CN102866627B - 北斗无缝高精度授时实现方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种北斗无缝高精度授时系统，其主要由北斗卫星、用户接收终端、伪卫星主站和至少3个伪卫星副站组成；伪卫星主站和至少3个伪卫星副站分别固定安装在空间的不同位置处；伪卫星主站同时接收至少4颗北斗卫星发来的信号；伪卫星副站接收伪卫星主站发来的信号；用户接收终端同时接收伪卫星主站和至少3个伪卫星副站、以及北斗卫星发来的信号。本发明不但可以单独利用伪卫星实现用户授时，还可以单独利用北斗卫星导航系统完成用户授时，也可以利用北斗卫星导航系统和伪卫星组合授时，具有精度高、抗干扰能力强的特点。

Description

北斗无缝高精度授时实现方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航授时领域，具体涉及一种基于伪卫星辅助的北斗无缝高精度授时实现方法和系统。

背景技术

卫星导航以其高精度、全天候、实时性强、区域广等优点已渗透到各个生活领域和现代战争的各个环节，卫星导航定位和授时系统是最关键的国家基础设施之一，而且，现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。

北斗卫星系统是我国自主研制的卫星导航定位和通信系统，具有首次定位快、无通讯盲区、保密性强等特点，并在高精度授时、短报文通信等方面均具有独特的优势。随着北斗卫星导航系统的完善，潜力巨大国内卫星导航应用产业将迅速发展。

北斗卫星导航系统虽然在授时有其独特的优势，但是，卫星导航直接授时也有其弊端，就是卫星信号比较弱，一是很容易收到外界干扰而不能使用，二是当使用环境复杂时候，如周围有建筑物、高山峡谷、室内时，卫星信号受遮挡，也不能使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种北斗无缝高精度授时实现方法和系统，其能够在复杂环境中仍然能高精度授时。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种北斗无缝高精度授时实现方法，包括如下步骤：

（1）在空间不同的位置固定安装1个伪卫星主站和至少3个伪卫星副站，且上述伪卫星主站和伪卫星副站的精确位置均预先测定已知；

（2）伪卫星主站首先接收至少4颗北斗卫星发射的北斗信号，并经下变频、信息解码和时间信息提取后得到北斗的授时结果；然后利用所得授时结果发出授时的秒脉冲信号去驯服伪卫星主站的原子钟，使得伪卫星主站的时间基准溯源到北斗时；最后在驯服原子钟的驱动下，把伪卫星主站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后由功分模块分为2路信号，2个上变频模块把这2路信号变频到不同的频点后通过2套天线发射出去，这2路发射信号中的一路信号由伪卫星副站接收，另一路信号由用户接收终端接收；

（3）伪卫星副站首先接收伪卫星主站发来的信号，并进行下变频、信息解码和时间信息提取后，计算伪卫星主站与副站之间的距离，并获得伪卫星副站的精确时间；接着利用获得的伪卫星副站的精确时间实时校正本地时钟，使得伪卫星副站不但与伪卫星主站同步，且伪卫星副站和伪卫星主站都溯源到北斗时；最后在校正时钟的驱动下，将伪卫星副站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后，上变频到北斗导航信号频点后经过天线发射出去；

（4）用户接收终端接收伪卫星主站和至少3个伪卫星副站发出的信号，并将上述信号进行下变频、模数转换、捕获、跟踪、信息解码和授时解算，最终实现用户的高精度授时。

作为改进，所述用户接收终端最好还同时接收至少4颗北斗卫星发出的信号。

上述方法中，伪卫星主站和伪卫星副站的信息编码方式均采用北斗的信息编码方式。

上述方法中，伪卫星主站和伪卫星副站的信号调制方式均采用北斗的信号调制方式。

上述方法中，伪卫星主站的其中一个上变频模块将将2路信号中的其中一路信号上变频到北斗的频点。

一种北斗无缝高精度授时系统，其主要由北斗卫星、用户接收终端、伪卫星主站和至少3个伪卫星副站组成；

伪卫星主站包括北斗授时接收单元、原子钟、伪卫星主站发射单元、北斗接收天线、伪卫星发射天线、以及主站通信发射天线；北斗接收天线连接北斗授时接收单元的输入端，北斗授时接收单元的输出端与原子钟的受控端相连，原子钟的输出端连接在伪卫星主站发射单元的时钟控制端上，伪卫星主站发射单元的输出端分别与伪卫星发射天线和主站通信发射天线相连；

