CN108008424A - 一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法和装置。通过晶振等频率基准器件首先产生粗略的计时信号TIC；在TIC信号前沿锁存卫星信号的伪码相位、载波多普勒值等观测量；结合导航电文中卫星位置、伪距修正等参数进行定位解算，获得位置、速度、钟差和钟漂；然后利用钟差和钟漂值计算出下一个TIC信号周期的调整量，最后对TIC信号进行调整，并以此生成准确的1PPS秒脉冲信号。以解决现有卫星导航接收机仅使用钟差来产生秒脉冲其偏差较大的问题，克服使用锁相环来稳定控制生成秒脉冲方法运算量大的不足。

Description

一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种卫星导航接收机本地时间、秒脉冲的生成方法以及相应的装置。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可在全球范围内为用户提供全天候、连续、精确的位置、速度及时间等信息，该系统的应用早已渗透到经济、社会和军事等多方面。目前，空间主要有中国的北斗(BeiDou)、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo这四大全球卫星导航系统。

卫星导航接收机用于接收上述卫星导航系统信号，实现位置定位和授时功能。卫星导航接收机通过接收4颗以上卫星信号，对卫星信号进行捕获和跟踪，测量出对应的伪距，再结合卫星播发电文中的卫星位置参数、伪距修正参数等，进行PVT(位置、速度与时间)解算，得到接收机本地时间与GNSS系统时之间的钟差。现有技术中基于锁相环的秒脉冲校准方法，方法过于复杂，对硬件资源要求较高；其他仅使用钟差来产生秒脉冲的方法，虽然简单，但精度偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有卫星导航接收机仅使用钟差来产生秒脉冲其精度偏差较大的问题，以及克服使用锁相环来稳定控制生成秒脉冲方法运算量大的不足，提出了一种新型的卫星导航接收机秒脉冲的生成方法和装置。

为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，该方法步骤包括：

S1：利用计数器对频率基准单元计数来产生粗略的TIC信号，在TIC信号前沿锁存导航卫星信号伪码相位和载波多普勒值；

S2：根据锁存的伪码相位和载波多普勒值进行解算，获得位置、速度、时间、钟差和钟漂；

S3：利用钟差和钟漂计算出下一个TIC信号周期的调整量；

S4：对TIC信号周期的调整量进行限定和实施调整；

S5：产生与TIC信号相比仅相位不同的信号TIC1，选取TIC1中最靠近UTC整秒点的脉冲进行输出，得到1PPS秒脉冲。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

S11：所述计数器的计数周期即为接收机输出定位解算最高频率的倒数，在每个计数周期仅输出一个脉冲信号；

S12：在TIC信号前沿将卫星信号伪码相位和载波多普勒值保存到相应内存中。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31：依据本次定位解算计算的钟差Clk_offset和钟漂Clk_drift计算对应的GNSS系统时T_GNSS时；

S32：计算T_GNSS时与期望的GNSS系统时之间的时间误差量Clk_error；

S33：判定时间误差量Clk_error是否超出TIC信号周期T_TIC的0.5倍值，若是则将时间误差量Clk_error减去T_TIC；

S34：以本次TIC对应的时间误差量Clk_error及本次TIC定位解算出的钟漂Clk_drift计算下次TIC信号的调整量Cali_time:

Cali_time＝1/(1-Clk_drift)×(Clk_error-T_TIC×Clk_drift)

S35：将TIC信号调整量Cali_time输出至时间基准模块。

优选的，所述步骤S4进一步包括：

S41：设定调整量ΔTmax取值范围为

3×f_ppm×T_TIC～min(0.5×T_TIC,T_TIC-T_定位解算)，f_ppm是所使用的频率基准器件的频率准确度指标，T_定位解算是每次定位解算所占用时间,如果调整量超过ΔTmax则按ΔTmax进行调整；

