CN114994727A - 一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备 - Google Patents

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CN114994727A CN202210838628.3A CN202210838628A CN114994727A CN 114994727 A CN114994727 A CN 114994727A CN 202210838628 A CN202210838628 A CN 202210838628A CN 114994727 A CN114994727 A CN 114994727A
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Abstract

本发明涉及卫星授时及定位技术领域，公开了一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。通过本发明创造，提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。

Description

一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备
技术领域
本发明属于卫星授时及定位技术领域，具体地涉及一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。
背景技术
卫星授时及定位系统主要包括GPS（Global Positioning System，全球定位系统，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统）系统、北斗卫星导航系统、GLONASS（格洛纳斯，是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写，其作用类似于美国的GPS系统、欧洲的伽利略卫星定位系统和中国的北斗卫星导航系统）系统和伽利略卫星定位系统等，随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。当前，高精度实时卫星定位导航的应用范围越来越广，要求用户接收机的定位精度需要达到分米级甚至厘米级。
目前的卫星定位技术主要是单点定位技术，该技术在应用时，要获得地面的三维坐标，就必须对至少4颗卫星进行测量。但是，由于卫星时钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差、由传播延迟导致的误差以及各用户接收机的固有误差等，使得单点卫星静态定位的精度很难达到10米以下，因此如何根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准和定位，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有卫星定位技术所存在定位精度低的问题，本发明目的在于提供一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。
本发明提供了一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备，包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块；
所述卫星天线，用于接收来自卫星的卫星信号；
所述网络分配器的输入端连接所述卫星天线，用于根据所述卫星信号，分配输出多路的卫星信号；
所述测向接收机的输入端连接所述网络分配器的第一输出端，用于根据所述卫星信号，提取得到卫星导航电文以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码；
所述授时接收机的输入端连接所述网络分配器的第二输出端，用于根据所述卫星信号提取得到卫星导航电文，并根据所述卫星导航电文中的卫星系统时间输出第一秒脉冲信号；
所述本地时钟模块，用于输出本地时钟信号；
所述计数器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于通过对所述本地时钟信号进行的计数，输出第二秒脉冲信号；
所述时差测量模块的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差；
所述滤波器的输入端连接所述时差测量模块的输出端，用于根据多次测量而得的所述时差，先采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差，然后采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值；
所述PID控制器的输入端连接所述滤波器的输出端且使输出端连接所述本地时钟模块的受控端，用于根据所述频差滤波值，采用PID控制算法控制所述本地时钟模块的输出，使所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差得以减小；
所述多路选择器的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于择一输出所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号；
所述计算引擎模块的两输入端分别连接所述测向接收机的输出端和所述多路选择器的输出端，用于按照如下步骤计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置：
根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，计算得到当前时间；
针对搜索到的各个可用卫星，从对应的卫星导航电文中获取对应的星历数据及卫星系统时间，并根据对应的星历数据及卫星系统时间确定对应的且在三维空间中的卫星实时位置；
针对所述各个可用卫星，根据所述当前时间和对应的卫星系统时间，测算得到本地伪随机噪声码与对应的伪随机噪声码的当前延时，并根据该当前延时，校正对应的卫星实时所在位置，得到对应的且消除因地球旋转而造成卫星位置偏差的卫星当前所在位置，以及测定得到对应的且采用对流层折射校正模型和电离层折射校正模型校正的当前伪距；
根据至少四颗可用卫星的所述卫星当前所在位置和所述当前伪距，采用定位原理测算得到本地设备在所述三维空间中的当前所在位置。
基于上述发明内容，提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。
在一个可能的设计中，采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值，包括有如下依次执行的步骤S201～S205：
