CN104125029B - 北斗精密授时技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗精密授时技术，该技术通过利用我国北斗二代卫星导航系统进行高精度双机共视授时，解决了我国的通信领域和国防建设事业中时间和频率传递精度不足的问题。北斗精密授时技术采用北斗二代加GPS、双星四频专用授时接收机，利用伪距差分、移动站同步伪距差分，计算出两个接收机之间的精确时钟差（精度达到纳秒级），并利用该钟差完成任务：一、精确确定用户时钟对于标准时间的偏差；二、实现不同地点用户时钟精确同步。

Description

北斗精密授时技术

技术领域

本发明涉及一种硬件授时技术，特别涉及中国北斗卫星导航技术和全球卫星导航技术的精密授时技术。

背景技术

北斗、GPS（Global Navigation Satellite System）,GLONASS是分别由中国、美国和俄罗斯建立的全球卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统，特指北斗二代卫星导航系统。

随着科学技术的发展，高精度的时间和频率传递在国民经济发展中的地位日趋重要。在国民经济建设和高新技术产业诸如通信、电力、交通、高速数字网同步等领域有着广泛的应用。

近年来，随着国防和空间技术的发展，对高精度时间和频率传递提出了更高的要求。特别是SDH（同步数字体系）通信网的时间同步和频率校准，空中目标的探测和拦截(类似美国爱国者导弹系统)，对时间和频率传递精度要求达纳秒量级。但是，纳秒量级精度的时间传递设备国内很多设备很难达到要求，其需求主要依赖国外高昂设备的进口，随着我国北斗二代系统的建立，可以利用BD-2卫星导航系统采用双机共视的方法进行时间传递，其双机共视授时差精度可达1.67纳秒，填补了国内空白。

对于应用我国北斗二代卫星导航系统进行高精度双机共视授时，对解决我国的通信和国防建设事业对高精度时间同步的需求具有非常重要意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种北斗精密授时技术，旨在解决现有技术中存在的因时间传递设备精度不足导致我国在通信、电力、交通、高速数字网同步等领域无法进行高精度时间和频率同步而产生的问题。

本发明实施例是这样实现的，北斗精密授时技术，其特征在于，所述技术包括下述步骤：

(1)移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星；

(2)计算移动站接收机和基准站接收机之间的时钟差；

(3)通过时钟差对移动站进行授时处理。

具体地，步骤（1）中移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星包括以下步骤：

(a)授时基站和授时移动站装备包含北斗二代和GPS卫星信号跟踪和处理芯片；

(b)卫星信号处理芯片进行信号捕获处理。

具体地，步骤（2）中计算移动站接收器和基准站接收器之间的时钟差的方法为：利用北斗二代加GPS、双星四频专用授时接收机，采用伪距差分，通过移动站同步伪距差分来计算接收机之间的时钟差。

具体地，步骤（2）中计算移动站接收器和基准站接收器之间的时钟差的方法为：根据下述公式计算时钟差：

时间差CDTpps=tB′-tA′

=(tB–M)-(tA–N)

=(tB–tA)-(M-N)

=△t-(M-N)

其中，△t通过伪距差分得出，其精度即为共视差精度，N、M为固定数值，为通过接收机内部计数器算出，伪距的精度为0.5米或更高，其对于时间精度为0.5/3×108（距离除以光速）1.67纳秒。

具体地，步骤（3）中通过时钟差进行授时处理包括以下步骤：

(a)输出时钟差并确定用户时钟对于标准时间的偏差；

(b)在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步应用差分授时。

具体地，北斗精密授时技术，其特征在于，所述技术涉及到下述数据处理对象：授时基站、授时移动站。

具体地，北斗精密授时技术，其特征在于，所述技术包括以下部分：

(a)授时基站，用于提供基准伪距观测值；

(b)授时移动站，用于提供伪距观测值；

(c)RTD差分编码模块，用于基站的伪距进行编码，便于发送给移动站；

(d)RTD差分解码模块，用于对基站信息解码；

(e)RTD差分定位模块，用于计算移动站接收机与基站接收机之间的钟差，并进行授时处理。

在本发明实施例中，采用北斗二代加GPS、双星四频专用授时接收机，利用伪距差分、移动站同步伪距差分，计算出两个接收机之间的精确时钟差，从而精确确定了用户时钟对于标准时间的偏差，并实现了不同地点用户时钟精确同步，精度达到纳秒级。

