CN106292268B - 基于gnss接收机的授时终端设备及秒脉冲驯服方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS接收机的授时终端设备及秒脉冲驯服方法，该设备包括GNSS接收机、通信模块、PPP模块、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块和压控可调晶振。该方法包括：PPP模块根据GNSS接收机输出的原始观测量和通信模块获得的改正数据解算钟差估计值；鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差；钟差合成模块对钟差估计值和相位误差进行合成，合成结果输出到环路滤波器；数模转换模块对滤波结果进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生秒脉冲并输出至鉴相器。本发明可明显提高现有GNSS接收机输出的秒脉冲精度。

Description

基于GNSS接收机的授时终端设备及秒脉冲驯服方法

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）领域，特别涉及一种基于GNSS接收机的授时终端设备及秒脉冲驯服方法。

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，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。然而，目前常用GNSS接收机的授时精度仅为20ns～50ns，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。

发明内容

针对现有GNSS接收机系统授时精度较低，不能满足人们日益精准的时间要求的不足，本发明提供了一种基于GNSS接收机的授时终端设备及秒脉冲驯服方法。

本发明思路如下：

利用压控可调晶振产生秒脉冲（1PPS），并将该秒脉冲与GNSS接收机输出的秒脉冲（1PPS）在鉴相器中进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差；同时，基于GNSS接收机输出的伪距和载波相位，利用精密单点定位（PPP）法进行高精度解算，获得高精度的钟差估计值，利用钟差估计值对相位误差进行修正获得总相位偏差，对总相位偏差依次进行滤波、数模转换；利用数模转换所得模拟电压信号调整压控可调晶振的电压，达到驯服压控可调晶振和调整压控可调晶振输出秒脉冲的频率和相位的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、一种基于GNSS接收机的授时终端设备，包括：

GNSS接收机、通信模块、PPP模块、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块和压控可调晶振，其中，GNSS接收机、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、钟差合成模块、通信模块均相连；

所述的GNSS接收机具有输出伪距和载波相位的能力；

所述的通信模块具有获得伪距和载波相位的改正数据的能力。

二、另一种基于GNSS接收机的授时终端设备，包括：

GNSS接收机、鉴相器、第一环路滤波器、PPP模块、通信模块、第二环路滤波器、钟差合成模块、数模转换模块和压控可调晶振，其中，GNSS接收机、鉴相器、第一环路滤波器、钟差合成模块、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、第二环路滤波器、通信模块均相连，第二环路滤波器输出端连接钟差合成模块；

所述的GNSS接收机具有输出伪距和载波相位的能力；

所述的通信模块具有获得伪距和载波相位的改正数据的能力。

上述GNSS接收机为单模接收机或多模接收机。

上述GNSS接收机为单频接收机或多频接收机。

作为优选，PPP模块中置入GNSS接收机天线位置信息。

上述鉴相器采用模拟门电路或FPGA。

上述环路滤波器、第一环路滤波器和第二环路滤波器采用PLL环路滤波器或基于Kalman Filter的自适应数字滤波器。

上述压控可调晶振为温补晶振、温控晶振、电压控制－温补晶体振荡器、电压控制－恒温晶体振荡器或原子钟等。

三、一种基于GNSS接收机的秒脉冲驯服方法，基于上述一种授时终端设备实现，包括：

GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，所述的原始观测量包括伪距和载波相位，PPP模块通过通信模块获得原始观测量的改正数据；

根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得钟差估计值，并输出至钟差合成模块；

鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差，并输出至钟差合成模块；

钟差合成模块将钟差估计值和相位误差合成获得总相位偏差，并输至环路滤波器；

环路滤波器对总相位偏差进行滤波，数模转换模块对滤波结果进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生秒脉冲并输出至鉴相器。

四、一种基于GNSS接收机的秒脉冲驯服方法，基于上述另一种授时终端设备实现，包括：

GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，所述的原始观测量包括伪距和载波相位，PPP模块通过通信模块获得原始观测量的改正数据；