S201.计算与第
Figure 867598DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的状态量
Figure 317034DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 483573DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 905327DEST_PATH_IMAGE004
表示不小于2的自然数，
Figure 233540DEST_PATH_IMAGE005
表示第
Figure 373534DEST_PATH_IMAGE004
次测量而得的所述时差，
Figure 343764DEST_PATH_IMAGE006
表示与第
Figure 885604DEST_PATH_IMAGE007
次测量时差对应的频差，
Figure 384719DEST_PATH_IMAGE008
表示与第
Figure 12009DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的频差变化率，
Figure 989192DEST_PATH_IMAGE009
表示与第
Figure 854380DEST_PATH_IMAGE010
次测量时差对应的状态量，
Figure 524396DEST_PATH_IMAGE011
表示状态转移矩阵且有
Figure 638982DEST_PATH_IMAGE012
；
S202.计算所述状态量
Figure 419857DEST_PATH_IMAGE013
的协方差
Figure 201868DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 573943DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 706984DEST_PATH_IMAGE016
表示滤波输出量
Figure 25970DEST_PATH_IMAGE017
的协方差且有初始化量
Figure 396909DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 205465DEST_PATH_IMAGE019
表示矩阵转置符号，
Figure 763485DEST_PATH_IMAGE020
表示系统噪声协方差且有
Figure 151741DEST_PATH_IMAGE021
；
S203.计算与第
Figure 377186DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的滤波中间量
Figure 559906DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 136380DEST_PATH_IMAGE023
式中，
Figure 62748DEST_PATH_IMAGE024
表示连接矩阵且有
Figure 142700DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 27479DEST_PATH_IMAGE026
表示观测噪声方差矩阵且有
Figure 825671DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 493412DEST_PATH_IMAGE028
的初始取值为1且在
Figure 693450DEST_PATH_IMAGE029
小于1e-13后取值为100；
S204.计算与第
Figure 749130DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的滤波输出量
Figure 503460DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 302788DEST_PATH_IMAGE031
式中，
Figure 357332DEST_PATH_IMAGE032
表示与第
Figure 256018DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的观测量且有
Figure 28802DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 162980DEST_PATH_IMAGE034
表示与第
Figure 868768DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的观测噪声且服从均值为0及方差为
Figure 735093DEST_PATH_IMAGE035
的正态分布，
Figure 526331DEST_PATH_IMAGE036
中第二项即为所需得到的频差滤波值；
S205.计算所述滤波输出量
Figure 401883DEST_PATH_IMAGE037
的协方差
Figure 165440DEST_PATH_IMAGE038
，然后在下一次测量得到新的时差时，返回执行步骤S201。
在一个可能的设计中，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的频率变化，获取得到当前伪距变化率；
所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的当前伪距变化率，解算得到本地设备在所述三维空间中的当前运动速度。
在一个可能的设计中，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的相位变化，获取得到载波相位观测值；
所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的载波相位观测值，校正本地设备的所述当前所在位置。
在一个可能的设计中，还包括有秒脉冲分配器，其中，所述秒脉冲分配器的输入端连接所述多路选择器的输出端，用于根据择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，分配输出多路的秒脉冲信号，以便供多个后续系统使用。
在一个可能的设计中，还包括有时间码生成器，其中，所述时间码生成器的输入端分别连接所述计算引擎模块的输出端、所述多路选择器的输出端和所述秒脉冲分配器的输出端，用于将来自所述计算引擎模块、所述多路选择器和所述秒脉冲分配器的多路时间信号转换成多路时间码并进行输出，其中，所述多路时间码与所述多路时间信号一一对应。
在一个可能的设计中，还包括有时钟分配器，其中，所述时钟分配器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于根据所述本地时钟信号，分配输出多路的本地时钟信号，以便供多个后续系统使用。