附图说明

图1是本发明中计算时钟差所用到的各参数之间关系图；

图2是本发明中移动站与基站时钟差描述图；

图3是本发明中移动站与基站时钟计算处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，GNSS双机共视就是指两个站同时观察同一颗或同一组卫星，实现两个站之间的时间同步，为了能标定出，接收机A接收机（基准站）与B接收机（移动站）之间的钟差，我们用CDTpps表示。附图1为N、M、△t、CDTpps关系图。

RTD为伪距差分定位方法,根据RTD计算出△t，有△t=tB-tA，tA=tA′+N;tB=tB′+M

CDTpps=tB′-tA′

=(tB–M)-(tA–N)

=(tB–tA)-(M-N)

=△t-(M-N)

其中N、M是固定数值，为通过接收机内部计数器可以算出，精度在10-11秒以上，而对于共视差精度即为△t的精度，△t通过伪距差分得出来的结果，而伪距的精度为0.5米，甚至精度更高，伪距精度为0.5米则对于时间精度为 0.5/3×108（距离除以光速）1.67纳秒。

推出：

σ(A-B_改正后)≤1.67

M300AT精密授时型GNSS接收机输出的CDT，即为两个接收机之间的准确时钟差值，输出数值分正负，理论上：移动站的时间t加上CDT即等于基准站时间，可以简易描述为附图2所示，此种情况下的CDT值为正值。

本发明包含以下几个部分：授时基站、授时移动站、RTD差分编码模块、RTD差分解码模块、RTD差分定位模块。

授时基站和授时移动站都包含北斗二代和GPS卫星信号跟踪和处理芯片。此信号处理芯片能跟踪北斗B1，GPS L1卫星的民用伪码信号。伪码信号是一组定长周期的伪随机序列码，北斗B1载波频点为1561.098MHz，伪码码率为2.046Mcps(Chip Per Second),GPS的L1频点为1575.42MHz,伪码码率为1.023Mcps。卫星信号处理芯片首先进行信号捕获处理。处理芯片中含有本地载波和本地伪码发生器。在捕获时，变化本地载波频率和伪码发生器的初始相位来进行二维搜索。当本地载波的频率和码相位与卫星信号的载波和频率码相位对齐时，伪码相关值达到峰值，表示信号捕获成功。捕获之后的下一个步骤是进行卫星信号的跟踪。由于卫星相对于用户存在相对运动，载波和码都存在多普勒频移，为了保持载波和伪码的同步，需要不断调整本地载波、伪码的发生频率。在跟踪阶段，可以获得当前伪码码片的系统时间（北斗时间或GPS时间），再根据本地芯片的时间，可以得到卫星到用户的距离测量值，由于测量值中含有接收机钟差、卫星钟差以及大气延迟的影响，与真实距离存在误差，所以称为伪距。授时基准站和授时移动站在以上所述跟踪过程中，不断输出伪距观测值，为双机共视授时提供了原始的观测值。基站和移动站虽然都含有卫星信号 处理芯片，但是在功能上两者还存在区别。区别之一是两者的作用不同。基站提供基准差分信息，不产生时间差信息；移动站产生时间差信息，及上一节提及的接收机之间的时间差。区别之二是基站使用RTD编码模块对差分信息进行编码，而移动站使用RTD解码模块对接收的差分信息进行解码。区别之三是基准站不进行差分定位，而移动站进行差分定位，并得到接收机之间的时间差。

RTD表示伪距差分定位方法。这种方法使用伪距观测值来进行定位，观测方程如下所示：

Δr＝Δρ+cΔt （1）

式中，c表示真空中的光速，Δr表示单差伪距观测值。单差是一种作差方法，是将基站和移动站对同一颗卫星的观测值进行作差。单差伪距观测值，如式（1）所示，不含有卫星钟差，忽略其它低一个量级的误差后，只包含卫星至接收机的单差距离Δρ和基站与移动站的接收机钟差Δt。由于卫星坐标是已知的（通过星历求得），单差距离可以用移动站的坐标来表示。因此方程（1）中包含四个参数，三个坐标参数和一个接收机钟差参数。

从以上可以看出，RTD定位方法同时需要基站和移动站的伪距观测值。要想利用基站的伪距观测值，需要对基站的伪距进行某种编码，然后发送给移动站。在编码时，首先要求距离改正数及其变化率。距离改正数的求法为：首先根据基站坐标和卫星坐标计算卫星至基站的距离，然后从基站伪距观测值中减去此距离值。距离改正数的变化率可以用一个Kalman滤波器来求得。得到距离改正数及其变化率后，对这两个数值进行编码，然后发送出去。进行这样的编码是为了方便数据进行网络或电台的传输。编码的方法采用RTCM2.3规范。

