CN106292264B - 一种基于gnss高精度增强系统的广域精密授时系统 - Google Patents

一种基于gnss高精度增强系统的广域精密授时系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中，基础设施系统用来接收卫星信号并提供广域差分数据，基准服务站系统用来提供区域差分数据和响应服务，用户终端系统用来提供高精度时标。本发明可实现全国甚至全球范围内的更广泛、更高精度、更便捷和更低成本的绝对时间输出。

Description

一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统
技术领域
本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)领域，特别涉及一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统。
背景技术
全球导航卫星系统是一种星基无线电定位、导航和授时系统，主要包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、中国北斗系统(BeiDou System，BDS)、欧洲伽利略(Galileo)、俄罗斯格洛纳斯系统(GLONASS)等。GNSS通过卫星播发导航信号，可实现位置和时间的精准传递，在诸多领域都有广泛的应用。在授时/时间同步应用领域，GNSS接收机可以利用导航卫星播发的无线电信号对本机时钟进行修正，从而使得接收机的时间与GNSS系统时间同步，达到授时或者不同终端之间的时间同步目的。然而，目前常用GNSS接收机的授时精度仅为20ns～100ns，随着人们对时间精度的要求越来越高，该精度存在明显的不足，亟待提高。
为了进一步提高授时精度，目前常用原子钟进行高精度授时。高精度原子钟授时利用原子能级的跃迁等原理实现对晶振频率的调控，达到输出高精度频标的目的。在众多应用中，原子钟授时存在一些技术上的不足：首先，原子钟仅能提供高精度频率输出，而没有时标输出，在应用中，往往通过专用线缆或者GNSS接收机等对其进行绝对时间驯服。利用有线线缆同步存在工程大、成本高以及不够灵活等多种问题，因此这种方式往往用于专用固定设备。利用常规GNSS接收机对原子钟进行驯服的方式则使得原子钟的时间精度与GNSS常规时间精度一致(20ns～100ns)，仍然不能满足许多领域对精度的要求。其次，原子钟往往体积和功耗较大，且成本较高，不适合大众应用。
另外一种高精度时间同步的方式是通过两台GNSS接收机同时观测相同的卫星信号，利用单差模式进行解算而达到时间同步的目的。这种方式仅能实现流动站与基准站之间的时间同步，而不能对终端进行绝对的时间校准，因此只是一种时间同步系统而不是严格意义上的授时系统。另外，相对时间同步方式要求两台接收机必须共视相同的卫星，故而受到基线长度的限制，是一种区域性的时间同步系统，不适用于广域的授时。
发明内容
针对现有技术中高精度授时方法存在的不足，本发明提供了一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息；
用户终端系统包括信号连接的第二通信子系统和第二GNSS接收机终端子系统，第二通信子系统用于将时间服务子系统产生的时间同步信息和区域差分数据发送至第二GNSS接收机终端子系统；第二GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和区域差分数据解算出时标。
另一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息；
用户终端系统包括信号连接的第二通信子系统和第二GNSS接收机终端子系统，第二通信子系统用于将时间服务子系统产生的时间同步信息和数据播发子系统广播的差分数据发送至第二GNSS接收机终端子系统；第二GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时标。
再一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息；
用户终端系统包括信号连接的时间服务器和待授时设备，时间服务器用于从时间服务子系统获取时间同步信息并传送至待授时设备。
作为优选，基准服务站系统还包括原子钟，将原子钟的输出频率与第一GNSS接收机终端子系统解算出的时间信息组合，组合后的时间信息传送至时间服务子系统。
若时间服务子系统产生的区域差分数据和数据播发子系统广播的差分数据类型相同，第二GNSS接收机终端子系统采用PPP法解算出时标。
若时间服务子系统产生的区域差分数据为基于共视卫星比对的相对时间同步的差分数据，第二GNSS接收机终端子系统采用共视卫星比对方法解算出时标。
本发明系统包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统三大部分，基础设施系统主要为授时终端提供卫星信号和高精度数据产品，主要包括地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统；基准服务站系统主要包括高精度授时终端，高精度授时终端通过接收卫星信号和高精度数据产品进行时间基准解算；用户终端系统为各用户节点上的低成本终端，可根据需求利用板卡或芯片进行开发，用户终端系统主要靠高精度北斗板卡和芯片进行授时，靠时间传输协议进行备份守时。
与现有技术相比，本发明的主要优点如下：
(1)可实现全国甚至全球范围的广域高精度授时以及时间同步；
(2)可提供比现有基于GNSS的授时系统更高精度的授时时标；
(3)无需铺设专用线缆，适用于山区等复杂地形的高精度授时，且节约成本，具备大面积推广的优势；
