CN105591708B - 一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法 - Google Patents

一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，对相位控制字采用比例控制进行调整，然后实时监测比例控制的稳态误差，在稳态误差达到设定门限后把稳态误差作为控制分量加入总体控制字中以消除稳态误差。当系统接收正常时，在控制字计算时刻获取本地钟差，根据本地钟差重新调整控制字计算时刻及控制字执行时刻，即改变写PPS寄存器的TIC计数器值，在控制字计算时刻对采样脉冲编号清零，使本地1PPS信号与基准信号的偏差减小到1/N秒之内，本方法采用铯钟的输出信号为基准信号。本发明提供一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，此控制算法稳定可靠，且避免了因频率积分控制带来的超调问题。

Description

一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于北斗卫星的授时时频处理方法，具体涉及一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法。
背景技术
北斗卫星导航定位系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗接收机的主要任务是接收北斗卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和观测量，根据获取的电文和观测量进行定位和授时处理，其中授时要求稳定且准确，授时算法中时频处理部分为核心内容，其特性决定了授时性能。
目前，时频处理大多采用比例积分控制控制算法，使本地时标和系统时标进行同步处理，其中，相位控制字采用比例控制进行调整，得到相位控制字；频率控制采用积分控制，得到频率控制字。然后将相位控制字和频率控制字作为相位累加器的输入，通过DDS技术中的相位累加器产生1PPS。
比例控制能迅速反应误差，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，从而减小误差，但比例控制无法消除稳态误差。积分控制主要用于消除稳态误差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，本发明解决了因积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡的技术问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，包括如下步骤：
步骤一、设置本地1PPS分频数为N，初始化本地采样脉冲编号 num和卫星接收机TIC计数器值TICnum；
步骤二、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号，采集卫星信号中的观测信息，根据本地时间和观测信息计算本地钟差tu；
步骤三、本地采样脉冲编号 num加1模N、卫星接收机TIC计数器值TICnum加1模N，判断本地采样脉冲编号 num是否等于N-1，若是，转到步骤四；若否，转到步骤二；
步骤四、计算N次本地钟差tu的加权平均值；=x0 tu0 + x1 tu1 +……+ xN-1tuN-1 ；其中x0 、x1 ……xN-1为预设的本地钟差加权系数，tu1、tu2……tuN为intnum=0、1、2……N-1时计算得到的tu值；
步骤五、根据本地钟差加权平均值计算下一次控制字执行时刻及控制字计算时刻，定义控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1为将控制字Fp写入PPS偏移寄存器时的TIC计数器值；定义控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2为通过卫星信号计算控制字Fp时的TIC计数器值：
步骤501) 计算本地钟差加权平均值的1/N秒整数倍数M：M= INTEGER[/(1/N)]= INTEGER[*N]；
步骤502）计算下一次控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1：TICnum1=（TICnum1 -M+N）%N；
步骤503） 计算下一次控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2=（TICnum1+1）%N；
步骤六、根据本地钟差加权平均值和比例系数Kp计算控制字值Fp，在上述下一次控制字执行时刻，将控制字Fp写入PPS偏移寄存器；在上述下一次控制字计算时刻，将采样脉冲编号 num清零，重复执行步骤二、三、四和六；
步骤七、根据本地控制计数、卫星接收机系统时钟频率和PPS偏移寄存器的值，每秒输出一个1PPS脉冲信号。
步骤六中计算控制字Fp具体包括如下步骤：
步骤601）计算控制字Fp：Fp=INTEGER[*Kp] ；其中INTEGER[.]是对括号内的值取整数。
或者通过如下步骤计算控制字Fp：
步骤601）计算控制字Fp：Fp=INTEGER[*Kp] ；其中INTEGER[.]是对括号内的值取整数；