S42：确定调整量的生效时间点，该时间点晚于定位解算完成时刻，并且早于下一个TIC脉冲前沿时刻减去最大调整量得到的时刻；

S43：通过更改计数器的计数值实现调整，计数器数值在调整量生效时刻的变化量就是对应时间调整量。

优选的，所述步骤S5进一步包括：

S51：确定初始相位值φ，利用该值去除导航接收机秒脉冲零值误差；

S52：产生一个TIC1信号，该信号与TIC始终保持固定的相位差φ；

S53：识别出TIC1信号中距整秒点最近的脉冲，仅将该脉冲输出，其余脉冲均不输出。

本方案还提供一种用于实现上述方案的系统，包括：

天线、射频前端模块、捕获跟踪模块、观测量提取模块、电文解析模块、定位解算模块、供电模块以及时间基准模块；

所述天线用于接收卫星导航信号；

所述射频前端模块用于获取所述天线接收到的卫星导航信号，并将信号进行放大、滤波、下变频和/或模数转换处理；

所述捕获跟踪模块用于捕获所述射频前端模块处理过的卫星信号，并在所述时间基准模块的控制下更新跟踪环路实现对信号的跟踪；

所述观测量提取模块用于在时间基准模块中本地时间计时信号TIC前沿提取伪码相位和载波多普勒值；

所述电文解析模块用于解析卫星导航电文，获取各卫星参数；

所述定位解算模块用于计算TIC信号前沿与UTC时间之间的差值，将该时间差作为调整量输出至所述时间基准模块。

所述时间基准模块用于产生提取观测量所需要使用的TIC信号，产生捕获跟踪模块所需环路更新信号以及输出1PPS秒脉冲信号；

所述时间基准模块利用频率基准器件产生和调整卫星导航接收机所需与时间相关的信号，包括跟踪环路更新信号，1PPS秒脉冲和TIC信号。

所述时间基准模块将在下一个TIC脉冲产生之前实施对TIC信号周期的调整，实现TIC信号与UTC时间同步。

供电模块用于将外部输入电压转换成装置内各电路器件所需供电电压。

通过采用上述方案，使其与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明实施例提供的卫星导航接收机秒脉冲的生成方法和装置充分考虑了接收机钟漂的影响，同解算后的钟差一同用于本地时间的调整，提高了秒脉冲时间精度；同已有的基于锁相环的秒脉冲校准方法比，本发明方案简单易行，更适用于硬件资源紧张的场合；本发明使用存储在软件中的初始相位消除秒脉冲零值，有效解决了装置的差异对秒脉冲的零值的影响，使秒脉冲零值修改方便灵活；本发明在TIC信号的基础上产生秒脉冲，可以根据实际需要灵活配置秒脉冲的周期：产生脉冲信号TIC1与产生TIC信号使用同一个计数器，确保相位之外参数完全一致，避免误差的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的卫星导航接收机秒脉冲生成装置的功能框图；

图2为本发明实施例提供的时间基准模块电路结构图；

图3为本发明实施例提供的卫星导航接收机秒脉冲生成方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的计算TIC信号周期调整量的流程图；

图5为本发明实施例提供的计算TIC信号周期调整量的示意图；

图6为本发明实施例提供的确定TIC调整生效时刻点的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本方案进行进一步说明，通过以下说明，本发明的优点和特征将更加清楚，需要说明的是，附图均采用非精确比例绘制，仅用于辅助详细说明本实施例目的。

实施例1

下面结合附图进一步描述本发明的生成方法，参照图3，具体包括以下步骤：

S1：利用计数器对频率基准单元计数来产生粗略的TIC信号，在TIC信号前沿锁存导航卫星信号伪码相位和载波多普勒值；

S2：根据锁存的伪码相位和载波多普勒值进行解算，获得位置、速度、时间、钟差和钟漂；

S3：利用钟差和钟漂计算出下一个TIC信号周期的调整量；

S4：对TIC信号周期的调整量进行限定和实施调整；

S5：产生与TIC信号相比仅相位不同的信号TIC1，选取TIC1中最靠近UTC整秒点的脉冲进行输出，得到1PPS秒脉冲。

所述步骤S1具体完成以下内容：利用计数器对晶振等频率基准器件输出时钟计数来产生粗略的TIC信号，计数器的计数周期即为导航接收机定位解算最高频率的倒数，在每个计数周期仅输出一个脉冲信号。该计数器称为TIC计数器，晶振频率为f₁,定位解算结果的输出频率最高为f₂，那么计数器的计数周期为f₁/f₂。卫星导航接收机加电后，TIC计数器从0开始计数，当计数值达到f₁/f₂时，输出高电平并且将计数器清零。在TIC信号前沿将卫星导航信号伪码相位和载波多普勒值保存到相应内存中。观测量提取模块在检测到TIC信号上升沿时，将伪码相位和载波多普勒值保存到所分配的地址中，供后续定位解算模块使用。

