通道中读取各卫星的测量值，并根据测量值得到伪距；通过卫星仰角选择参考卫星；利用最小二乘法得到本地接收机钟差；根据参考卫星和接收机钟差得到本地时间；根据接收机授时环路模型计算接收机各项参数并预测未来历元PPS有效沿对应时刻，确定***阈值，得到PPS控制器参数，调整PPS控制器。本发明采用时间相位差预测方法能够对未来历元PPS有效沿相位差进行精确预测，从而可以减小调整误差。并且采用动态阈值调整的方法，这样可以减小PPS有效沿抖动的标准差，从而提高授时精度，因此本发明具有较高的商用价值。

附图说明

图1PPS产生方法流程示意图。

图2接收机授时环路模型。

图3本发明实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明的一种秒脉冲产生方法流程示意图，所述方法包括以下步骤：

步骤101，从卫星信号基带处理通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到伪距；

具体的，***启动，卫星信号基带处理通道捕获并跟踪卫星信号，PPS有效沿到来时向处理器发送中断。处理器从卫星信号基带处理通道中读取测量值，所述测量值包括：码测量值，载波测量值等。所述根据测量值得到各卫星伪距，具体为：根据各卫星码测量值和载波测量值，利用现有技术计算得到伪距ρ_i，其中i表示卫星标号。

步骤102，根据仰角选择参考卫星；

具体的，所述根据仰角选择参考卫星，具体为根据各卫星测量值，计算各卫星仰角，选择仰角最大的卫星作为参考卫星。

步骤103，解算本地接收机钟差；

具体的，利用最小二乘法但不局限于此方法，确定当前历元PPS有效沿时刻与卫星时间钟差，并进一步确定接收机所在的位置，均采用现有技术完成。

步骤104，根据参考卫星测量值和接收机钟差得到本地时间；

具体的，根据参考卫星测量值，得到卫星信号的发射时间，并根据步骤103得到的接收机钟差得到本地时间。

步骤105，根据接收机授时环路模型计算接收机各项参数，预测未来历元PPS有效沿对应时刻，确定***阈值，给出PPS控制器控制参数；

具体的，所述接收机授时环路模型如图2所示，所述接收机各项参数包括但不局限于：接收机晶体振荡器频率，接收机状态参数，参考历元PPS有效沿相位误差和当前历元PPS有效沿相位误差。所述参考历元为历史信息记录初始历元。所述预测未来历元PPS有效沿相位差，具体为：根据接收机授时模型，利用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息得到未来历元PPS有效沿时刻的无偏估计，计算未来历元PPS有效沿相位误差Y。所述确定***阈值，具体为：根据接收机状态参数评估***当前所处的状态，给出未来历元***最优阈值P_th。所述给出PPS控制器控制参数，具体为：根据未来历元PPS有效沿相位差Y和阈值P_th，确定未来历元PPS控制器控制参数。

步骤106，根据PPS控制器参数调节PPS控制器；

具体的，处理器将步骤105给出的PPS控制器控制参数写入PPS控制器。

本发明的一个实施例如下，但本发明并不局限于这一个实现方式。

图3为本发明实施例的装置结构示意图。如图3所示，虚线框内部分是实现本发明的装置，本发明可以用本装置实现，但不局限于图3所示装置。整个装置包括：天线、射频模块、卫星信号基带处理通道、PPS控制器和处理器。其中天线负责导航卫星信号的捕获、跟踪和测量等，射频模块完成信号的放大、滤波和下变频，以及信号的数字化，并提供中频和时钟信号。

卫星信号基带处理通道接收射频模块的中频信号，处理器通过总线配置各通道和各种初始化参数。卫星信号基带处理通道完成信号的捕获、跟踪，得到载波测量值和码测量值，并在PPS信号有效沿采样并存储测量值，同时向处理器申请中断。处理器相应中断，通过总线读取测量值，按照本发明所述方法给出未来历元PPS控制器的控制参数，并通过PPS控制器产生PPS信号。

