CN108333604B - 一种利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置，包括获取卫星观测信息，利用卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差；根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。本申请通过检测接收机位置坐标是否已知，自适应地支持了固定坐标及坐标未知两种授时模式，有效地解决了接收机位置坐标对单站法授时应用的限制，提高了全球导航卫星系统的授时可用性。

Description

一种利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位、授时技术领域，尤其涉及一种利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置。

背景技术

随着现代科技信息技术的快速发展，军事、航天、深空探测、通信、交通、电力、金融、国防等各行各业，对时间和频率的精度要求越来越高，高精度时间基准已经成为通信、电力、广播电视、安防监控、工业控制等领域的基础保障平台之一。

采用GNSS卫星授时是目前远距离、大范围内高精度时间同步最有效的方式。GNSS授时方法包括共视法和单站法两种方法。目前，单频多通道接收机短基线共视时间传递精度可达2.5纳秒(ns)，但共视法授时要求用户进行同步观测，灵活性小，且同步观测的接收机间性能偏差对授时精度存在影响，伪距共视授时精度也有限。单站法无需同步观测，属于无源授时，使用灵活便利，可以实现任意多个用户同时进行授时服务。

使用单站法授时时，若测站坐标已知，用户仅需观测一颗卫星即可实现授时，普通双频接收机非校正模式授时精度可达ns级，但该方法需精确已知测站坐标，授时精度高但无法适应测站坐标未知或坐标精度较低场景；若测站坐标未知，用户需观测到四颗及其以上卫星，首先解算出用户坐标后才能实现授时，该方法能在全球范围、全天候内实现连续授时，在各种场景包括高动态时均可用，但授时精度取决于瞬时解算的用户坐标精度。

因此，在单站法授时中，用户的坐标精度直接决定最终的授时精度。但是，现有的固定坐标模式授时精度高但适用性差，坐标未知模式可用性强但会损失授时精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置，能够自适应地支持固定坐标及坐标未知两种授时模式。

为了达到本发明目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种卫星授时方法，包括：

获取卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；

检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；

利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差；

根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

进一步地，当观测到多颗可用卫星时，在对接收机本地时钟进行调整之前，所述方法还包括：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差。

进一步地，在所述计算当前时刻的接收机位置坐标之后且所述计算接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用前一时刻的所述接收机位置坐标对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标；

此时，所述利用计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差，为利用修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标计算接收机钟差。

进一步地，使用如下公式对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标：

其中，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量的误差方差，X_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值，var_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值的误差方差。

本发明实施例还提供了一种利用卫星定位的方法，包括：

获取卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；

利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；

利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

本发明实施例还提供了一种卫星授时方法，包括：

获取各颗卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，得到各颗卫星修正后的伪距观测值；

利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；

确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差；

根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

进一步地，在所述利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标。

进一步地，在所述利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标之后，且所述利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

本发明实施例还提供了一种卫星授时装置，包括第一获取单元、第一误差修正单元、检测单元、第一位置计算单元、第一钟差计算单元和第一授时单元，其中：

第一获取单元，用于获取卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第一误差修正单元；

第一误差修正单元，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将修正后的伪距观测值输出至第一位置计算单元；将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第一钟差计算单元；

检测单元，用于检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，通知第一位置计算单元；如果接收机位置坐标已知，将已知的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元；

第一位置计算单元，用于接收到检测单元的通知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，将计算出的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元；

第一钟差计算单元，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差，将计算出的接收机钟差输出至第一授时单元；

第一授时单元，用于根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

本发明实施例还提供了一种利用卫星定位的装置，包括第二获取单元、第二误差修正单元和第二位置计算单元，其中：

第二获取单元，用于获取卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第二误差修正单元；

第二误差修正单元，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将修正后的伪距观测值输出至第二位置计算单元；

第二位置计算单元，用于利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，并利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