所述步骤S2具体包括：

接收机定位解算时提取TIC(i)时刻保存的观测量(伪码相位、载波多普勒值等)，通过接收解析的导航电文计算本次TIC(i)时刻卫星位置、速度，构建解算方程，经最小二乘等定位解算方法最终计算出接收机的位置、速度、钟差和钟漂。

根据解算出的钟差和钟漂将本地时间与GNSS系统时间同步。

T_GNSS时＝T_本地时间-Clk_offset

上式中T_GNSS时为接收机本地时间T_本地时间对应的GNSS系统时；Clk_offset为本地时和GNSS系统时之间的钟差，可通过最近一次定位解算时TIC(i)对应计算的钟差Clk_offset(i)、钟漂Clk_drift(i)计算，具体如下：

Clk_offset＝Clk_offset(i)+Clk_drift(i)×Δt

上式中Δt为从GNSS系统时的角度看，当前时间点与最近一次定位解算时TIC(i)的时间间隔。

请参阅图4，在上述步骤S3中计算下一个TIC信号周期的调整量，具体包括以下步骤：

S31，依据本次定位解算计算的钟差Clk_offset(i)和钟漂Clk_drift(i)计算对应的GNSS系统时T_GNSS时；

S32，计算T_GNSS时与期望的GNSS系统时之间的时间误差量Clk_error(i)；

S33，判定时间误差量Clk_error(i)是否大于0.5×T_TIC，若是则时间误差量Clk_error(i)应减去T_TIC；由于TIC信号是周期信号，所以对TIC信号的调整没必要超出0.5×T_TIC，也就是调整控制在(-0.5×T_TIC～0.5×T_TIC)之间。

S34，以本次TIC对应的时间误差量Clk_error(i)及本次TIC定位解算出的钟漂Clk_drift(i)计算下次TIC的时间调整量Cali_time，参阅图5计算过程如下：

从接收机本地时角度看，本地T_TIC为TIC(i+1)‐TIC(i)，由于本地频率基准器件(一般为温补晶振TCXO)钟漂的影响，若不调整本地计时周期，本地时将越来越不准。为此在下次计时点TIC(i+1)来临前调整，调整量为Cali_time，确保调整后的计时点与GNSS系统时计时点对齐。调整后的时间间隔为：

Δt＝TIC(i+1)_调整后-TIC(i)

＝TIC(i+1)-Cali_time-TIC(i)

＝T_TIC-Cali_time

考虑本地钟漂Clk_drift(i)影响，该时间间隔换算到GNSS时间系统为

Δt×(1-Clk_drift(i))

从GNSS系统时间看，这段时间间隔也即:T_TIC-Clk_error(i)，由上式可得

T_TIC-Clk_error(i)＝(T_TIC-Cali_time)×1/(1-Clk_drift(i))

即本地时间的调整量Cali_time为：

Cali_time＝1/(1-Clk_drift(i))×(Clk_error(i)-T_TIC×Clk_drift(i))

S35，将本地时间的调整量Cali_time输出给接收机时间基准模块。

所述步骤S4具体完成以下内容：

S41，完成TIC信号调整量限幅操作，调整量门限值的确定方法如下：

调整量门限值取值范围下限确定方法为：根据所使用晶振的频率准确度指标，估算出TIC周期内发生的时间偏差，该时间偏差的3倍可以作为调整量最大值的下限，即3×f_ppm×T_TIC。如果TIC周期为1s，按照目前晶振的频率准确度为1ppm，晶振在1s之内累积的误差最大值为1us，按3SIGMA，则99.7％的1s累积误差值在3us之内。调整量门限值取值范围下限为3us。