在一个可能的设计中，所述卫星天线采用双路天线。
在一个可能的设计中，针对所述双路天线中的各路天线，还配置有对应的馈电检测模块，其中，所述馈电检测模块包括有馈电单元和限流电阻，所述馈电单元连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接对应天线；
所述馈电检测模块，用于通过检测馈电检测点的信号变化情况对由对应天线接收的卫星信号强度和卫星信号通断进行判断，并根据判断结果调整对应天线的天线角度，以便更好地接收卫星信号，其中，所述馈电检测点位于所述馈电单元与所述限流电阻之间。
在一个可能的设计中，所述计算引擎模块采用微控制器MUC芯片、片上系统SoC芯片或处理器CPU芯片。
本发明的有益效果为：
（1）本发明创造提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的实现高精度时间校准及卫星定位的设备结构示意图。
图2是本发明提供的时差测量的示例图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一和第二等等来描述各种对象，但是这些对象不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个对象和另一个对象。例如可以将第一对象称作第二对象,并且类似地可以将第二对象称作第一对象，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A、单独存在B或者同时存在A和B等三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A或者同时存在A和B等两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
如图1所示，本实施例第一方面提供的且实现高精度时间校准及卫星定位的设备，包括但不限于有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块；所述卫星天线，用于接收来自卫星的卫星信号；所述网络分配器的输入端连接所述卫星天线，用于根据所述卫星信号，分配输出多路的卫星信号；所述测向接收机的输入端连接所述网络分配器的第一输出端，用于根据所述卫星信号，提取得到卫星导航电文（其是由导航卫星播发给用户的且用于描述导航卫星运行状态参数的电文，包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容）以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码（其用于测量伪距）；所述授时接收机的输入端连接所述网络分配器的第二输出端，用于根据所述卫星信号提取得到卫星导航电文，并根据所述卫星导航电文中的卫星系统时间输出第一秒脉冲信号；所述本地时钟模块，用于输出本地时钟信号；所述计数器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于通过对所述本地时钟信号进行的计数，输出第二秒脉冲信号。
所述时差测量模块的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差；所述滤波器的输入端连接所述时差测量模块的输出端，用于根据多次测量而得的所述时差，先采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差，然后采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值；所述PID控制器的输入端连接所述滤波器的输出端且使输出端连接所述本地时钟模块的受控端，用于根据所述频差滤波值，采用PID控制算法控制所述本地时钟模块的输出，使所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差得以减小。如图1所示，虽然由所述授时接收机输出的所述第一秒脉冲信号是一个比较好的秒脉冲，但是它在短期内抖动比较大，因此需要测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差，测完时差以后滤波，完成滤波以后通过PID算法去控制所述本地时钟模块，可以完成闭环输出，最终达到一个稳定的状态。
所述采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差为一个粗捕获过程，即测量两个秒脉冲之间大致的频差是多少,一般可以做到亚纳秒级（或者小于1纳秒）；这两个秒脉冲刚开始可能是乱的，粗捕获以后，两者之间就会挨得很近，但还是会有抖动；最后的捕获结果并不是让这两个秒脉冲完全对齐，而是让它们之间的时差控制在一定误差范围内即△t，如图2所示；然后对△t求导数，求导后的结果就是频差，闭环控制目的就是最后让频差趋近于0。所述最小二乘法的具体应用是：每秒钟就可以测到它们两个秒脉冲之间的时差，因此可进行多次测量，一般取40～50次，具体取多少取决于本地时钟的稳定度，本地时钟越稳定，则取的次数就越长；用最小二乘法就可以评估出两者之间大致的频差是多少，通过最小二乘法对频差求出来以后，就可以去控制本地时钟，让本地时钟输出的秒脉冲与接收机输出的秒脉冲之间的频差尽量地减小，但最小二乘法减小的量级一般不会太高，所以称之为粗捕获。
所述采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理得到频差滤波值为一个估算过程，即具体的，包括但不限于有如下依次执行的步骤S201～S205。
S201.计算与第
Figure 202666DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的状态量
Figure 950042DEST_PATH_IMAGE013
：
Figure 363706DEST_PATH_IMAGE039
式中，
Figure 247348DEST_PATH_IMAGE004
表示不小于2的自然数，
Figure 721055DEST_PATH_IMAGE040
表示第
Figure 893411DEST_PATH_IMAGE004
次测量而得的所述时差，
Figure 376344DEST_PATH_IMAGE041
表示与第
Figure 114493DEST_PATH_IMAGE007
次测量时差对应的频差（其具体是
Figure 759101DEST_PATH_IMAGE040
的差分），
Figure 418753DEST_PATH_IMAGE042
表示与第
Figure 174219DEST_PATH_IMAGE007
次测量时差对应的频差变化率（其具体是
Figure 298033DEST_PATH_IMAGE043
的差分），
Figure 113542DEST_PATH_IMAGE044
