CN102890279A - 一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法 - Google Patents

一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法，涉及卫星定位技术，通过两台全球定位系统(GPS)接收机实时接收的原始数据(伪距和载波相位)差分进行处理得到这些接收机之间的相对时间同步的误差值，然后利用这个时间同步误差值对各台接收机发出的一秒一个脉冲(1PPS)信号的相对时间进行修正，最终使得两台GPS接收机发出的1PPS时间经过修正后，同步误差在1～2纳秒。本发明巧妙地应用了相对定位得到的精确接收机时间相对误差、1PPS信号时间和GPS接收机内部时间的内在关系，实现了利用GPS接收机的1PPS信号进行纳秒级相对时间同步，大大方便了时差定位、纳秒级精确授时的工作。

Description

一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法
技术领域
本发明涉及卫星定位技术和精确时间同步领域，是一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法。
背景技术
GPS接收机内部时钟精度有效，一般只能达到毫秒级，但是通过利用4颗以上的卫星伪距测量进行实时解算(即单点定位)可以得到每个采样时刻接收机时钟和卫星时钟之间的差值(即接收机钟差dT)，这样就能修正接收机的时钟，因此GPS接收机具有授时和1PPS输出功能。但由于单点定位精度一般只能8～10米，而时间精度(即接收机钟差)大约50～70纳秒，精度高的可以达到20纳秒，甚至也有个别GPS接收机宣称能够达到10纳秒。但是一般接收机的1PPS授时也只有几十纳秒。要想达到1～2纳秒级就很难，这是GPS单点定位原理和精度的限制，要想提高时间精度，只能通过差分相对定位的方法来计算两台接收机之间的时间相对钟差，一般通过差分定位处理，精度可以达到亚米甚至厘米，这样对应的时间精度也能达到1～2纳秒，甚至0.1纳秒。即通过两台接收机共同接收一定数量的公共卫星，通过相对解算，得到每个台收机相对于参考站接收机的时间差值(相对钟差)。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法，实现了不同接收机的1PPS信号之间的精确同步。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法，两台GPS接收机同时观测到至少四颗GPS卫星，并接收每颗卫星到天线的原始测量数据；其包括：
步骤1：每台接收机利用测量的至少四颗卫星到接收机的伪距值进行单点定位，分别得到每台接收机的钟差；接收机并根据钟差修正后得到的时间发出一秒一个脉冲(1PPS)信号；
步骤2：利用两台接收机同时观测的伪距和载波相位测量值进行接收机之间的相对定位处理，并计算得到两台接收机之间相对的接收机钟差；
步骤3：根据步骤1和步骤2分别得到的接收机各自钟差及解算的两台接收机之间的相对钟差，得到两台接收机的1PPS之间的时间差，精度为1～2纳秒；
步骤4：然后利用步骤3所得的时间同步误差值，对各台接收机发出的一秒一个脉冲(1PPS)信号的相对时间进行修正，最终使得两台GPS接收机发出经过时间修正的1PPS信号，精度和1PPS的差值相同，也为1～2纳秒。
所述的精确时间同步的方法，其所述步骤4中，具体方法如下：
a)设第一接收机的1PPS时刻为Tpps1，则根据接收机自身单点定位的计算钟差dT1；同时，设第二接收机的1PPS时刻为Tpps2，根据接收机自身单点定位的计算钟差dT2；
b)利用两台接收机采集的至少四颗卫星的伪距和相位进行相对定位解算，以得到两台接收机的相对钟差rdT；
c)利用下面的公式计算出两个1PPS信号之间的相对时间同步值：
Tpps2-Tpps1＝rdT-dT2+dT1
式中：Tpps1表示第一接收机的1PPS时刻，
rdT根据两台接收机采集的伪距和相位进行相对定位解算的接收机相对钟差，
dT1表示第一接收机自身单点定位的计算钟差，
Tpps2为第二接收机的1PPS时刻，
dT2为第二接收机自身单点定位的计算钟差。
本发明方法，对不同GPS接收机发出的1PPS信号之间的时间误差进行修正，得到这些接收机的1PPS信号之间的时间差值，精度为1～2纳秒，从而解决了不同接收机的1PPS信号之间的精确同步问题。
附图说明
图1是本发明的一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法示意图。
具体实施方式
本发明的一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法，具体包括：
步骤1：每台接收机在采样时刻接收原始观测数据(伪距和载波相位)，同时接收机自己进行单点定位，得到接收机的钟差值dT，接收机利用该钟差修正1PPS的输出脉冲时刻，同时发出1PPS脉冲。
步骤2：通过数据链将两台接收机原始数据进行联合基线解算，可以计算出两台接收机之间的相对钟差rdT，解算原理类似相位差分，不再具体展开。一般计算的rdT精度能够到1～2纳秒。
步骤3：根据两台接收机的各自钟差dT1、dT2和解算的相对钟差rdT，就可以得到两台接收机的1PPS之间的时间差，精度和相对钟差rdT相同。
设接收机1的1PPS时刻为Tpps1，则根据接收机自身单点定位的计算的钟差dT1，就可以的得到接收机1原始数据采样时刻Tsample1
Tsample1＝Tpps1+dT1    (1)
同样可以得到接收机2原始出具的采样时刻Tsample2
Tsample2＝Tpps2+dT2    (2)
公式(1)和(2)相减就可以得到：
Tsample2-Tsample1＝Tpps2-Tpps1+dT2-dT1    (3)
即：
Tpps2-Tpps1＝(Tsample2-Tsample1)-dT2+dT1    (4)
利用两个接收机采集的4颗以上卫星的伪距和相位进行相对定位解算，就可以解算得到两个采样时间差(Tsample2-Tsample1)，即相对钟差rdT，精度为1～2纳秒，而公式(4)中的接收机各自的钟差是已知量，这样就得到了公式(4)中左边的(Tpps2-Tpps1)，即PPS之间的时间同步差值。由于计算的两个采样时间差(Tsample2-Tsample1)为纳秒级，则(Tpps2-Tpps1)也为纳秒级。