根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得钟差估计值，并输出至第二环路滤波器，第二环路滤波器对PPP模块的输出进行滤波；

鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差，相位误差经第一环路滤波器进行滤波；

钟差合成模块对第一环路滤波器和第二环路滤波器输出的滤波后的钟差估计值和相位误差进行合成，获得总相位偏差；

数模转换模块对总相位偏差进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生秒脉冲并输出至鉴相器。

与现有技术相比，本发明的主要优点如下：

（1）能明显提高现有GNSS接收机输出的秒脉冲精度；

（2）可利用现有GNSS接收机板卡或芯片进行实施，无须改变现有GNSS接收机结构；

（3）能灵活设置调控输出秒脉冲的频率。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明第二种具体实施方式的结构示意图。

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，该高精度授时终端设备包括GNSS接收机、通信模块、PPP模块、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块和压控可调晶振。其中，GNSS接收机、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、钟差合成模块、通信模块均相连。

GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，所述的原始观测量包括伪距和载波相位，PPP模块通过通信模块获得改正数据。根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得精确的钟差估计值，向钟差合成模块提供。鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，并向钟差合成模块提供两路秒脉冲信号的相位误差。钟差合成模块将钟差估计值和相位误差合成获得总相位偏差，并输至环路滤波器。环路滤波器对总相位偏差进行滤波，数模转换模块对滤波结果进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生精确的秒脉冲并输出至鉴相器，形成闭环。

本发明中，GNSS接收机用来对接收的GNSS卫星信号进行处理获得卫星的原始观测量。GNSS接收机可以为单模接收机或多模接收机，也可以为单频接收机或多频接收机，但应具备输出原始观测量的能力。应用时，为提高授时精度，GNSS接收机的天线应置于开阔填空处。

本发明中，通信模块可以是任意形式的联网模块，如无线通信模块、有线网络模块、专用数据线缆等，但应具有获得卫星轨道、卫星钟差、电离层等改正数据的能力。

本发明中，PPP模块利用原始观测量和改正数据进行高精度解算，获得GNSS接收机位置和钟差信息以及位置和钟差的标准差信息。实施时，为提高授时精度，PPP模块可预先置入GNSS接收机天线位置信息。

本发明中，鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振的秒脉冲进行鉴相，得到两路秒脉冲信号的相位误差。实施时，鉴相器可以利用模拟门电路进行相位比对；也可以在FPGA中对两路秒脉冲信号进行倍频，然后利用成熟的DLL环路进行鉴相。

本发明中，钟差合成模块将PPP模块提供的钟差估计值和鉴相器提供的相位误差进行叠加获得总相位偏差，并提供给环路滤波器。具体实施时，钟差合成模块可以为加法器。

本发明中，环路滤波器对总相位偏差进行滤波。实施时，环路滤波器可以采用常规的PLL环路滤波器，也可以采用基于Kalman Filter的自适应数字滤波器。环路滤波器的参数应考虑GNSS接收机以及压控可调晶振的性能。

本发明中，数模转换模块将环路滤波器的输出转换为模拟电压信号，并用于控制压控可调晶振。实施时，为提高设备输出的秒脉冲精度，数模转换模块的字长应尽可能长，转换速率应尽可能快。

本发明中，压控可调晶振在数模转换模块输出的模拟电压信号的控制下产生最终的秒脉冲信号。实施时，压控可调晶振可为各种等级的晶振，如温补晶振（TCXO）、温控晶振（OCXO）、电压控制－温补晶体振荡器（VCTCXO）、电压控制－恒温晶体振荡器（VCOCXO）及原子钟等，但应具备压控可调的能力。为提高设备的灵活性，压控可调晶振产生的秒脉冲往往通过FPGA等数字可编程逻辑电路产生，秒脉冲的输出频率可调。