表示与第
Figure 994911DEST_PATH_IMAGE045
次测量时差对应的状态量，
Figure 554068DEST_PATH_IMAGE046
表示状态转移矩阵且有
Figure 532388DEST_PATH_IMAGE047
。
S202.计算所述状态量
Figure 518799DEST_PATH_IMAGE013
的协方差
Figure 153042DEST_PATH_IMAGE048
（其为包含有3×3个元素的矩阵）：
Figure 515891DEST_PATH_IMAGE049
式中，
Figure 83138DEST_PATH_IMAGE050
表示滤波输出量
Figure 443712DEST_PATH_IMAGE051
的协方差且有初始化量
Figure 361990DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 466212DEST_PATH_IMAGE053
表示矩阵转置符号，
Figure 153545DEST_PATH_IMAGE054
表示系统噪声协方差且有
Figure 481758DEST_PATH_IMAGE055
。
S203.计算与第
Figure 887332DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的滤波中间量
Figure 529666DEST_PATH_IMAGE056
（其为包含有3×1个元素的矩阵）：
Figure 71506DEST_PATH_IMAGE057
式中，
Figure 836199DEST_PATH_IMAGE058
表示连接矩阵且有
Figure 666752DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 175094DEST_PATH_IMAGE060
表示观测噪声方差矩阵且有
Figure 837019DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 710297DEST_PATH_IMAGE062
的初始取值为1且在
Figure 824884DEST_PATH_IMAGE063
小于1e-13后取值为100。
S204.计算与第
Figure 871337DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的滤波输出量
Figure 591032DEST_PATH_IMAGE064
（其为包含有3×1个元素的矩阵）：
Figure 431949DEST_PATH_IMAGE065
式中，
Figure 33831DEST_PATH_IMAGE066
表示与第
Figure 821659DEST_PATH_IMAGE004
次测量时差对应的观测量且有
Figure 989335DEST_PATH_IMAGE067
，
Figure 204416DEST_PATH_IMAGE068
表示与第
Figure 559174DEST_PATH_IMAGE069
次测量时差对应的观测噪声且服从均值为0及方差为
Figure 681850DEST_PATH_IMAGE070
的正态分布，
Figure 376137DEST_PATH_IMAGE037
中第二项即为所需得到的频差滤波值。
S205.计算所述滤波输出量
Figure 824436DEST_PATH_IMAGE037
的协方差
Figure 338594DEST_PATH_IMAGE071
，然后在下一次测量得到新的时差时，返回执行步骤S201。
所述PID控制算法即是根据滤波值序列对它进行加权计算并控制输出；假如当前的滤波值为a，那么P表示比例系数，I表示积分操作，也就是对a进行积分，D就是对a进行微分，最终的数学表达式即为
Figure 264961DEST_PATH_IMAGE072
，其中的P、I和D都是系数并可以根据实际情况来进行设置。
所述多路选择器的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于择一输出所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号。由于本地时钟进入稳定状态需要一定的时间，因此在早期可以先择一输出所述第一秒脉冲信号，而在后期择一输出所述第二秒脉冲信号。
所述计算引擎模块的两输入端分别连接所述测向接收机的输出端和所述多路选择器的输出端，用于按照如下步骤S101～S104计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置：S101.根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，计算得到当前时间；S102.针对搜索到的各个可用卫星，从对应的卫星导航电文中获取对应的星历数据及卫星系统时间，并根据对应的星历数据及卫星系统时间确定对应的且在三维空间中的卫星实时位置；S103.针对所述各个可用卫星，根据所述当前时间和对应的卫星系统时间，测算得到本地伪随机噪声码与对应的伪随机噪声码的当前延时，并根据该当前延时，校正对应的卫星实时所在位置，得到对应的且消除因地球旋转而造成卫星位置偏差的卫星当前所在位置，以及测定得到对应的且采用对流层折射校正模型和电离层折射校正模型校正的当前伪距；S104.根据至少四颗可用卫星的所述卫星当前所在位置和所述当前伪距，采用定位原理测算得到本地设备在所述三维空间中的当前所在位置。具体的，所述计算引擎模块可以但不限于采用微控制器MUC芯片、片上系统SoC芯片或中央处理器CPU芯片。由于是先根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，并通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，可以计算得到精确的所述当前时间，实现高精度的时间校准目的，同时还可确保后续当前延时及当前伪距的精确计算，最终有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。
优选的，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的频率变化，获取得到当前伪距变化率；所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的当前伪距变化率，解算得到本地设备在所述三维空间中的当前运动速度。
优选的，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的相位变化，获取得到载波相位观测值；所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的载波相位观测值，校正本地设备的所述当前所在位置。如此可以进一步提高卫星定位精度。