(4)能通过服务器以及播发数据实现大范围的时间应用的管理服务，具备联网管理的能力。
附图说明
图1是本发明系统的一种具体结构示意图；
图2是本发明的系统的另一种具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
见图1，所示广域精密授时系统包括基础设施系统101、基准服务站系统102和用户终端系统103三个部分，其中，基础设施系统101用来接收卫星信号并提供广域差分数据，基准服务站系统102用来提供区域差分数据和响应服务，用户终端系统103用来提供高精度时标。
基础设施系统101进一步包括地面参考站子系统104、数据处理子系统106和数据播发子系统108，地面参考站子系统104、数据处理子系统106、数据播发子系统108依次信号连接。地面参考站子系统104用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统106用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统108用于广播差分数据。
基准服务站系统102包括第一通信子系统111、第一GNSS接收机终端子系统110和时间服务子系统112，第一通信子系统111、第一GNSS接收机终端子系统110、时间服务子系统112依次信号连接。第一通信子系统111用于接收数据播发子系统108广播的差分数据并传送至第一GNSS接收机终端子系统110；第一GNSS接收机终端子系统110用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据进行解算，获得高精度的时间信息，所述的时间信息可以为日期和时分秒，也可以为任何自定义的时间格式；时间服务子系统112用于根据时间信息产生时间同步信息。
用户终端系统103包括第二通信子系统118和第二GNSS接收机终端子系统119，两者可以采用独立的硬件模块连接构成，也可采用集成式的终端硬件。第二通信子系统118用于接收时间服务子系统112发送的时间同步信息和区域差分数据；第二GNSS接收机终端子系统119用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和区域差分数据进行解算，获得高精度的时标，从而达到时间同步目的。
具体实施时，基础设施系统101通过对接收的GNSS卫星信号进行处理获取差分数据，并将差分数据播发给基准服务站系统102和用户终端系统103的GNSS接收机。基准服务站系统102利用第一GNSS接收终端子系统110接收卫星播发的GNSS信号，并利用第一通信子系统111接收数据播发子系统108广播的差分数据，利用接收的GNSS信号和差分数据实现基准服务站与GNSS系统的高精度时间同步，并管理用户终端系统103的时间服务。
基础设施系统101中，地面参考站子系统104利用分布在不同地点的各高精度GNSS接收机观测GNSS卫星信号，以获得观测数据105，将观测数据105通过网络方式传送到数据处理子系统106。数据处理子系统106集中处理各地面参考站的观测数据105，解算出差分数据107，将差分数据107传送给数据播发子系统108。数据播发子系统108按需要对差分数据107进行编码，形成差分数据产品109，并通过约定的网络协议对外播发。这里差分数据包括卫星轨道、钟差以及电离层等误差参数。
基准服务站系统102中，第一通信子系统111通过无线通信或有线通信的方式获取数据播发子系统108广播的差分数据产品109，并通过约定的协议对差分数据产品109进行数据格式解码得到解码后的差分数据113，将解码后的差分数据113传送给第一GNSS接收机终端子系统110。第一GNSS接收机终端子系统110接收并处理GNSS信号以获得观测数据，采用解码后的差分数据113修正和解算该观测数据，获得高精度的时间信息114，将时间信息114传送给时间服务子系统112。时间服务子系统112根据用户需求，利用时间信息114产生约定协议的时间同步信息116，为用户提供时间服务。此外，时间服务子系统112还具有管理用户请求、提供经编码的区域GNSS系统解算差分数据117的功能。为提高基准服务站系统102时标的稳定性，可通过驯服原子钟方式将原子钟115等高稳定晶振的频率与第一GNSS接收机终端子系统110解算出的时间信息组合，然后将组合后的时间信息114传送至时间服务子系统112。
用户终端系统103中，第二通信子系统118从基准服务站系统102获取区域差分数据产品117，经解码，将解码后的区域差分数据120传送给第二GNSS接收机终端子系统119。第二GNSS接收机终端子系统119接收并处理GNSS信号以获得观测数据，利用解码后的区域差分数据120对观测数据进行修正和解算，获得所需的高精度时间信息121。
具体实施时，基准服务站系统102提供的区域差分数据产品117可以是与差分数据产品109类型相同，也可以是基于共视卫星比对的相对时间同步的差分数据产品。若区域差分数据产品117与差分数据产品109类型相同，第二GNSS接收机终端子系统119采用PPP法解算时标。若区域差分数据产品117为基于共视卫星比对的相对时间同步的差分数据产品，第二GNSS接收机终端子系统119采用共视卫星时间比对方法解算出时标。
作为优选，第二通信子系统118直接从数据播发子系统108接收差分数据产品109，直接实现授时，此时，本发明系统退化成为扁平状的二级结构。
见图2，用户终端系统103还可以采用不包括GNSS接收机终端的常规系统，此时，用户终端系统103包括时间服务器122以及待授时设备123。实施时，时间服务器122通过有线通信或者无线通信的方式直接从基准服务站系统102获取时间同步信息116，并输出至待授时设备123，实现授时功能。