具体实现为：首先，当跟踪通道准备好测量值之后，在PPS信号有效沿向处理器申请中断。在本实例中，本发明在处理器中实现，但也可由其他具体实现方式，例如：处理器外单独的处理装置、集成在其他模块中的处理装置。处理器响应中断后，处理器从卫星信号基带处理通道读取测量值，所述测量值包括载波测量值和码测量值，并计算得到各个卫星的伪距ρ_i，其中i表示卫星标号。同时计算出每个可见卫星的仰角，根据计算结果选择仰角最大的卫星作为参考卫星。处理器根据各卫星测量值计算得到接收机钟差，并根据参考卫星得到本地时间。然后处理器得到利用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息得到未来历元PPS有效沿时刻的无偏估计和***阈值并给出未来历元PPS控制器参数，最后调节PPS控制器产生PPS信号。

上述过程中：

(一)从卫星信号基带处理通道读取各卫星的测量值，形成各卫星的伪距 可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_n^k=r(t-\mathrm{\τ},t)+c({\mathrm{\δt}}_u\left(t\right)-{\mathrm{\δt}}^{\left(s\right)}(t-\mathrm{\τ}))+\mathrm{cI}\left(t\right)=\mathrm{cT}\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_p\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，r(t-τ，t)为t-τ时卫星位置与t时刻接收机位置之间的几何距离，c(δt_u(t)-δt^(s)(t-τ))为卫星时钟和接收机钟差引起的伪距误差，cI(t)+cT(t)为电离层延迟和对流层延迟引起的伪距误差，ε_p(t)为测量噪声引起的伪距误差。

(二)选择参考卫星。

参考卫星是所有卫星的卫星时钟参考时间。在一次定位过程中可以求得卫星的位置和仰角，选择参考卫星的条件为：选择仰角最大的卫星作为参考卫星。

If(卫星仰角度最大){

设置该颗卫星作为参考卫星。

}

(三)利用最小二乘法得到本地接收机钟差。

接收机到卫星n的几何距离r⁽ⁿ⁾为：

$r^{\left(n\right)}=\left|\right|x^{\left(n\right)}-x\left|\right|=\sqrt{{(x^{\left(n\right)}-x)}^2+{(y^{\left(n\right)}-y)}^2+{(z^{\left(n\right)}-z)}^2}---\left(6\right)$

步骤1，设置初始解：

设置接收机位置初始解x₀＝[x₀，y₀，z₀]^T和接收机钟差初始估计值δt_u，0。

步骤2，非线性方程组线性化：

(1)～(4)在[x_k-1，δt_u，k-1]^T处线性化后可以表示为：

$G\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ\δ}{t}_u\end{array}\right]=b---\left(7\right)$

其中，雅可比矩阵 $G=\left[\begin{array}{c}-{\left[1^{\left(1\right)}\left(x_{k-1}\right)\right]}^T,1\\ -{\left[1^{\left(2\right)}\left(x_{k-1}\right)\right]}^T,1\\ -{\left[1^{\left(3\right)}\left(x_{k-1}\right)\right]}^T,1\\ -{\left[1^{\left(4\right)}\left(x_{k-1}\right)\right]}^T,1\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_c^{\left(1\right)}-r^{\left(1\right)}\left(x_{k-1}\right)-{\mathrm{\δt}}_{u,k-1}\\ {\mathrm{\ρ}}_c^{\left(2\right)}-r^{\left(2\right)}\left(x_{k-1}\right)-{\mathrm{\δt}}_{u,k-1}\\ {\mathrm{\ρ}}_c^{\left(3\right)}-r^{\left(3\right)}\left(x_{k-1}\right)-{\mathrm{\δt}}_{u,k-1}\\ {\mathrm{\ρ}}_c^{\left(4\right)}-r^{\left(4\right)}\left(x_{k-1}\right)-{\mathrm{\δt}}_{u,k-1}\end{array}\right]$

步骤3，求解线性方程组：

利用最小二乘法求解(7)，可以得到式(7)最小二乘法解为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\δt}}_u\end{array}\right]={\left(G^{T}G\right)}^{-1}{G}^{T}b---\left(8\right)$

步骤4，更新非线性方程组：

更新后的接收机位置坐标x_k和钟差值δt_u，k可以表示为：

$x_k=x_{k-1}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right]---\left(9\right)$

δt_u，k＝δt_u，k-1+δt_u         (10)