每个伪卫星副站均包括伪卫星授时接收单元、本地时钟、伪卫星副站发射单元、伪卫星接收天线、以及副站通信发射天线；伪卫星接收天线连接在伪卫星授时接收单元的输入端上，伪卫星授时接收单元的输出端与本地时钟的受控端相连，本地时钟的输出端连接在伪卫星副站发射单元的时钟控制端上，伪卫星副站发射单元的输出端与副站通信发射天线相连；

伪卫星主站和至少3个伪卫星副站分别固定安装在空间的不同位置处；伪卫星主站的北斗接收天线同时接收至少4颗北斗卫星发来的信号；伪卫星副站的伪卫星接收天线接收伪卫星主站的伪卫星发射天线发来的信号；用户接收终端同时接收伪卫星主站的主站通信发射天线和至少3个伪卫星副站的副站通信发射天线发来的信号。

作为改进，所述用户接收终端最好还接收至少4颗北斗卫星发来的信号。

上述系统中，伪卫星主站的北斗授时接收单元主要由主站下变频模块、主站信号解码模块、以及主站时间信息提取模块组成；北斗接收天线连接主站下变频模块的输入端，主站下变频模块的输出端经由主站信号解码模块与主站时间信息提取模块的输入端相连，主站时间信息提取模块的输出端连接原子钟的受控端；伪卫星主站的伪卫星主站发射单元主要由在主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块、以及2个主站上变频模块组成；主站信息编码模块的输出端依次经由主站扩频与调制模块、主站载波调制模块和主站数模转换模块与主站功分模块的输入端相连，主站功分模块的2个输出端各连接1个主站上变频模块的输入端，一个主站上变频模块的输出端连接伪卫星发射天线，另一个主站上变频模块的输出端连接主站通信发射天线，原子钟分别连接主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块和2个主站上变频模块。

上述系统中，伪卫星副站的伪卫星授时接收单元主要由副站下变频模块、副站信号解码模块、以及副站时间信息提取模块组成；伪卫星接收天线连接副站下变频模块的输入端，副站下变频模块的输出端经由副站信号解码模块与副站时间信息提取模块的输入端相连，副站时间信息提取模块的输出端连接本地时钟的受控端；伪卫星副站的伪卫星副站发射单元主要由在副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块、以及副站上变频模块组成；副站信息编码模块的输出端依次经由副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块与副站上变频模块的输入端相连，副站上变频模块的输出端连接副站通信发射天线，本地时钟分别连接副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块和副站上变频模块。

与现有技术相比，本发明现有的直接授时方式即用户接收终端直接接收北斗卫星信号实现授时，改为间接授时方式即通过伪卫星主站和伪卫星副站将北斗卫星信号进行转发后再送入用户接收终端来实现授时；首先，由于伪卫星主站和伪卫星副站发射的信号相对较强，因此能够有效避免外界环境对微弱的卫星信号所产生的干扰，提高授时的精度，其次，由于伪卫星主站和伪卫星副站的架设位置能够根据实际使用需求进行安装，因此能够有效避开周围复杂环境对卫星信号所产生的干扰；再者，由于本发明不但可以单独利用伪卫星实现用户授时，还可以单独利用北斗卫星导航系统完成用户授时，也可以利用北斗卫星导航系统和伪卫星组合授时。因此，本系统不但可以用于北斗卫星可见性很好的广阔室外，还可以用于北斗卫星被遮挡情况或北斗卫星不可见的室内。

