CN106292267B - 一种gnss高精度授时终端系统及授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS高精度授时终端系统及授时方法，包括天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器和外部通讯接口；天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器依次信号连接，本地时钟校准器的输出连接射频前端和基带信号处理单元，外部通讯接口连接基带信号处理单元；所述的基带信号处理单元用来对射频前端输出的数字信号进行PPP解算，获得接收机钟差；所述的本地时钟校准器包括相连的D/A转换模块和本地压控晶振。本发明实现了低成本、高精度、高稳定性的授时，授时精度可达到纳秒甚至亚纳秒级。

Description

一种GNSS高精度授时终端系统及授时方法

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GNSS高精度授时终端系统及授时方法。

背景技术

“授时（time service）”是指利用无线电波发播标准时间信号的工作，根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网授时和电话授时等。卫星授时是依靠GNSS系统进行的大面积覆盖的授时技术，与其他授时方法相比，它的授时精度最高。根据接收机对卫星测量值的不同运作方式，GNSS授时大致可分为单向测量、公式测量和载波相位技术三种。利用GNSS授时接收机来进行时间同步在通信、电力等领域都有广泛的应用。

GNSS授时系统使用性能稳定的接收机，通过接收4颗以上的卫星信号，提取对应的观测值，然后结合卫星播发电文中的卫星位置参数、修正参数进行PVT解算求出接收机钟差，此钟差值代表接收机内置钟的钟面时刻和GNSS时间系统的偏差，得知这一信息后，即可把接收机的钟面时刻修正到GNSS时间系统下，再转化为用户所处的时间系统，从而完成授时。

利用卫星授时得到的高精度时钟对本地晶振进行锁定，能输出高精度的本地频率信号。当本地晶振和卫星晶振同步时，本地晶振的频漂被消除，从而解决了本地晶振长期稳定性差和误差容易累积的问题。另外，GNSS系统中卫星携带的铯原子钟和铷原子钟不断的受到地面监控站的修正，能够向地面授时接收机提供长期稳定性好的高精度时钟。所以，将GNSS系统时钟与本地晶振的同步锁定的技术可以用于对时间精度要求苛刻的场所，满足高精度的时间要求。

目前，基于GNSS的单向授时方法的最高授时精度是在几十纳秒的范围。随着GNSS授时技术的发展和演变，以及对精确时钟和时间同步研究的加深，一种能产生高精度的GNSS授时系统就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，为了使授时接收机能输出更加精准的本地时钟信号，本发明提供了一种GNSS高精度授时终端系统及授时方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种GNSS高精度授时终端系统，包括：

天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器和外部通讯接口；天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器依次信号连接，本地时钟校准器的输出连接射频前端和基带信号处理单元，外部通讯接口连接基带信号处理单元；所述的基带信号处理单元用来对射频前端输出的数字信号进行PPP解算，获得接收机钟差；所述的本地时钟校准器包括相连的D/A转换模块和本地压控晶振。

上述射频前端、基带信号处理单元和外部通讯接口采用GNSS接收机实现。

所述的GNSS接收机优选为双频GNSS接收机。

所述的GNSS接收机采用多通道并行方式接收GNSS信号。

上述本地压控晶振为可调节式的压控晶振。

上述环路滤波器为一阶环路滤波器、二阶环路滤波器、三阶环路滤波器或卡尔曼滤波器。

采用上述GNSS高精度授时终端系统的授时方法，包括：

根据收敛速度需求设置钟差门限，将基带信号处理单元解算出的接收机钟差与钟差门限比较，若接收机钟差大于钟差门限，由GNSS接收机调节本地时钟；否则，通过环路滤波器、本地时钟校准器调节本地时钟。

本发明以GNSS系统时间为参考，借鉴锁相环思路对本地时钟进行锁定，并通过不断的时钟修正，逐渐减小本地时钟与卫星信号的标准时钟的偏差，最终获得标准的时间基准。

和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明系统对接收的卫星信号周期性地进行精密单点定位解算，得到接收机钟差；本地时钟校准器基于接收机钟差来调节本地时间，再反馈给射频前端和基带信号处理单元。该环路可将本地时间和GNSS系统时间锁定，并不断调整本地压控晶振的输出频率，从而获得高精度的本地时钟。

2、普通的授时系统一般采用提高晶振精度的方法来确保时钟的稳定性，但是高精度的晶振价格昂贵，并且随着使用时间增长，累积误差逐渐增大，晶振本身的老化也会造成一定的频漂。本发明系统采用GNSS系统高精度的时钟与本地压控晶振的同步锁定技术，实现了低成本、高精度、高稳定性的授时，授时精度可达到纳秒甚至亚纳秒级。

3、本发明系统中GNSS接收机采用多通道并行方式接收信号，可显著减少多路径、电离层和对流层造成的时间延迟误差。

4、本发明方法采用GNSS接收机内部调节和外部环路调节相结合的方式来调整本地时钟，可大大提高接收机钟差的收敛速度，从而快速高效的产生高精度本地时钟。

附图说明

图1是本发明系统的具体结构示意图；

图2是本发明中利用接收机钟差调整本地时钟的流程图。

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，本发明系统主要包括天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器和外部通讯接口，天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器依次信号连接，本地时钟校准器的输出连接射频前端、基带信号处理单元，外部通讯接口连接基带信号处理单元。