本发明实施例还提供了一种卫星授时装置，包括第三获取单元、第三误差修正单元、第三钟差计算单元和第三授时单元，其中：

第三获取单元，用于获取各颗卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第三误差修正单元；

第三误差修正单元，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第三钟差计算单元；

第三钟差计算单元，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差，将最终的接收机钟差输出至第三授时单元；

第三授时单元，用于根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

本发明的技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的利用卫星定位的方法和装置、卫星授时方法和装置，通过检测接收机位置坐标是否已知并在接收机位置坐标未知时计算当前时刻的接收机位置坐标，自适应地支持了固定坐标及坐标未知两种授时模式，有效地解决了接收机位置坐标对单站法授时应用的限制，提高了全球导航卫星系统的授时可用性；

进一步地，通过对计算出的接收机位置坐标进行修正，提高了全球导航卫星系统的授时精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例的一种卫星授时方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例的一种利用卫星定位的方法的流程示意图；

图3为本发明第二实施例的一种卫星授时方法的流程示意图；

图4为本发明第一实施例的一种卫星授时装置的结构示意图；

图5为本发明第一实施例的一种利用卫星定位的装置的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的一种卫星授时装置的结构示意图；

图7为本发明第三实施例的一种卫星授时装置的结构示意图；

图8为本发明优选实施例中GNSS接收机实现授时的方法的流程图；

图9为本发明优选实施例中GNSS接收机实现授时的装置的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，根据本发明的一种卫星授时方法，包括如下步骤：

步骤101：获取卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；

需要说明的是，关于如何利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项属于本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述，并不用来限制本申请。

步骤102：检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；

具体地，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标的方法可以为卡尔曼滤波法或最小二乘法。对卡尔曼滤波法或最小二乘法的应用属于本领域技术人员的公知技术，这里不再赘述。也可以采用其它的参数估计方法，这里并不对此做限定，也不用于限定本发明的保护范围。

进一步地，在步骤102计算当前时刻的接收机位置坐标之后，所述卫星授时方法还包括：

利用前一时刻的所述接收机位置坐标对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标。

需要说明的是，当接收机位置坐标未知时，已有的方法是在解算接收机位置坐标的同时，求解接收机钟差用于授时，但是同时求解接收机位置坐标和接收机钟差，受观测卫星几何构型的影响，坐标项与钟差项不能完全分离，对坐标项估计的偏差会被钟差项吸收，在卫星观测条件较差时直接估计的接收机钟差精度和稳定性较低。并且由于不精确的建模或复杂观测环境及硬件噪声引起的残余误差项，导致在直接解算获取的当前接收机位置坐标中，存在着随机误差。

为了抑制短期不确定的偏差项，利用前一时刻确定的用户坐标信息对当前时刻解算的坐标进行平滑，组合的权值由其误差协方差矩阵的比值确定。需要强调的是，本发明实施例中，正是因为综合考虑了影响用户坐标、钟差的各项短期不确定项，采用平滑的方式更有效的提高了授时的精度和稳定性。

在本发明一实施例中，使用如下公式对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标：

其中，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量的误差方差，X_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值，var_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值的误差方差。

步骤103：利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差；

进一步地，当观测到多颗可用卫星时，步骤103还包括：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差。

进一步地，根据各颗卫星的观测值质量及各系统卫星观测值的整体精度，确定各颗卫星的伪距观测值权重。

示例性的，对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均的计算公式为：

其中，dt_ur为各GNSS卫星系统的接收机钟差，sys表示GNSS卫星系统，包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GALILEO等，w_i为第i颗卫星的伪距观测值的权重，

为第i颗卫星确定的接收机钟差。

步骤104：根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种利用卫星定位的方法，包括如下步骤：

步骤201：获取卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；

需要说明的是，关于如何利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项属于本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述，并不用来限制本申请。

步骤202：利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；

进一步地，当观测到多颗可用卫星时，步骤202具体包括：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据修正后的各颗卫星的伪距观测值和确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，采用高斯牛顿迭代法求解得到当前时刻的接收机位置坐标。