优选的，还包括有秒脉冲分配器，其中，所述秒脉冲分配器的输入端连接所述多路选择器的输出端，用于根据择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，分配输出多路的秒脉冲信号，以便供多个后续系统使用。进一步优选的，还包括有时间码生成器，其中，所述时间码生成器的输入端分别连接所述计算引擎模块的输出端、所述多路选择器的输出端和所述秒脉冲分配器的输出端，用于将来自所述计算引擎模块、所述多路选择器和所述秒脉冲分配器的多路时间信号转换成多路时间码并进行输出，其中，所述多路时间码与所述多路时间信号一一对应。具体的，所述多路时间信号包含有所述当前时间的输出信号、根据择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号以及由所述秒脉冲分配器输出的秒脉冲信号。此外，具体转换过程为根据IRIG编码规则将具有该编码规则的信号解码后产生为多路统一的时钟信号，以满足整个机载测试系统中所有需要的授时需求。
优选的，还包括有时钟分配器，其中，所述时钟分配器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于根据所述本地时钟信号，分配输出多路的本地时钟信号，以便供多个后续系统使用。
优选的，所述卫星天线采用双路天线。进一步优选的，针对所述双路天线中的各路天线，还配置有对应的馈电检测模块，其中，所述馈电检测模块包括有馈电单元和限流电阻，所述馈电单元连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接对应天线；所述馈电检测模块，用于通过检测馈电检测点的信号变化情况对由对应天线接收的卫星信号强度和卫星信号通断进行判断，并根据判断结果调整对应天线的天线角度，以便更好地接收卫星信号，其中，所述馈电检测点位于所述馈电单元与所述限流电阻之间。
综上，采用本实施例所提供的且实现高精度时间校准及卫星定位的设备，具有如下技术效果：
（1）本实施例提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备，其特征在于，包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块；
所述卫星天线，用于接收来自卫星的卫星信号；
所述网络分配器的输入端连接所述卫星天线，用于根据所述卫星信号，分配输出多路的卫星信号；
所述测向接收机的输入端连接所述网络分配器的第一输出端，用于根据所述卫星信号，提取得到卫星导航电文以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码；
所述授时接收机的输入端连接所述网络分配器的第二输出端，用于根据所述卫星信号提取得到卫星导航电文，并根据所述卫星导航电文中的卫星系统时间输出第一秒脉冲信号；
所述本地时钟模块，用于输出本地时钟信号；
所述计数器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于通过对所述本地时钟信号进行的计数，输出第二秒脉冲信号；
所述时差测量模块的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差；
所述滤波器的输入端连接所述时差测量模块的输出端，用于根据多次测量而得的所述时差，先采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差，然后采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值；
所述PID控制器的输入端连接所述滤波器的输出端且使输出端连接所述本地时钟模块的受控端，用于根据所述频差滤波值，采用PID控制算法控制所述本地时钟模块的输出，使所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差得以减小；
所述多路选择器的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于择一输出所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号；
所述计算引擎模块的两输入端分别连接所述测向接收机的输出端和所述多路选择器的输出端，用于按照如下步骤计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置：
根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，计算得到当前时间；
针对搜索到的各个可用卫星，从对应的卫星导航电文中获取对应的星历数据及卫星系统时间，并根据对应的星历数据及卫星系统时间确定对应的且在三维空间中的卫星实时位置；
针对所述各个可用卫星，根据所述当前时间和对应的卫星系统时间，测算得到本地伪随机噪声码与对应的伪随机噪声码的当前延时，并根据该当前延时，校正对应的卫星实时所在位置，得到对应的且消除因地球旋转而造成卫星位置偏差的卫星当前所在位置，以及测定得到对应的且采用对流层折射校正模型和电离层折射校正模型校正的当前伪距；
根据至少四颗可用卫星的所述卫星当前所在位置和所述当前伪距，采用定位原理测算得到本地设备在所述三维空间中的当前所在位置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值，包括有如下依次执行的步骤S201～S205：
S201.计算与第
Figure 440889DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的状态量
Figure 795647DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 183903DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 409348DEST_PATH_IMAGE001
表示不小于2的自然数，
Figure 123226DEST_PATH_IMAGE004
表示第
Figure 434121DEST_PATH_IMAGE001
次测量而得的所述时差，
Figure 891648DEST_PATH_IMAGE005
表示与第
Figure 768337DEST_PATH_IMAGE006
次测量时差对应的频差，
Figure 410974DEST_PATH_IMAGE007
表示与第
Figure 943587DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的频差变化率，
Figure 673645DEST_PATH_IMAGE008
表示与第
Figure 404841DEST_PATH_IMAGE009