射频前端包括相连的下变频模块和A/D转换模块，天线接收至少4颗卫星的信号，射频前端对卫星信号依次进行下变频、A/D转换，获得数字信号，并输入基带信号处理单元。由于GNSS卫星发射信号为低功率无线电信号，因此，本发明系统必须安装室外天线来接收信号。

基带信号处理单元包括依次相连的捕获模块、跟踪模块、电文解调模块、PPP（精密单点定位）解算模块，用来对输入的数字信号依次进行捕获、跟踪、电文解调、精密单点定位解算，获得时间信息和接收机钟差。基带信号处理单元可通过外部通讯接口从外部网络获取PPP解算所需的数据，例如IGS精密星历、IGS精密钟差等。

具体实施时，射频前端、基带信号处理单元和外部通讯接口可采用单台GNSS接收机实现，GNSS接收机包括射频前端、基带信号处理单元和外部通讯接口。GNSS接收机利用IGS提供的精密星历和精密钟差，基于载波相位观测值进行高精度定位，用户利用GNSS接收机可在任意位置获得高精度、高效的静态定位和接收机钟差。作为优选，GNSS接收机为双频GNSS接收机。

PPP解算模块所获得的时间信息直接输出，所获得的接收机钟差经环路滤波器消除抖动后输入本地时钟校准器。本地时钟校准器包括相连的D/A转换模块、本地压控晶振。D/A转换模块将接收机钟差转换为模拟电压，模拟电压用来控制本地压控晶振的输出频率。这样，即可弥补本地压控晶振频漂对本地同步时钟带来的长期性误差。因此，即可得到同步于GNSS时钟的本地同步时钟。本地压控晶振优选为恒温压控晶振。

本发明采用压控晶振作为本地同步时钟的时钟源，采用传统的数字锁相环锁定GNSS时钟。PPP解算模块进行周期性解算，采用所获接收机钟差周期性地调整本地时钟，每次调整可等效与传统的锁相环。本发明中PPP解算模块实现了锁相环中鉴相器的功能，本地压控晶振等效于锁相环中压控振荡器。和传统锁相环不同的是，PPP解算模块在任何情况下都能得到准确的接收机钟差，所以该环路不会出现失锁的情况。

本发明还提供了一种利用接收机钟差调整本地时钟的优选方案，见图2。根据收敛速度要求设置钟差门限（如典型值可设置为100ns），一般来说，收敛速度要求较高时，钟差门限可设置为较小值；收敛速度要求较低时，钟差门限可设置为较大值；钟差门限为经验值，其值可通过反复试验确定。将PPP解算模块解算出的接收机钟差与钟差门限比较，若接收机钟差大于钟差门限，由GNSS接收机内部的时钟频率控制NCO（数控振荡器）调节本地时钟；否则，通过环路滤波器、本地时钟校准器调节本地时钟。本地时钟调整周期即PPP解算周期。

Claims (6)

1.一种GNSS高精度授时终端系统，其特征是，包括：

天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器和外部通讯接口；天线、射频前端、基带信号处理单元、环路滤波器、本地时钟校准器依次信号连接，本地时钟校准器的输出连接射频前端和基带信号处理单元，外部通讯接口连接基带信号处理单元；

所述的本地时钟校准器包括相连的D/A转换模块和本地压控晶振；

所述的射频前端、基带信号处理单元和外部通讯接口采用GNSS接收机实现；

所述的基带信号处理单元包括依次相连的捕获模块、跟踪模块、电文解调模块、PPP解算模块，用来对输入的数字信号依次进行捕获、跟踪、电文解调、PPP定位解算，获得时间信息和接收机钟差；时间信息直接输出，接收机钟差经环路滤波器消除抖动后输入本地时钟校准器；PPP解算模块进行周期性解算，采用所获接收机钟差周期性地调整本地时钟。

2.如权利要求1所述的GNSS高精度授时终端系统，其特征是：

所述的GNSS接收机为双频GNSS接收机。

3.如权利要求1所述的GNSS高精度授时终端系统，其特征是：

所述的GNSS接收机采用多通道并行方式接收信号。

4.如权利要求1所述的GNSS高精度授时终端系统，其特征是：

所述的本地压控晶振为可调节式的压控晶振。

5.如权利要求1所述的GNSS高精度授时终端系统，其特征是：

所述的环路滤波器为一阶环路滤波器、二阶环路滤波器、三阶环路滤波器或卡尔曼滤波器。

6.采用权利要求1所述的GNSS高精度授时终端系统的授时方法，其特征是：

根据收敛速度需求设置钟差门限，将基带信号处理单元解算出的接收机钟差与钟差门限比较，若接收机钟差大于钟差门限，由GNSS接收机调节本地时钟；否则，通过环路滤波器、本地时钟校准器调节本地时钟。