步骤203：利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

需要说明的是，此处关于如何利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标，如前文所述，此处不再赘述。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种卫星授时方法，包括如下步骤：

步骤301：获取各颗卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，得到各颗卫星修正后的伪距观测值；

需要说明的是，关于如何利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项属于本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述，并不用来限制本申请。

进一步地，如果接收机位置坐标未知，步骤301得到各颗卫星修正后的伪距观测值之后，所述方法还包括：

利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标。

进一步地，在所述利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标之后，所述方法还包括：

利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

需要说明的是，此处关于如何利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标，如前文所述，此处不再赘述。

步骤302：利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；

步骤303：确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差；

需要说明的是，此处关于如何确定各颗卫星的伪距观测值的权重以及如何根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，如前文所述，此处不再赘述。

步骤304：根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

如图4所示，本发明还提供了一种卫星授时装置，包括第一获取单元401、第一误差修正单元402、检测单元403、第一位置计算单元404、第一钟差计算单元405和第一授时单元406，其中：

第一获取单元401，用于获取卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第一误差修正单元402；

第一误差修正单元402，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将修正后的伪距观测值输出至第一位置计算单元404；将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第一钟差计算单元405；

检测单元403，用于检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，通知第一位置计算单元404；如果接收机位置坐标已知，将已知的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元405；

第一位置计算单元404，用于接收到检测单元403的通知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，将计算出的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元405；

第一钟差计算单元405，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差，将计算出的接收机钟差输出至第一授时单元406；

第一授时单元406，用于根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

具体地，第一位置计算单元404的利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标的方法可以为卡尔曼滤波法或最小二乘法。对卡尔曼滤波法或最小二乘法的应用属于本领域技术人员的公知技术，这里不再赘述。也可以采用其它的参数估计方法，这里并不对此做限定，也不用于限定本发明的保护范围。

进一步地，在计算当前时刻的接收机位置坐标之后，第一位置计算单元404还用于：

利用前一时刻的所述接收机位置坐标对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标。

在本发明一实施例中，第一位置计算单元404使用如下公式对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标：

其中，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量的误差方差，X_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值，var_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值的误差方差。

进一步地，当观测到多颗可用卫星时，第一钟差计算单元405还用于：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差。

进一步地，第一钟差计算单元405根据各颗卫星的观测值质量及各系统卫星观测值的整体精度，确定各颗卫星的伪距观测值的权重。

示例性的，第一钟差计算单元405对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均的计算公式为：

其中，dt_ur为各GNSS卫星系统的接收机钟差，sys表示GNSS卫星系统，包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GALILEO等，w_i为第i颗卫星观测值的权重，

为第i颗卫星确定的接收机钟差。

如图5所示，本发明还提供了一种利用卫星定位的装置，包括第二获取单元501、第二误差修正单元502和第二位置计算单元503，其中：

第二获取单元501，用于获取卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第二误差修正单元502；

第二误差修正单元502，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将修正后的伪距观测值输出至第二位置计算单元503；

第二位置计算单元503，用于利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，并利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

进一步地，当观测到多颗可用卫星时，第二位置计算单元503的利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，包括：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据修正后的各颗卫星的伪距观测值和确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，采用高斯牛顿迭代法求解得到当前时刻的接收机位置坐标。

如图6所示，本发明还提供了一种卫星授时装置，包括第三获取单元601、第三误差修正单元602、第三钟差计算单元603和第三授时单元604，其中：

第三获取单元601，用于获取各颗卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第三误差修正单元602；

第三误差修正单元602，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第三钟差计算单元603；

第三钟差计算单元603，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差，将最终的接收机钟差输出至第三授时单元604；

第三授时单元604，用于根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

进一步地，如图7所示，如果接收机位置坐标未知，所述卫星授时装置还包括第三位置计算单元605，其中：

第三误差修正单元602还用于，将修正后的伪距观测值输出至第三位置计算单元605；

第三位置计算单元605，用于利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，并将计算出的当前时刻的接收机位置坐标输出至第三钟差计算单元603。