步骤602）检测本地钟差的一次差分的绝对值是否小于等于本地钟差一次差分门限值δT，若是，转到步骤603）；
步骤603）把当前控制字Fp赋给稳态误差Fb，即Fb=Fp；
步骤604）重新计算控制字：Fp=Fb+INTEGER[*Kp]。
步骤七具体包括如下步骤：
步骤701）若卫星接收机的系统时钟频率为F Hz，设置PPS基准寄存器的值Fj=F；
步骤702）每1/F秒本地控制计数C加1；
步骤703） 检测本地控制计数C是否等于PPS基准寄存器的值Fj和PPS偏移寄存器的值 Fp的和，若是，输出一个1pps脉冲信号，同时本地控制计数C值清零，转到步骤702）；若否，直接转到步骤702）。
步骤二中计算本地钟差tu具体包括如下步骤：
步骤201）、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号从而获取以下观测量信息：发射时间ts、卫星坐标（x2，y2,z2）、卫星钟差ssat、电离层时延siono、对流层时延strop、相对论时延srly，并通过卫星接收机定位获取本地坐标（，y1,z1），计算星地距离传输时延；
步骤202） 计算本地时间ti：ti= num*1/N；单位为秒；
步骤203） 通过本地时间ti和发射时间计算伪距ρ：ρ=（ti-）*c；其中c为光速。
步骤204）通过伪距ρ和时延计算本地钟差tu：tu=（ρ---siono+srly+）/c；单位为秒。
步骤六中通过如下方法计算比例系数Kp：
步骤A） 系统上电时，预设比例系数Kp初始值，变化因子，比例系数趋近值a，其中0<<1；
步骤B）每时间间隔T秒，计算比例系数Kp：Kp=Kp*+a；
其中比例系数Kp初始值范围为[30,100]；比例系数趋近值a的取值范围为[10,20]；其中变化因子=0.9；时间间隔T=1秒。
本地1PPS分频数N为2的x次方，x为任意一个正整数。
本发明的一种基于比例控制稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，采用实时监测比例控制的稳态误差，在稳态误差达到设定门限后把稳态误差作为控制分量加入总体控制字中以消除稳态误差，使控制算法达到稳定可靠的目的，避免了因频率积分控制带来的超调问题。
附图说明
图1为稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法的程序流程图；
图2为稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法的原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，包括如下步骤：
步骤一、设置本地1PPS分频数为N，初始化本地采样脉冲编号 num和卫星接收机TIC计数器值TICnum；
步骤二、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号，采集卫星信号中的观测信息，根据本地时间和观测信息计算本地钟差tu；
步骤三、本地采样脉冲编号 num加1模N、卫星接收机TIC计数器值TICnum加1模N，判断本地采样脉冲编号 num是否等于N-1，若是，转到步骤四；若否，转到步骤二；
步骤四、计算N次本地钟差tu的加权平均值；=x0 tu0 + x1 tu1 +……+ xN-1tuN-1 ；其中x0 、x1 ……xN-1为预设的本地钟差加权系数，tu1、tu2……tuN为intnum=0、1、2……N-1时计算得到的tu值；
步骤五、PPS相位概略调整。当初始化系统的TIC频率为NHz时，则每隔1/N秒TIC标志会置位，在本地生成一个计数器，每当TIC置位则计数器的值加1，并且计数器的模为N,即计数器的值为[0,N-1]。当系统接收正常时，在控制字计算时刻获取本地钟差，根据本地钟差重新调整控制字计算时刻及控制字执行时刻，即改变写PPS寄存器时的TIC计数器值，在控制字计算时刻对采样脉冲编号清零，使本地1PPS信号与基准信号的偏差减小到1/N秒之内，本方法采用铯钟的输出信号为基准信号。
根根据本地钟差加权平均值计算下一次控制字执行时刻及控制字计算时刻，定义控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1为将控制字Fp写入PPS偏移寄存器时的TIC计数器值；定义控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2为通过卫星信号计算控制字Fp时的TIC计数器值：
步骤501) 计算本地钟差加权平均值的1/N秒整数倍数M：M= INTEGER[/(1/N)]= INTEGER[*N]；
步骤502）计算下一次控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1：TICnum1=（TICnum1 -M+N）%N；
步骤503） 计算下一次控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2=（TICnum1+1）%N；