调整量门限值取值范围上限确定方法为：在TIC周期的0.5倍数值与定位解算结束到下一个TIC之间的间距值中取较小的值，即min(0.5×T_TIC,T_TIC-T_定位解算)。若接收机的TIC周期为100ms，定位解算结束时为85ms，那么调整量门限值取值范围限定为15ms。

定位解算得到的调整量超过了门限值，则按门限值进行调整，只需经过连续多次调整，TIC能够调整到位。

S42，确定调整量生效时间点，该时间点必须晚于定位解算完成时刻，并且早于下一个TIC脉冲前沿时刻减去最大调整量得到的时刻，参考图6。

S43，实施TIC信号调整，具体内容为：通过更改TIC计数器的计数值实现调整，计数器数值在调整量生效时刻的变化量就是对应时间调整量。假如晶振值为62MHz，TIC周期为100ms，调整量为周期缩短1ms(1ms对应计数个数为62000)，并且调整量生效点选定在两个TIC信号中间时刻。那么TIC计数器的范围为0～6199999。其正常计数次序为0→1→2→…→6199999→0→1…，当秒脉冲计数器计数到3099999时刻时，下一个时钟沿时刻，计数器的值为3100000+62000，然后继续步长为1计数。

所述步骤S5具体包括以下内容：

利用初始相位值φ去除接收机秒脉冲零值。φ的确定方法为：首先令φ为0，通过测试设备比对接收机秒脉冲与卫星信号模拟器输出的秒脉冲之间的固定时间差，可获得秒脉冲零值。将该秒脉冲零值保存到接收机中，用于控制秒脉冲的初始相位φ。

产生一个TIC1信号，该信号与TIC始终保持固定的相位差φ。TIC1信号与TIC信号由同一个计数器即TIC计数器产生，该两个信号唯一的区别在于相位差φ。TIC1信号在TIC计数器达到f₁/f₂-φ时产生高电平，其他时间均为低电平。其中f₁为晶振频率，f₂为定位结果的输出的最高频率。

识别出TIC1信号中距离整秒点最近的脉冲，仅将该脉冲输出，其余脉冲均不输出，该脉冲即为1PPS秒脉冲。定位解算模块中将定位解算获得的时间对秒取模，如果取模后小于TIC周期，说明刚刚发生的TIC信号是最靠近UTC整秒点的TIC信号。时间基准模块根据整秒点指示信号，在整秒点指示信号有效时对PPS计数器清零，PPS计数器对TIC1信号递增计数，当计数达到PPS周期并且检测到TIC1信号的上升沿时刻，产生1PPS秒脉冲信号的上升沿，同时对PPS计数器清零。

实施例2

通过本发明方式实现秒脉冲生成的装置主要由接收天线、射频前端模块、捕获跟踪模块、观测量提取模块、电文解析模块、定位解算模块以及时间基准模块组成。首先天线接收卫星导航信号后输出至射频前端，信号在射频前端中被放大、滤波、下变频和模数转换处理。然后捕获跟踪模块捕获卫星信号，并在时间基准模块的控制下更新跟踪环路实现对信号的跟踪；观测量提取模块在时间基准模块中本地时间计时信号TIC前沿提取伪码相位和载波多普勒值，供后续导航定位解算模块使用。电文解析模块实现对卫星导航电文的解析，获取各卫星参数。之后定位解算模块根据伪码相位、载波多普勒值以及导航电文构建解算方程，得到时间、位置、速度、钟差和钟漂，然后通过钟差和钟漂计算出TIC信号前沿与UTC时间之间的差值，将该时间差作为调整量输出至时间基准模块。最后时间基准模块利用频率基准器件产生或调整卫星导航接收机所需与时间相关的信号，包括跟踪环路更新信号，1PPS秒脉冲和TIC信号。时间基准模块将在下一个TIC脉冲产生之前实施对TIC信号周期的调整，实现TIC信号与UTC时间同步。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，其特征为，该方法步骤包括：