附图说明

图1为一种北斗无缝高精度授时系统原理示意图。

图2为伪卫星主站的原理框图。

图3为伪卫星副站的原理框图。

图4为用户接收终端的原理框图。

具体实施方式

一种北斗无缝高精度授时系统如图1所示，其主要由北斗卫星、用户接收终端、伪卫星主站和至少3个伪卫星副站组成。

伪卫星主站如图2所示，包括北斗授时接收单元、原子钟、伪卫星主站发射单元、北斗接收天线、伪卫星发射天线、以及主站通信发射天线。北斗接收天线连接北斗授时接收单元的输入端，北斗授时接收单元的输出端与原子钟的受控端相连，原子钟的输出端连接在伪卫星主站发射单元的时钟控制端上，伪卫星主站发射单元的输出端分别与伪卫星发射天线和主站通信发射天线相连。伪卫星主站的北斗授时接收单元主要由主站下变频模块、主站信号解码模块、以及主站时间信息提取模块组成。北斗接收天线连接主站下变频模块的输入端，主站下变频模块的输出端经由主站信号解码模块与主站时间信息提取模块的输入端相连，主站时间信息提取模块的输出端连接原子钟的受控端。伪卫星主站的伪卫星主站发射单元主要由在主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块、以及2个主站上变频模块组成。主站信息编码模块的输出端依次经由主站扩频与调制模块、主站载波调制模块和主站数模转换模块与主站功分模块的输入端相连，主站功分模块的2个输出端各连接1个主站上变频模块的输入端，一个主站上变频模块的输出端连接伪卫星发射天线，另一个主站上变频模块的输出端连接主站通信发射天线，原子钟分别连接主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块和2个主站上变频模块。

每个伪卫星副站如图3所示，均包括伪卫星授时接收单元、本地时钟、伪卫星副站发射单元、伪卫星接收天线、以及副站通信发射天线。伪卫星接收天线连接在伪卫星授时接收单元的输入端上，伪卫星授时接收单元的输出端与本地时钟的受控端相连，本地时钟的输出端连接在伪卫星副站发射单元的时钟控制端上，伪卫星副站发射单元的输出端与副站通信发射天线相连。伪卫星副站的伪卫星授时接收单元主要由副站下变频模块、副站信号解码模块、以及副站时间信息提取模块组成。伪卫星接收天线连接副站下变频模块的输入端，副站下变频模块的输出端经由副站信号解码模块与副站时间信息提取模块的输入端相连，副站时间信息提取模块的输出端连接本地时钟的受控端。伪卫星副站的伪卫星副站发射单元主要由在副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块、以及副站上变频模块组成。副站信息编码模块的输出端依次经由副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块与副站上变频模块的输入端相连，副站上变频模块的输出端连接副站通信发射天线，本地时钟分别连接副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块和副站上变频模块。

用户接收终端的结构与现有技术相同或相近似。在本发明优选实施例中，用户接收终端如图4所示，其主要由终端晶振、以及与终端晶振相连的终端接收天线、终端下变频模块、终端模数转换、终端捕获模块、终端跟踪模块、终端信息解码模块和终端授时解算模块组成。终端接收天线连接在终端下变频模块的输入端，终端下变频模块的输出端依次经由终端模数转换、终端捕获模块、终端跟踪模块和终端信息解码模块与终端授时解算模块的输入端相连，终端授时解算模块输出为最终用户授时信息。

伪卫星主站和至少3个伪卫星副站分别固定安装在空间的不同位置处。伪卫星主站的北斗接收天线同时接收至少4颗北斗卫星发来的信号。伪卫星副站的伪卫星接收天线接收伪卫星主站的伪卫星发射天线发来的信号。用户接收终端同时接收伪卫星主站的主站通信发射天线和至少3个伪卫星副站的副站通信发射天线发来的信号。为了能够实现利用北斗卫星导航系统完成用户授时，也为了能够利用北斗卫星导航系统和伪卫星组合授时，所述用户接收终端除了伪卫星主站和至少3个伪卫星副站发来的信号以外，还可以接收至少4颗北斗卫星发来的信号。

采用上述系统所实现的北斗无缝高精度授时实现方法，包括如下步骤：

（1）在空间不同的位置固定安装1个伪卫星主站和至少3个伪卫星副站，且上述伪卫星主站和伪卫星副站的精确位置均预先测定已知。

（2）伪卫星主站首先接收至少4颗北斗卫星发射的北斗信号，并经下变频、信息解码和时间信息提取后得到北斗的授时结果。然后利用所得授时结果发出授时的秒脉冲信号去驯服伪卫星主站的原子钟，使得伪卫星主站的时间基准溯源到北斗时。最后在驯服原子钟的驱动下，把伪卫星主站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后由功分模块分为2路信号，2个上变频模块把这2路信号变频到不同的频点后通过2套天线发射出去。发射出去的2路信号一路由伪卫星副站接收，另一路由用户接收终端接收。伪卫星主站配有高精度北斗授时接收设备和原子钟，北斗授时结果对本地原子钟校频，这样既可以提高授时精度，而且还可以减少原子钟预热稳定时间。