步骤六、当本地钟差采用改变写控制字执行时刻TIC计数器值的方法消除大的偏差后，对本地钟差采用比例控制进行调整，然后实时监测比例控制的稳态误差，在稳态误差达到设定门限后把稳态误差作为控制分量加入总体控制字中以消除稳态误差，使控制算法稳定可靠，进而使本地1PPS与系统时同步。根据本地钟差加权平均值和比例系数Kp计算控制字值Fp：
步骤601）计算控制字Fp：Fp=INTEGER[*Kp] ；其中INTEGER[.]是对括号内的值取整数；
步骤602）检测本地钟差的一次差分的绝对值是否小于等于本地钟差一次差分门限值δT，若是，转到步骤603）；若否，转到步骤605）；
步骤603）把当前控制字Fp赋给稳态误差Fb，即Fb=Fp；
步骤604）重新计算控制字：Fp=Fb+INTEGER[*Kp]；
步骤605） 在上述下一次控制字执行时刻，将控制字Fp写入PPS偏移寄存器；在上述下一次控制字计算时刻，将采样脉冲编号 num清零，重复执行步骤二、三、四和六。
步骤七、根据本地控制计数、卫星接收机系统时钟频率和PPS偏移寄存器的值，每秒输出一个1PPS脉冲信号：
步骤701）若卫星接收机的系统时钟频率为F Hz，设置PPS基准寄存器的值Fj=F；
步骤702）每1/F秒本地控制计数C加1；
步骤703） 检测本地控制计数C是否等于PPS基准寄存器的值Fj和PPS偏移寄存器的值 Fp的和，若是，输出一个1pps脉冲信号，同时本地控制计数C值清零，转到步骤702）；若否，直接转到步骤702）。
当卫星接收机的系统时钟频率为10MHz时，PPS基准寄存器的初始值为10*1000000=107，当系统接收正常时，将控制字Fp作为一个偏移量写入PPS偏移寄存器，基准寄存器与偏移寄存器的值的和作为1pps产生的总控制计数。
1pps信号的产生依赖本地控制计数，在每个系统时钟到来时，本地控制计数进行加1运算，当本地控制计数的值等于总控制计数时产生1pps信号，同时本地控制计数值清零，之后1pps信号的产生重复该过程,每秒出一个1pps信号。
统计1pps信号与基准信号的偏差值，可以对偏差值进行均值、方差、抖动范围的计算，这些值反应了此授时控制方法的稳定性和准确性，即卫星接收机的授时性能。
步骤二中计算本地钟差tu具体包括如下步骤：
步骤201）、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号从而获取以下观测量信息：发射时间ts、卫星坐标（x2，y2,z2）、卫星钟差ssat、电离层时延siono、对流层时延strop、相对论时延srly，并通过卫星接收机定位获取本地坐标（，y1,z1），计算星地距离传输时延；
步骤202） 计算本地时间ti：ti= num*1/N；单位为秒；本地时间的计算可通过本地脉冲编号来计算，本地脉冲是本地1PPS的N分频，脉冲编号依次为0、1、2、…、N-1,脉冲信号对应的本地时间为0、(1*1/N)s、(2*1/N)s、…、((N-1)*1/N)s。
步骤203） 通过本地时间ti和发射时间计算伪距ρ：ρ=（ti-）*c；其中c为光速。伪距用来表示表示卫星信号空间传输距离，即传输时间与光速的乘积，是进行本地位置解算和定时本地钟差计算的基础，伪距的计算可通过本地时间减去发射时间来计算。
步骤204）通过伪距ρ和时延计算本地钟差tu：tu=（ρ---siono+srly+）/c；单位为秒。本地钟差是反映本地时标和系统时时间差的量，伪距观测量为本地时标和经过空间传输的卫星时标的差值，因此伪距等效时延减去星地距离传输时延、电离层、对流层，再加上相对论、卫星钟差时延等，就是本地钟差。
步骤六中通过如下方法计算比例系数Kp：
步骤A） 系统上电时，预设比例系数Kp初始值，变化因子，比例系数趋近值a，其中0<<1；
步骤B）每时间间隔T秒，计算比例系数Kp：Kp=Kp*+a；
其中比例系数Kp初始值范围为[30,100]；比例系数趋近值a的取值范围为[10,20]；其中变化因子=0.9；时间间隔T=1秒。Kp的选取决定了相位调整的速度，取值越大，调整的越快，但精度会有损失，因此本方法选取了折中的方法进行取值。Kp取值在初始值的基础上逐渐减小，最终趋于a。
本地1PPS分频数N为2的x次方，x为任意一个正整数。
本发明公开了一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，当系统接收正常时，在控制字计算时刻获取本地钟差，根据本地钟差重新调整控制字计算时刻及控制字执行时刻，即改变写PPS寄存器的TIC计数器值，在控制字计算时刻对采样脉冲编号清零，使本地1PPS信号与基准信号的偏差减小到1/N秒之内，本方法采用铯钟的输出信号为基准信号。本发明对相位控制字采用比例控制进行调整，然后实时监测比例控制的稳态误差，在稳态误差达到设定门限后把稳态误差作为控制分量加入总体控制字中以消除稳态误差。本发明提供一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，此控制算法稳定可靠，且避免了因频率积分控制带来的超调问题。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、设置本地1PPS分频数为N，初始化本地采样脉冲编号 num和卫星接收机TIC计数器值TICnum；
步骤二、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号，采集卫星信号中的观测信息，根据本地时间和观测信息计算本地钟差tu；
