CN109752735A - 基于实时差分技术的时间同步方法和授时接收机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时差分技术的时间同步方法和授时接收机系统。基于实时差分技术的时间同步方法包括如下步骤：S0：预先获得主控接收机位置；S1：主控接收机获取卫星位置；S2：计算卫星和主控接收机之间的距离；S3：主控接收机利用接收到的卫星信号和所述距离计算差分信息；S4：主控接收机将所述差分信息发送给从属接收机；S5：从属接收机通过其接收到的卫星信号和所述差分信息，得到消除延迟误差的第一伪距；S6：从属接收机利用所述第一伪距完成PVT解算；S7：从属接收机利用PVT解算的结果对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。通过实时差分的方法，实时消除待同步接收机之间的链路延迟误差，提高了同步精度。

Description

基于实时差分技术的时间同步方法和授时接收机系统

技术领域

本发明涉及导航技术领域，更具体地，涉及一种基于实时差分技术的时间同步方法和授时接收机系统。

背景技术

在卫星定位导航领域的接收机系统中，需要利用卫星做授时服务的时候。现有技术都是采样单个的卫星接收机，独立的接收卫星信号，然后进行PVT解算，得到本地时间误差，利用该时间误差对本地接收机时间进行校准，从而完成授时。

然而在整个授时的过程中存在的误差，会导致授时的精度只能达到较低的水平。通常的授时应用都是在一个较大的系统里面，同时会用到多个授时接收机，由于接收机自身的精度有限，整个系统的时间同步精度就只能达到接收机的精度水平，很难再有进一步提高。

随着应用技术的不断发展，对于时间同步的精度要求在不断的提高，独立工作的卫星授时接收机已经很难满足要求，因此需要改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够提高同步精度的基于实时差分技术的时间同步方法。

本发明的另一个目的在于提出一种授时接收机系统。

根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，包括如下步骤：S0：预先获得主控接收机位置；S1：主控接收机获取卫星位置；S2：计算卫星和主控接收机之间的距离；S3：主控接收机利用接收到的卫星信号和所述距离计算差分信息；S4：主控接收机将所述差分信息发送给从属接收机；S5：从属接收机通过其接收到的卫星信号和所述差分信息，得到消除延迟误差的第一伪距；S6：从属接收机利用所述第一伪距完成PVT解算；S7：从属接收机利用PVT解算的结果对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。

根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，通过实时差分的方法，实时消除待同步接收机之间的链路延迟误差，从而近似使接收机之间的同步精度仅取决于接收机对卫星信号的观测误差，大大提高了同步精度。

另外，根据本发明上述实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，步骤S1还包括以下内容：S1：主控接收机捕获跟踪卫星，并解调出星历信息，计算卫星位置。

根据本发明的一个实施例，步骤S3还包括以下步骤：A1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一载波相位；A2：主控接收机利用所述第一载波相位，建立基于所述第一载波相位的第二伪距；A3：主控接收机利用所述第二伪距和所述距离作差，得到差分信息。

根据本发明的一个实施例，步骤S5还包括以下步骤：B1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二载波相位，通过整周模糊度的计算方式，得到基于所述第二载波相位的第三伪距；B2：从属接收机利用所述第三伪距和所述差分信息作差，得到消除延迟误差的所述第一伪距。

根据本发明的一个实施例，步骤S3还包括以下步骤：C1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一测距码；C2：主控接收机利用所述第一测距码建立基于所述第一测距码的第二伪距；C3：主控接收机利用所述第二伪距和所述距离作差，得到差分信息。

根据本发明的一个实施例，步骤S5还包括以下步骤：D1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二测距码，得到基于所述第二测距码的第三伪距；D2：从属接收机利用所述第三伪距和所述差分信息作差，得到消除延迟误差的所述第一伪距。

根据本发明的一个实施例，步骤S6还包括以下内容：S6：从属接收机从接收的星历中获取卫星位置和速度，利用所述第一伪距完成PVT解算。

根据本发明的一个实施例，步骤S7还包括以下内容：S7：利用PVT解算的结果中的从属接收机本地时钟相对于主控接收机时钟的绝对时间差对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。