Claims (6)

1.一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息和区域差分数据；
用户终端系统包括信号连接的第二通信子系统和第二GNSS接收机终端子系统，第二通信子系统用于将时间服务子系统产生的时间同步信息和区域差分数据发送至第二GNSS接收机终端子系统；第二GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和区域差分数据解算出时标。
2.一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息；
用户终端系统包括信号连接的第二通信子系统和第二GNSS接收机终端子系统，第二通信子系统用于将时间服务子系统产生的时间同步信息和数据播发子系统广播的差分数据发送至第二GNSS接收机终端子系统；第二GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时标。
3.一种基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
包括基础设施系统、基准服务站系统和用户终端系统，其中：
基础设施系统包括依次信号连接的地面参考站子系统、数据处理子系统和数据播发子系统，地面参考站子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，数据处理子系统用于集中解算各地面参考站的观测数据获得差分数据，数据播发子系统用于广播差分数据；
基准服务站系统包括依次信号连接的第一通信子系统、第一GNSS接收机终端子系统和时间服务子系统；第一通信子系统用于将数据播发子系统广播的差分数据传送至第一GNSS接收机终端子系统；第一GNSS接收机终端子系统用于接收GNSS信号并获取观测数据，根据接收的观测数据和差分数据解算出时间信息；时间服务子系统用于根据时间信息产生时间同步信息；
用户终端系统包括信号连接的时间服务器和待授时设备，时间服务器用于从时间服务子系统获取时间同步信息并传送至待授时设备。
4.如权利要求1-3中任一项所述的基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
所述的基准服务站系统还包括原子钟，将原子钟的输出频率与第一GNSS接收机终端子系统解算出的时间信息组合，组合后的时间信息传送至时间服务子系统。
5.如权利要求1所述的基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
时间服务子系统产生的区域差分数据和数据播发子系统广播的差分数据类型相同，第二GNSS接收机终端子系统采用PPP法解算出时标。
6.如权利要求1所述的基于GNSS高精度增强系统的广域精密授时系统，其特征是：
所述的时间服务子系统产生的区域差分数据为基于共视卫星比对的相对时间同步的差分数据，第二GNSS接收机终端子系统采用共视卫星比对方法解算出时标。
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