次测量时差对应的状态量，
Figure 929363DEST_PATH_IMAGE010
表示状态转移矩阵且有
Figure 11589DEST_PATH_IMAGE011
；
S202.计算所述状态量
Figure 14180DEST_PATH_IMAGE002
的协方差
Figure 68724DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 826464DEST_PATH_IMAGE013
式中，
Figure 536931DEST_PATH_IMAGE014
表示滤波输出量
Figure 608792DEST_PATH_IMAGE015
的协方差且有初始化量
Figure 49001DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 118588DEST_PATH_IMAGE017
表示矩阵转置符号，
Figure 378668DEST_PATH_IMAGE018
表示系统噪声协方差且有
Figure 316537DEST_PATH_IMAGE019
；
S203.计算与第
Figure 345673DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的滤波中间量
Figure 382899DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure 130275DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 747201DEST_PATH_IMAGE022
表示连接矩阵且有
Figure 630844DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 104550DEST_PATH_IMAGE024
表示观测噪声方差矩阵且有
Figure 339223DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 494261DEST_PATH_IMAGE026
的初始取值为1且在
Figure 497989DEST_PATH_IMAGE027
小于1e-13后取值为100；
S204.计算与第
Figure 877017DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的滤波输出量
Figure 333407DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure 354452DEST_PATH_IMAGE029
式中，
Figure 212687DEST_PATH_IMAGE030
表示与第
Figure 231458DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的观测量且有
Figure 440723DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 734301DEST_PATH_IMAGE032
表示与第
Figure 650304DEST_PATH_IMAGE001
次测量时差对应的观测噪声且服从均值为0及方差为
Figure 902294DEST_PATH_IMAGE033
的正态分布，
Figure 333275DEST_PATH_IMAGE034
中第二项即为所需得到的频差滤波值；
S205.计算所述滤波输出量
Figure 633807DEST_PATH_IMAGE034
的协方差
Figure 201054DEST_PATH_IMAGE035
，然后在下一次测量得到新的时差时，返回执行步骤S201。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的频率变化，获取得到当前伪距变化率；
所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的当前伪距变化率，解算得到本地设备在所述三维空间中的当前运动速度。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的相位变化，获取得到载波相位观测值；
所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的载波相位观测值，校正本地设备的所述当前所在位置。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括有秒脉冲分配器，其中，所述秒脉冲分配器的输入端连接所述多路选择器的输出端，用于根据择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，分配输出多路的秒脉冲信号，以便供多个后续系统使用。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括有时间码生成器，其中，所述时间码生成器的输入端分别连接所述计算引擎模块的输出端、所述多路选择器的输出端和所述秒脉冲分配器的输出端，用于将来自所述计算引擎模块、所述多路选择器和所述秒脉冲分配器的多路时间信号转换成多路时间码并进行输出，其中，所述多路时间码与所述多路时间信号一一对应。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括有时钟分配器，其中，所述时钟分配器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于根据所述本地时钟信号，分配输出多路的本地时钟信号，以便供多个后续系统使用。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述卫星天线采用双路天线。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，针对所述双路天线中的各路天线，还配置有对应的馈电检测模块，其中，所述馈电检测模块包括有馈电单元和限流电阻，所述馈电单元连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接对应天线；
所述馈电检测模块，用于通过检测馈电检测点的信号变化情况对由对应天线接收的卫星信号强度和卫星信号通断进行判断，并根据判断结果调整对应天线的天线角度，以便更好地接收卫星信号，其中，所述馈电检测点位于所述馈电单元与所述限流电阻之间。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述计算引擎模块采用微控制器MUC芯片、片上系统SoC芯片或处理器CPU芯片。
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