根据本发明的一个实施例，所述主控接收机和所述从属接收机之间的距离小于50km。

根据本发明的另一个实施例的授时接收机系统，包括主控接收机和从属接收机，所述主控接收机和从属接收机使用上述的基于实时差分技术的时间同步方法进行时间同步操作。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是在理想状态下导航定位卫星和分布的授时接收机的信号传输示意图；

图2是在实际情况下导航定位卫星和分布的授时接收机的信号传输示意图；

图3是在没有受到外界影响下的卫星信号传输给接收机的状态；

图4是在实际情况下卫星信号传输给接收机的真实状态；

图5是根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的一个流程图；

图6是根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的另一个流程图；

图7是根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的又一个流程图；

图8是根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的再一个流程图；

图9是根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的另一个流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法。

如图1所示，图1示出的是一个理想的卫星信号传输模型，接收机需要完成定位授时运算，最少需要4颗星，图中卫星1(101)、卫星2(102)、卫星3(103)、卫星4(104)表示接收机可见的4颗卫星。图中标识了两个接收机，即接收机1(111)，接收机2(112)，分别独立同时接受来自4颗卫星的信号。

图1中虚线表示卫星信号，从卫星到接收机之间的传输路径(在图1中，仅仅表示卫星和接收机的直线传播路径，不包含各种延迟误差)。例如，121表示卫星1到接收机1的直线传播距离，122表示卫星1到接收机2的直线传播距离。

在图1所示的情况下，忽略信号在传输路径上的延迟误差，其主要包含电离层延迟误差和对流层延迟误差。这时的接收机定位和授时精度完全取决于接收机观测量的精度，授时精度可以达到较高的水平。但是在真实的信号传播过程中，大气延迟误差是不可忽略的，实际情况下的信号传播过程如图2所示。

如图2所示，卫星信号在整个传输链路中，主要存在四个会比较明显影响最终测量结果的误差。

卫星时钟误差：卫星上使用原子钟，但是随着卫星服役时间的退役，该时钟也会出现一定程度的偏差。但这个偏差，在卫星播发的星历数据中有较高精度的评估，能在接收机做精度较高的补偿，所以该误差不在本发明实施例的讨论范围内。

电离层延迟误差(221，223):卫星信号在穿透电离层的过程中产生的延迟。该误差能直接影响最终的定位授时精度。传统的接收机方案，是利用卫星播发的电离层模型和相关的参数，在信号穿刺点附近计算误差，然后对观测值进行补偿。

对流层延迟误差(222，224)：卫星信号在穿透对流层的过程中产生的延迟。和电离层延迟一样，该误差也能直接影响最终的定位授时精度。传统的接收机方案，是利用卫星播发的对流层模型和相关的参数，计算误差，然后对观测值进行补偿。

因为电离层和对流层有不均匀和实时变化的特性，星历中的模型和参数并不能完全准确的对其进行描述。所以接收机在对这两项误差进行补偿时，不能完全的消除误差，只能一定程度的减小。这就导致了最终接收机的定位授时精度只能停留在较低的水平。

接收机本地时钟误差：这个误差是由于接收机使用的时钟频率的不稳定性，以及接收机的本地时间轴没有办法直接对齐标准时间造成的，但这个误差可以在PVT解算中求解，求解的结果就是最终的授时误差。

如图5所示，根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，包括如下步骤：P0：预先获得主控接收机位置；P1：主控接收机获取卫星位置；P2：计算卫星和主控接收机之间的距离；P3：主控接收机利用接收到的卫星信号和距离计算差分信息；P4：主控接收机将差分信息发送给从属接收机；P5：从属接收机通过其接收到的卫星信号和差分信息，得到消除延迟误差的第一伪距；P6：从属接收机利用第一伪距完成PVT解算；P7：从属接收机利用PVT解算的结果对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。需要说明的是，主控接收机位置可以预先测量获取，或者通过主控接收机自收敛获取，设置为主控接收机的初始化已知信息。卫星和主控接收机之间的距离可以为主控接收机预设位置和星历中解算的卫星位置之间的距离