步骤三、本地采样脉冲编号 num加1模N、卫星接收机TIC计数器值TICnum加1模N，判断本地采样脉冲编号 num是否等于N-1，若是，转到步骤四；若否，转到步骤二；
步骤四、计算N次本地钟差tu的加权平均值；=x0 tu0 + x1 tu1 +……+ xN-1 tuN-1 ；其中x0 、x1 ……xN-1为预设的本地钟差加权系数，tu1、tu2……tuN为intnum=0、1、2……N-1时计算得到的tu值；
步骤五、根据本地钟差加权平均值计算下一次控制字执行时刻及控制字计算时刻，定义控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1为将控制字Fp写入PPS偏移寄存器时的TIC计数器值；定义控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2为通过卫星信号计算控制字Fp时的TIC计数器值：
步骤501) 计算本地钟差加权平均值的1/N秒整数倍数M：M= INTEGER[/(1/N) ]=INTEGER[*N]；
步骤502）计算下一次控制字执行时刻TIC计数器值TICnum1：TICnum1=（TICnum1 -M+N）%N；
步骤503） 计算下一次控制字计算时刻TIC计数器值TICnum2=（TICnum1+1）%N；
步骤六、根据本地钟差加权平均值和比例系数Kp计算控制字值Fp，在上述下一次控制字执行时刻，将控制字Fp写入PPS偏移寄存器；在上述下一次控制字计算时刻，将采样脉冲编号 num清零，重复执行步骤二、三、四和六；
步骤七、根据本地控制计数、卫星接收机系统时钟频率和PPS偏移寄存器的值，每秒输出一个1PPS脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：步骤六中计算控制字Fp具体包括如下步骤：
步骤601）计算控制字Fp：Fp=INTEGER[*Kp] ；其中INTEGER[.]是对括号内的值取整数。
3.根据权利要求1所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：步骤六中计算控制字Fp具体包括如下步骤：
步骤601）计算控制字Fp：Fp=INTEGER[*Kp] ；其中INTEGER[.]是对括号内的值取整数；
步骤602）检测本地钟差的一次差分的绝对值是否小于等于本地钟差一次差分门限值δT，若是，转到步骤603）；
步骤603）把当前控制字Fp赋给稳态误差Fb，即Fb=Fp；
步骤604）重新计算控制字：Fp=Fb+INTEGER[*Kp]。
4.根据权利要求1所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：步骤七具体包括如下步骤：
步骤701）若卫星接收机的系统时钟频率为F Hz，设置PPS基准寄存器的值Fj=F；
步骤702）每1/F秒本地控制计数C加1；
步骤703） 检测本地控制计数C是否等于PPS基准寄存器的值Fj和PPS偏移寄存器的值Fp的和，若是，输出一个1pps脉冲信号，同时本地控制计数C值清零，转到步骤702）；若否，直接转到步骤702）。
5.根据权利要求1所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：步骤二中计算本地钟差tu具体包括如下步骤：
步骤201）、通过天线捕获和跟踪北斗卫星信号从而获取以下观测量信息：发射时间ts、卫星坐标（x2，y2,z2）、卫星钟差ssat、电离层时延siono、对流层时延strop、相对论时延srly，并通过卫星接收机定位获取本地坐标（，y1,z1），计算星地距离传输时延；
步骤202） 计算本地时间ti：ti= num*1/N；单位为秒；
步骤203） 通过本地时间ti和发射时间计算伪距ρ：ρ=（ti-）*c；其中c为光速；
步骤204）通过伪距和时延计算本地钟差tu：tu=（ρ---siono+srly+）/c；单位为秒。
6.根据权利要求1所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：步骤六中通过如下方法计算比例系数Kp：
步骤A） 系统上电时，预设比例系数Kp初始值，变化因子，比例系数趋近值a，其中0<<1；
步骤 B）每时间间隔T秒，计算比例系数Kp：Kp=Kp*+a。
7.根据权利要求6所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：其中比例系数Kp初始值范围为[30,100]。
8.根据权利要求6所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：其中比例系数趋近值a的取值范围为[10,20]。
9.根据权利要求6所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：其中变化因子=0.9；时间间隔T=1秒。
10.根据权利要求1或2所述的一种稳态误差补偿的卫星接收机授时控制方法，其特征在于：本地1PPS分频数N为2的x次方，x为任意一个正整数。
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