授时移动站在收到基站发送的差分编码消息后，首先进行解码，然后根据式（1）的观测方程，用最小二乘估计解算接收机之间的钟差。最后通过时钟差 对移动站进行授时处理。本发明实施例总体处理流程为附图3所示。

Claims (4)

1.北斗精密授时技术，其特征在于，所述技术包括步骤：

(1)移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星；

(2)计算移动站接收机和基准站接收机之间的时钟差；

(3)通过时钟差对移动站进行授时处理；

步骤(1)中移动站与基准站同时观察同一颗或同一组卫星的过程包括：

(a)授时基站和授时移动站装备包含北斗二代和GPS卫星信号跟踪和处理芯片；所述卫星信号处理芯片能跟踪北斗B1，GPS L1卫星的民用伪码信号；所述伪码信号是一组定长周期的伪随机序列码，所述北斗B1载波频点为1561.098MHz，伪码码率为2.046Mcps,GPS的L1频点为1575.42MHz,伪码码率为1.023Mcps；

(b)卫星信号处理芯片进行信号捕获处理；所述卫星信号处理芯片中含有本地载波和本地伪码发生器，在捕获时，变化所述本地载波频率和伪码发生器的初始相位来进行二维搜索，当所述本地载波的频率和码相位与卫星信号的载波和频率码相位对齐时，伪码相关值达到峰值，表示信号捕获成功；捕获之后的下一个步骤是进行卫星信号的跟踪，在跟踪阶段，获得当前伪码码片的系统时间，再根据本地芯片的时间，得到卫星到用户的距离测量值，授时基准站和授时移动站在以上跟踪过程中，不断输出伪距观测值，为双机共视时提供原始的观测值；

基站提供基准差分信息，不产生时间差信息；移动站产生时间差信息及接收机之间的时间差；基站使用RTD编码模块对差分信息进行编码，而移动站使用RTD解码模块对接收的差分信息进行解码；基准站不进行差分定位，而移动站进行差分定位，并得到接收机之间的时间差；

需要对基站的伪距进行某种编码，然后发送给移动站；在编码时，首先要求距离改正数及其变化率；距离改正数的求法为：首先根据基站坐标和卫星坐标计算卫星至基站的距离，然后从基站伪距观测值中减去此距离值；距离改正数的变化率可以用一个Kalman滤波器来求得；得到距离改正数及其变化率后，对这两个数值进行编码，然后发送出去；编码的方法采用RTCM2.3规范；

授时移动站在收到基站发送的差分编码消息后，首先进行解码，然后用最小二乘估计解算接收机之间的钟差，最后通过时钟差对移动站进行授时处理；

所述步骤(2)中计算移动站接收器和基准站接收器之间的时钟差的方法为：利用北斗二代加GPS、双星四频专用授时接收机，采用伪距差分，通过移动站同步伪距差分来计算接收机之间的时钟差。

2.如权利要求1所述的北斗精密授时技术，其特征在于，所述步骤(2)中计算移动站接收器和基准站接收器之间的时钟差的方法为：根据下述公式计算时钟差：

时间差CDT_pps＝t_B′-t_A′

＝(t_B–M)-(t_A–N)

＝(t_B–t_A)-(M-N)

＝△t-(M-N)

其中，△t通过伪距差分得出，其精度即为共视差精度，N、M为固定数值，为通过接收机内部计数器算出，t_B′为移动站接收器的时钟，t_A′为基准站接收器的时钟，t_A＝t_A′+N，t_B＝t_B′+M，t_A为比基准站接收器的时钟多N的时钟，t_B为比移动站接收器的时钟多M的时钟，伪距的精度为0.5米或更高，其对于时间精度为1.67纳秒。

3.如权利要求1所述的北斗精密授时技术，其特征是步骤(3)中通过时钟差进行授时处理包括以下步骤：

输出时钟差并确定用户时钟对于标准时间的偏差；

在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步应用差分授时。

4.如权利要求1所述的北斗精密授时技术，其特征在于，所述技术包括以下部分：

(a)授时基站，用于提供基准伪距观测值；

(b)授时移动站，提供伪距观测值；

(c)RTD差分编码模块，用于对基站的伪距进行编码，便于发送给移动站；

(d)RTD差分解码模块，用于对基站信息解码；

(e)RTD差分定位模块，用于计算移动站接收机与基站接收机之间的钟差，并进行授时处理。