本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法主要通过使用差分技术，主控接收机将差分信息发送给从属接收机，从属接收机根据该差分信息以对其本地时间进行补偿，完成主控接收机和从属接收机之间的时间同步，以实时消除主控接收机和从属接收机之间的链路延迟误差，即消除对流层延迟误差和电离层延迟误差，从而近似的使主控接收机和从属接收机之间的同步精度仅仅取决于接收机对信号的观测误差，提高了接收机之间的时间同步精度，可以使时间同步的精度达到纳秒级，甚至更高。并且通过本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，不需要额外实用高精度器件，从而可以降低成本，以较低成本实现接收机之间的高精度时间同步。可以在原有的卫星授时接收机的基础上，利用本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法，达到大幅度提高卫星授时接收机之间的时间同步精度的效果，以提高整个大系统的时间精度。

如图3和图4所示，图3示出的为在没有受到外界影响下的卫星信号传输给接收机的状态，图4示出的为在实际情况下卫星信号传输给接收机的真实状态，即卫星信号传输给接收机的过程中受到电离层和对流层影响的状态。接收机1可以为本发明实施例的主控接收机，接收机2(312)可以为本发明实施例的从属接收机。

在本发明的一个实施例中，接收机1(311)作为主控设备提前获得位置信息，位置信息的获得方式可以是将精确的位置信息直接注入到接收机1(311)中，或者是接收机1(311)经过较长时间的定位自收敛得到较为精确的位置信息。由此，可以提高主控接收机和从属接收机之间的同步精度和同步效率。

在本发明的一个实施例中，卫星和主控接收机之间的距离为卫星和主控接收机之间的直线距离。

在本发明的一个实施例中，接收机2(312)与接收机1(311)之间的直线距离可以相距较近，以此能够保证卫星信号分别传输到接收机1(311)和接收机2(312)的路径具有高度相似的延迟特性。可选地，主控接收机和从属接收机之间的距离小于50km。进一步地，主控接收机和从属接收机之间的距离小于10km。

在本发明的一个实施例中，步骤P4还包括：主控接收机通过通信模块将实时差分信息发送或播发给从属接收机。本发明实施例的通信模块可以为有线通信模块或者无线通信模块。

在本发明的一个实施例中，从属接收机的数量不限于一个，可以为两个或两个以上。也就是说，主控接收机可以将差分信息发送给多个从属接收机，从而可以实现主控接收和多个从属接收机之间的时间同步。

如图6所示，在本发明的一个实施例中，步骤P1还包括以下内容：P1：主控接收机捕获跟踪卫星，并解调出星历信息，计算卫星位置。

如图7所示，在本发明的一个实施例中，步骤P3还包括以下步骤：A1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一载波相位；A2：主控接收机利用第一载波相位，建立基于第一载波相位的第二伪距；A3：主控接收机利用第二伪距和距离作差，得到差分信息。进一步地，步骤P5还包括以下步骤：B1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二载波相位，通过整周模糊度的计算方式，得到基于第二载波相位的第三伪距；B2：从属接收机利用第三伪距和差分信息作差，得到消除延迟误差的第一伪距。由此，通过载波相位测距的方法，可以使接收机的测量精度达到厘米级，接收机之间的时间同步精度可以达到亚纳秒级。并且现有的卫星授时接收机的主要误差通过差分的方式消除后，即消除主控接收机和从属接收机之间的链路延迟误差，主控接收机和从属接收机之间的时间同步精度基本取决于接收机对卫星信号的观测精度，主控接收机和从属接收机之间的时间同步精度更高。

如图8所示，在本发明的一个实施例中，步骤P3还包括以下步骤：C1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一测距码；C2：主控接收机利用第一测距码建立基于第一测距码的第二伪距；C3：主控接收机利用第二伪距和距离作差，得到差分信息。进一步地，步骤P5还包括以下步骤：D1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二测距码，得到基于第二测距码的第三伪距；D2：从属接收机利用第三伪距和差分信息作差，得到消除延迟误差的第一伪距。由此，通过测距码实现差分时间同步的方法，没有了计算载波的整周模糊度的步骤，可以降低接收机的运算量，从而可以提高时间同步的效率，并且降低接收机的功耗。同时，接收机对测距码的跟踪具有更好的稳定性，使接收机能够在信号环境比较恶劣的环境下也能够进行更加稳定和准确的时间同步，提高了接收机的应用范围，增大了接收机的应用范围。通过测距码实现差分时间同步的方法，接收机的观测精度可以达到亚米级，接收机之间的时间同步精度可以达到5纳秒之内。