步骤5，判断牛顿迭代的收敛性：

通过检测||Δx||²+||δt_u||²的值达到预先设定门限值终止牛顿迭代。

(四)求解本地时间：

以参考卫星作为为卫星时间的参考基准，发射时间可以表示为：

$t^{\left(s\right)}=\mathrm{TOW}+(30w+b)*0.02+(c+\frac{\mathrm{CP}}{1023})*0.001---\left(11\right)$

接收机解算的本地UTC时间可以表示为：

T_LTC＝t^(s)-δt_u+t_d-Δt_UTC       (12)

其中，t_d代表接收机延迟，Δt_UTC代表卫星***时和UTC之间的偏差。

(五)相位差预测：

本地时间T_LTC和解算的本地UTC时间之间的误差可以表示为：

ΔT(n)＝x₀+x₁n+x₂n²+…+x_kn^k+ε_n       (13)

其中，ε_n代表接收机晶体振荡器的随机误差，A＝[1，n，...，n^K]^T表示晶体振荡器的K+1阶状态，X＝[x₀，x₁，...，x_K]^T表示状态系数。在每一个PPS历元，都可以由(12)得出一个本地时间相位差记录Δt_n，通过最小二乘法解算出X，然后预测N+1时刻的PPS有效沿相位差。

(六)动态阈值调整，并给出PPS控制器参数：

根据接收机授时***中各项参数，得到***状态参数S。根据***状态参数S和未来历元PPS有效沿相位误差，给出PPS控制器参数。

以上所述，但仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种秒脉冲(PPS)的产生方法，其特征在于，所述方法包括：

读取卫星观测值，生成本地UTC时间信息；预测未来历元PPS有效沿相位差；动态调整PPS有效沿跳变约束阈值；校正PPS有效沿相位残差，生成PPS控制器最优控制参数反馈到接收机授时环路。其中，未来历元PPS有效沿相位差预测包含以下两个过程：

1)由本地接收机历史信息记录得到当前历元PPS有效沿最优时刻。

2)根据1)中所得当前历元PPS有效沿最优时刻，预测未来历元PPS有效沿相位差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在得到本地UTC时间信息后，利用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息，预测未来历元PPS有效沿相位差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

采用动态阈值调整方法，由处理器根据晶体振荡器参数和接收机参数等信息输出PPS有效沿跳变约束阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

建立接收机授时环路模型，将当前历元本地UTC时间和PPS有效沿相位差信息作为***误差输入变量，得到未来历元PPS有效沿相位差预测值；将接收机授时环路输出的时间相位误差作为实际时间相位差测量值；利用最小二乘法得到PPS有效沿相位差的无偏估计，进行处理校正，得到校正后的最优的PPS有效沿相位差估计值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

利用校正后的未来历元PPS有效沿相位差估计值和约束阈值给出PPS控制器参数，并反馈给PPS控制器进行调节，使接收机产生的PPS有效沿精确的对准本地UTC时间。

6.一种秒脉冲(PPS)的产生的装置，所述装置包括：卫星信号基带处理通道、预测计算模块和PPS控制器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述卫星信号基带处理通道实现对卫星信号的捕获、跟踪和测量，提供本地接收机的原始信息，如载波测量值和码测量值等数据。

所述预测计算模块主要利用接收机原始测量信息、历史测量信息、接收机状态参数等，组成统一的授时环路模型，通过最小二乘法得到PPS有效沿时刻的最优估计值；根据接收机的状态信息动态调整PPS有效沿跳变约束阈值；并给出PPS控制器的所预测历元的控制参数。

所述PPS控制器，其输入为PPS控制参数，用于产生最终的PPS信号，并用作处理器的中断请求信号。

8.根据权利要求6所述装置，其特征在于，

授时过程包含当前历元接收机钟差求解、未来历元脉冲沿相位差预测和阈值动态调整、脉冲调整三个阶段，其处理过程包括：

根据各卫星载波相位和码相位测量值计算得到原始的PPS有效沿相位差信息；由所记录的历史历元接收机信息，利用最小二乘法校正PPS有效沿相位残差，得到未来历元PPS有效沿相位残差并确定***阈值；最终得到PPS控制器参数，调整PPS信号。