（3）伪卫星副站首先接收伪卫星主站发来的信号，并进行下变频、信息解码和时间信息提取后，计算伪卫星主站与副站之间的距离，并获得伪卫星副站的精确时间。接着利用获得的伪卫星副站的精确时间实时校正本地时钟，使得伪卫星副站不但与伪卫星主站同步，且伪卫星副站和伪卫星主站都溯源到北斗时。最后在校正时钟的驱动下，将伪卫星副站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后，上变频到北斗导航信号频点后经过天线发射出去。

（4）用户接收终端接收伪卫星主站和至少3个伪卫星副站发出的信号，并将接收到的信号进行下变频、模数转换、捕获、跟踪、信息解码和授时解算，最终实现用户的高精度授时。为了适应室内和室外环境的授时，上述用户接收终端还可以同时接收至少4颗北斗卫星发出的信号。此时，用户接收终端通过远－近效应消除方法、多路径抑制等技术，实现在同一接收终端内北斗卫星和伪卫星信号的解扩、解调、导航和授时，并基于几何精度因子最优原则研究伪卫星和北斗卫星的组合方式，实现授时精度优于北斗授时精度。

为了便于用户接收终端的处理，伪卫星主站和伪卫星副站的信息编码方式均采用北斗的信息编码方式。同理，伪卫星主站和伪卫星副站的信号调制方式均采用北斗的信号调制方式。为了区分伪卫星副站和用户接收终端，伪卫星主站采用主站功分模块把信号分为两路，经不同的上变频和天线发射出去，其中，一路信号的频点为北斗的频点，如北斗B1频点。伪卫星和北斗发射的导航信号都在同一频点，仅仅是伪卫星的扩频码码号跟北斗不一样，这样，用户接收终端就可以采用一套天线接收两种信号。因此，用户接收终端既可单独接收北斗导航信号、单独接收伪卫星导航信号，也可联合接收这两种信号。

本发明的核心改进点在于增设了伪卫星主站和伪卫星副站将卫星信号进行转发。其中，卫星主站和伪卫星副站的安装位置根据实际需求安装在所需的空间位置处，并保证伪卫星主站的安装位置能够同时接收到至少4颗北斗卫星发出的信号；至少3个伪卫星副站的安装位置能够同时接收到同一个伪卫星主站发出的信号。用户接收终端处于伪卫星主站和至少3个伪卫星副站的信号覆盖范围内。卫星主站和伪卫星副站内部的授时接收单元的结构以及所实现的授时解算方法与现有技术相同或相近似；卫星主站和伪卫星副站内部的伪卫星发射单元的结构以及所实现的信号处理和发射方法与现有技术相同或相近似。

Claims (9)

1.北斗无缝高精度授时实现方法，其特征是包括如下步骤：

（1）在空间不同的位置固定安装1个伪卫星主站和至少3个伪卫星副站，且上述伪卫星主站和伪卫星副站的精确位置均预先测定已知；

（2）伪卫星主站首先接收至少4颗北斗卫星发射的北斗信号，并经下变频、信息解码和时间信息提取后得到北斗的授时结果；然后利用所得授时结果发出授时的秒脉冲信号去驯服伪卫星主站的原子钟，使得伪卫星主站的时间基准溯源到北斗时；最后在驯服原子钟的驱动下，把伪卫星主站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后并由功分器分为2路信号，这2路信号分别经2个上变频模块变频到不同的频点后通过2套天线发射出去；发射出的2路信号中的一路信号由伪卫星副站接收，另一路信号由用户接收终端接收；

（3）伪卫星副站首先接收伪卫星主站发来的信号，并进行下变频、信息解码和时间信息提取后，计算伪卫星主站与副站之间的距离，并获得伪卫星副站的精确时间；接着利用获得的伪卫星副站的精确时间实时校正本地时钟，使得伪卫星副站不但与伪卫星主站同步，且伪卫星副站和伪卫星主站都溯源到北斗时；最后在校正时钟的驱动下，将伪卫星副站的位置、站号和时间信息进行信息编码、信号扩频、信号调制、载波调制和数模转换后，上变频到北斗导航信号频点后经过天线发射出去；