为提高输出精度，PPP模块输出的钟差估计值可先通过第二环路滤波器进行滤波，然后再与鉴相器所输出相位误差的滤波结果叠加，见图2。图2所示高精度授时终端设备包括GNSS接收机、鉴相器、第一环路滤波器、PPP模块、通信模块、第二环路滤波器、钟差合成模块、数模转换模块和压控可调晶振。其中，GNSS接收机、鉴相器、第一环路滤波器、钟差合成模块、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、第二环路滤波器、通信模块均相连，第二环路滤波器输出端连接钟差合成模块。

同样地，GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，PPP模块通过通信模块获得改正数据。根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得精确的钟差估计值，第二环路滤波器对PPP模块的输出进行滤波。

鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差，相位误差经第一环路滤波器进行滤波。钟差合成模块用来将滤波后的钟差估计值和相位误差合成获得总相位偏差，并转换为模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生精确的秒脉冲并输出至鉴相器。

Claims (9)

1.一种基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是，包括：

GNSS接收机、通信模块、PPP模块、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块和压控可调晶振；

当环路滤波器为一个时，GNSS接收机、鉴相器、钟差合成模块、环路滤波器、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、钟差合成模块、通信模块均相连；

当环路滤波器为两个时，将两个环路滤波器分别记为第一环路滤波器和第二环路滤波器，GNSS接收机、鉴相器、第一环路滤波器、钟差合成模块、数模转换模块、压控可调晶振依次相连，压控可调晶振还连接鉴相器；PPP模块与GNSS接收机、第二环路滤波器、通信模块均相连，第二环路滤波器输出端连接钟差合成模块；

所述的GNSS接收机具有输出伪距和载波相位的能力；

所述的通信模块具有获得伪距和载波相位的改正数据的能力。

2.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的GNSS接收机为单模接收机或多模接收机。

3.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的GNSS接收机为单频接收机或多频接收机。

4.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的PPP模块中置入GNSS接收机天线位置信息。

5.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的鉴相器采用模拟门电路或FPGA。

6.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的环路滤波器、第一环路滤波器和第二环路滤波器采用PLL环路滤波器或基于Kalman Filter的自适应数字滤波器。

7.如权利要求1所述的基于GNSS接收机的授时终端设备，其特征是：

所述的压控可调晶振为温补晶振、温控晶振、电压控制－温补晶体振荡器、电压控制－恒温晶体振荡器或原子钟。

8.一种基于GNSS接收机的秒脉冲驯服方法，基于权利要求1所述的包括一个环路滤波器的授时终端设备实现，其特征是，包括：

GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，所述的原始观测量包括伪距和载波相位，PPP模块通过通信模块获得原始观测量的改正数据；

根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得钟差估计值，并输出至钟差合成模块；

鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差，并输出至钟差合成模块；

钟差合成模块将钟差估计值和相位误差合成获得总相位偏差，并输至环路滤波器；

环路滤波器对总相位偏差进行滤波，数模转换模块对滤波结果进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生秒脉冲并输出至鉴相器。

9.一种基于GNSS接收机的秒脉冲驯服方法，基于权利要求1所述的包括两个环路滤波器的授时终端设备实现，其特征是，包括：

GNSS接收机输出的原始观测量和秒脉冲分别输入PPP模块和鉴相器，所述的原始观测量包括伪距和载波相位，PPP模块通过通信模块获得原始观测量的改正数据；

根据原始观测量和改正数据，PPP模块采用精密单点定位法进行解算获得钟差估计值，并输出至第二环路滤波器，第二环路滤波器对PPP模块的输出进行滤波；

鉴相器对GNSS接收机和压控可调晶振产生的秒脉冲进行鉴相，获得两路秒脉冲的相位误差，相位误差经第一环路滤波器进行滤波；

钟差合成模块对第一环路滤波器和第二环路滤波器输出的滤波后的钟差估计值和相位误差进行合成，获得总相位偏差；

数模转换模块对总相位偏差进行数模转换获得模拟电压信号，压控可调晶振在模拟电压信号控制下产生秒脉冲并输出至鉴相器。