如图9所示，根据本发明的一个实施例，步骤P6还包括以下内容：P6：从属接收机从接收的星历中获取卫星位置和速度，利用第一伪距完成PVT解算。进一步地，步骤P7还包括以下内容：P7：利用PVT解算的结果中的从属接收机本地时钟相对于主控接收机时钟的绝对时间差对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。

在本发明的一个实施例中，可以在主控接收机上使用高精度时钟，由此可以提高整个系统的接收机的绝对时间精度。

在本发明的一个实施例中，主控接收机和从属接收机为单频点卫星授时接收机。由此，通过使用本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法的授时接收机系统，可以以较低的成本实现同步精度的大幅提升。

根据本发明的另一个实施例的授时接收机系统，授时接收机系统包括主控接收机和从属接收机，主控接收机和从属接收机使用上述实施例的基于实时差分技术的时间同步方法进行时间同步操作。由于根据本发明实施例的基于实时差分技术的时间同步方法能够产生上述的技术效果，因此使用上述基于实时差分技术的时间同步方法的授时接收机系统也能够产生实时消除主控接收机和从属接收机之间的链路延迟误差，提高同步精度的效果，因此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

S0：预先获得主控接收机位置；

S1：主控接收机获取卫星位置；

S2：计算卫星和主控接收机之间的距离；

S3：主控接收机利用接收到的卫星信号和所述距离计算差分信息；

S4：主控接收机将所述差分信息发送给从属接收机；

S5：从属接收机通过其接收到的卫星信号和所述差分信息，得到消除延迟误差的第一伪距；

S6：从属接收机利用所述第一伪距完成PVT解算；

S7：从属接收机利用PVT解算的结果对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。

2.根据权利要求1所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S1还包括以下内容：

S1：主控接收机捕获跟踪卫星，并解调出星历信息，计算卫星位置。

3.根据权利要求2所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S3还包括以下步骤：

A1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一载波相位；

A2：主控接收机利用所述第一载波相位，建立基于所述第一载波相位的第二伪距；

A3：主控接收机利用所述第二伪距和所述距离作差，得到差分信息。

4.根据权利要求3所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S5还包括以下步骤：

B1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二载波相位，通过整周模糊度的计算方式，得到基于所述第二载波相位的第三伪距；

B2：从属接收机利用所述第三伪距和所述差分信息作差，得到消除延迟误差的所述第一伪距。

5.根据权利要求2所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S3还包括以下步骤：

C1：主控接收机利用其跟踪到的卫星信号，提取第一测距码；

C2：主控接收机利用所述第一测距码建立基于所述第一测距码的第二伪距；

C3：主控接收机利用所述第二伪距和所述距离作差，得到差分信息。

6.根据权利要求5所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S5还包括以下步骤：

D1：从属接收机通过对卫星信号的跟踪锁定，提取第二测距码，得到基于所述第二测距码的第三伪距；

D2：从属接收机利用所述第三伪距和所述差分信息作差，得到消除延迟误差的所述第一伪距。

7.根据权利要求1-6中所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S6还包括以下内容：

S6：从属接收机从接收的星历中获取卫星位置和速度，利用所述第一伪距完成PVT解算。

8.根据权利要求7中所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，步骤S7还包括以下内容：

S7：利用PVT解算的结果中的从属接收机本地时钟相对于主控接收机时钟的绝对时间差对从属接收机的本地时间进行补偿，完成时间同步。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于实时差分技术的时间同步方法，其特征在于，所述主控接收机和所述从属接收机之间的距离小于50km。

10.一种授时接收机系统，其特征在于，包括主控接收机和从属接收机，所述主控接收机和从属接收机使用权利要求1-9中任一项中的基于实时差分技术的时间同步方法进行时间同步操作。