Claims (2)

1.一种利用全球定位系统进行纳秒级精确时间同步的方法，两台接收机同时观测到至少四颗GPS卫星，并接收每颗卫星到天线的原始测量数据；其特征在于，包括：
步骤1：每台接收机利用测量的至少四颗卫星到接收机的伪距值进行单点定位，分别得到每台接收机的钟差；接收机并根据钟差修正后得到的时间发出一秒一个脉冲信号；
步骤2：利用两台接收机同时观测的伪距和载波相位测量值进行接收机之间的相对定位处理，并计算得到两台接收机之间相对的接收机钟差；
步骤3：根据步骤1和步骤2分别得到的接收机各自钟差及解算的两台接收机之间的相对钟差，得到两台接收机的1PPS之间的时间差，精度为1～2纳秒；
步骤4：然后利用步骤3所得的时间同步差值，对各台接收机发出的一秒一个脉冲信号的相对时间进行修正，最终使得两台GPS接收机发出经过时间修正的1PPS信号，精度和1PPS的差值相同，也为1～2纳秒。
2.如权利要求1所述的精确时间同步的方法，其特征在于，所述步骤4中，具体方法如下：
(1)设第一接收机的1PPS时刻为Tpps1，则根据接收机自身单点定位的计算钟差dT1；同时，设第二接收机的1PPS时刻为Tpps2，根据接收机自身单点定位的计算钟差dT2；
(2)利用两台接收机采集的至少四颗卫星的伪距和相位进行相对定位解算，以得到两台接收机的相对钟差rdT；
(3)利用下面的公式计算出两个1PPS信号之间的相对时间同步值：
Tpps2-Tpps1＝rdT-dT2+dT1
式中：Tpps1表示第一接收机的1PPS时刻，
rdT根据两台接收机采集的伪距和相位进行相对定位解算的接收机相对钟差，
dT1表示第一接收机自身单点定位的计算钟差，
Tpps2为第二接收机的1PPS时刻，
dT2为第二接收机自身单点定位的计算钟差。
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