S1：利用计数器对频率基准单元计数来产生粗略的TIC信号，在TIC信号前沿锁存导航卫星信号伪码相位和载波多普勒值；

S2：根据锁存的伪码相位和载波多普勒值进行解算，获得位置、速度、时间、钟差和钟漂；

S3：利用钟差和钟漂计算出下一个TIC信号周期的调整量；

S4：对TIC信号周期的调整量进行限定和实施调整；

S5：产生与TIC信号相比仅相位不同的信号TIC1，选取TIC1中最靠近UTC整秒点的脉冲进行输出，得到1PPS秒脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，其特征为，所述步骤S1进一步包括：

S11：所述计数器的计数周期即为接收机输出定位解算最高频率的倒数，在每个计数周期仅输出一个脉冲信号；

S12：在TIC信号前沿将卫星信号伪码相位和载波多普勒值保存到相应内存中。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，其特征为，所述步骤S3进一步包括：

S31：依据本次定位解算计算的钟差Clk_offset和钟漂Clk_drift计算对应的GNSS系统时T_GNSS时；

S32：计算T_GNSS时与期望的GNSS系统时之间的时间误差量Clk_error；

S33：判定时间误差量Clk_error是否超出TIC信号周期T_TIC的0.5倍值，若是则将时间误差量Clk_error减去T_TIC；

S34：以本次TIC对应的时间误差量Clk_error及本次TIC定位解算出的钟漂Clk_drift计算下次TIC信号的调整量Cali_time:

Cali_time＝1/(1-Clk_drift)×(Clk_error-T_TIC×Clk_drift)

S35：将TIC信号调整量Cali_time输出至时间基准模块。

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，其特征为，所述步骤S4进一步包括：

S41：设定调整量ΔTmax取值范围为3×f_ppm×T_TIC～min(0.5×T_TIC,T_TIC-T_定位解算)，f_ppm是所使用的频率基准器件的频率准确度指标，T_定位解算是每次定位解算所占用时间，如果调整量超过ΔTmax则按ΔTmax进行调整；

S42：确定调整量的生效时间点，该时间点晚于定位解算完成时刻，并且早于下一个TIC脉冲前沿时刻减去最大调整量得到的时刻；

S43：通过更改计数器的计数值实现调整，计数器数值在调整量生效时刻的变化量就是对应时间调整量。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机秒脉冲的生成方法，其特征为，所述步骤S5进一步包括：

S51：确定初始相位值φ，利用该值去除导航接收机秒脉冲零值误差；

S52：产生一个TIC1信号，该信号与TIC始终保持固定的相位差φ；

S53：识别出TIC1信号中距整秒点最近的脉冲，仅将该脉冲输出，其余脉冲均不输出。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种卫星导航接收机秒脉冲产生的装置，其特征在于，包括：

天线、射频前端模块、捕获跟踪模块、观测量提取模块、电文解析模块、定位解算模块、供电模块以及时间基准模块；

所述天线用于接收卫星导航信号；

所述射频前端模块用于获取所述天线接收到的卫星导航信号，并将信号进行放大、滤波、下变频和/或模数转换处理；

所述捕获跟踪模块用于捕获所述射频前端模块处理过的卫星信号，并在所述时间基准模块的控制下更新跟踪环路实现对信号的跟踪；

所述观测量提取模块用于在时间基准模块中本地时间计时信号TIC前沿提取伪码相位和载波多普勒值；

所述电文解析模块用于解析卫星导航电文，获取各卫星参数；

所述定位解算模块用于计算TIC信号前沿与UTC时间之间的差值，将该时间差作为调整量输出至所述时间基准模块。

所述时间基准模块用于产生提取观测量所需要使用的TIC信号，产生捕获跟踪模块所需环路更新信号以及输出1PPS秒脉冲信号；

供电模块，用于将外部输入电压转换成装置内各电路器件所需供电电压。

7.根据权利要求6所述的一种卫星导航接收机秒脉冲产生的装置，其特征在于，所述时间基准模块利用频率基准器件产生和调整卫星导航接收机所需与时间相关的信号，包括跟踪环路更新信号，1PPS秒脉冲和TIC信号。

8.根据权利要求6所述的一种卫星导航接收机秒脉冲产生的装置，其特征在于，所述时间基准模块将在下一个TIC脉冲产生之前实施对TIC信号周期的调整，实现TIC信号与UTC时间同步。