（4）用户接收终端接收伪卫星主站和至少3个伪卫星副站发出的信号，并将接收到的信号进行下变频、模数转换、捕获、跟踪、信息解码和授时解算，最终实现用户的高精度授时。

2.根据权利要求1所述北斗无缝高精度授时实现方法，其特征是：用户接收终端还同时接收至少4颗北斗卫星发出的信号。

3.根据权利要求1或2所述北斗无缝高精度授时实现方法，其特征是：伪卫星主站和伪卫星副站的信息编码方式均采用北斗的信息编码方式。

4.根据权利要求1或2所述北斗无缝高精度授时实现方法，其特征是：伪卫星主站和伪卫星副站的信号调制方式均采用北斗的信号调制方式。

5.根据权利要求1或2所述北斗无缝高精度授时实现方法，其特征是：伪卫星主站的其中一个上变频模块将2路信号中的其中一路信号上变频到北斗的频点。

6.北斗无缝高精度授时系统，包括北斗卫星和用户接收终端，其特征是：还进一步包括伪卫星主站和至少3个伪卫星副站；

伪卫星主站包括北斗授时接收单元、原子钟、伪卫星主站发射单元、北斗接收天线、伪卫星发射天线、以及主站通信发射天线；北斗接收天线连接北斗授时接收单元的输入端，北斗授时接收单元的输出端与原子钟的受控端相连，原子钟的输出端连接在伪卫星主站发射单元的时钟控制端上，伪卫星主站发射单元的输出端分别与伪卫星发射天线和主站通信发射天线相连；

每个伪卫星副站均包括伪卫星授时接收单元、本地时钟、伪卫星副站发射单元、伪卫星接收天线、以及副站通信发射天线；伪卫星接收天线连接在伪卫星授时接收单元的输入端上，伪卫星授时接收单元的输出端与本地时钟的受控端相连，本地时钟的输出端连接在伪卫星副站发射单元的时钟控制端上，伪卫星副站发射单元的输出端与副站通信发射天线相连；

伪卫星主站和至少3个伪卫星副站分别固定安装在空间的不同位置处；伪卫星主站的北斗接收天线同时接收至少4颗北斗卫星发来的信号；伪卫星副站的伪卫星接收天线接收伪卫星主站的伪卫星发射天线发来的信号；用户接收终端同时接收伪卫星主站的主站通信发射天线和至少3个伪卫星副站的副站通信发射天线发来的信号。

7.根据权利要求6所述北斗无缝高精度授时系统，其特征是：所述用户接收终端还接收至少4颗北斗卫星发来的信号。

8.根据权利要求6或7所述北斗无缝高精度授时系统，其特征是：伪卫星主站的北斗授时接收单元主要由主站下变频模块、主站信号解码模块、以及主站时间信息提取模块组成；北斗接收天线连接主站下变频模块的输入端，主站下变频模块的输出端经由主站信号解码模块与主站时间信息提取模块的输入端相连，主站时间信息提取模块的输出端连接原子钟的受控端；伪卫星主站的伪卫星主站发射单元主要由在主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块、以及2个主站上变频模块组成；主站信息编码模块的输出端依次经由主站扩频与调制模块、主站载波调制模块和主站数模转换模块与主站功分模块的输入端相连，主站功分模块的2个输出端各连接1个主站上变频模块的输入端，一个主站上变频模块的输出端连接伪卫星发射天线，另一个主站上变频模块的输出端连接主站通信发射天线，原子钟分别连接主站信息编码模块、主站扩频与调制模块、主站载波调制模块、主站数模转换模块、主站功分模块和2个主站上变频模块。

9.根据权利要求6或7所述北斗无缝高精度授时系统，其特征是：伪卫星副站的伪卫星授时接收单元主要由副站下变频模块、副站信号解码模块、以及副站时间信息提取模块组成；伪卫星接收天线连接副站下变频模块的输入端，副站下变频模块的输出端经由副站信号解码模块与副站时间信息提取模块的输入端相连，副站时间信息提取模块的输出端连接本地时钟的受控端；伪卫星副站的伪卫星副站发射单元主要由在副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块、以及副站上变频模块组成；副站信息编码模块的输出端依次经由副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块与副站上变频模块的输入端相连，副站上变频模块的输出端连接副站通信发射天线，本地时钟分别连接副站信息编码模块、副站扩频与调制模块、副站载波调制模块、副站数模转换模块和副站上变频模块。

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