进一步地，第三位置计算单元605在利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标之后，还用于：

利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

需要说明的是，此处关于第三位置计算单元605如何利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标，如前文所述，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了几个优选地实施例对本发明进行进一步解释，但是值得注意的是，该优选实施例只是为了更好的描述本发明，并不构成对本发明不当的限定。下面的各个实施例可以独立存在，且不同实施例中的技术特点可以组合在一个实施例中联合使用。

与现有技术相比，本发明方法包括：根据获得的观测卫星信息对影响伪距观测值的各误差项进行修正；根据用户坐标已知或未知，自适应的获取用户测站的坐标；根据获取的用户坐标、卫星坐标、修正的伪距观测值及各误差项，计算得到平滑后的各GNSS系统接收机钟差；根据计算得到的系统接收机钟差对本地时间进行调整，完成授时。本发明实施例中，采用单站授时，支持外部输入静态用户的精确坐标，实现较高的授时精度，同样支持接收机实时解算用户坐标后实现授时，满足静态用户坐标未知及动态用户的授时需求，另外还支持坐标未知的静态用户在实时定位一段时间后得到高精度稳定的坐标将其作为固定坐标进行授时，解决了授时装置由于用户坐标状态而只能采用单一授时模式的限制。

进一步地，本发明实施例在实时解算用户坐标时采用位置平滑的坐标作为GNSS系统解算接收机钟差的输入项，能有效抑制由于不精确的误差建模或复杂观测环境及硬件噪声引起的短期不确定偏差项。

进一步地，本发明实施例在计算各卫星系统接收机钟差时，通过对当前GNSS系统内各颗卫星计算得到的接收机钟差进行加权平均得到当前卫星系统接收机钟差的期望值，得到当前时刻该系统接收机钟差的最优估计值。

本发明实施例提供了一种多模多频率GNSS接收机实现授时的方法，包括：

根据获得的观测卫星信息计算影响伪距观测值的各误差项，得到修正后的精度较高的伪距观测值；

获取用户的精确坐标；若用户坐标精确已知，则直接使用已知的坐标；

可选地，若用户坐标未知或已知坐标精度较差时，则利用修正后的伪距观测值估计用户接收机的坐标；并利用先前的坐标信息对估算的接收机坐标进行平滑，得到平滑后的用户坐标；

根据卫星坐标、平滑后用户坐标(或已知的用户坐标)、修正后伪距观测值、各误差项解算接收机钟差，并对各GNSS系统接收机钟差进行平滑；

根据解算出的系统接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

可选地，所述方法之前还包括：

获取GNSS接收机的伪距原始观测值和载波相位原始观测值。

可选地，根据获得的观测卫星信息计算影响伪距观测值的各误差项，包括：

与卫星相关的误差、信号传播相关的误差及与接收机相关的误差，对这些误差引起的卫星观测信号的延迟或超前，采用建立误差模型或与其它观测值组合的方法进行相应的修正。

本发明实施例还提供了一种GNSS接收机实现授时的装置，包括：误差修正单元、坐标获取单元、钟差计算单元和秒脉冲(Pulse Per Second，PPS)输出单元，其中：

误差修正单元，用于对影响观测值的各误差项进行建模或与其它观测值组合进行消除(或削弱)，观测值误差项主要包括卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径和观测噪声等；

坐标获取单元，用于获取用户的精确坐标；若用户坐标精确已知，则直接使用已知的坐标计算各GNSS系统接收机钟差，该模式只需一颗GNSS卫星即可实现授时；若用户坐标未知，根据修正后的伪距值建立与用户坐标的函数关系，解算得到用户的三维坐标，需观测到四颗及其以上卫星完成实时定位解算；并利用先前的坐标信息对当前时刻的用户坐标进行平滑，得到平滑后的用户坐标；

钟差计算单元，用于对当前时刻所有GNSS卫星，根据卫星坐标、平滑后用户坐标、修正后伪距、各误差项解算得到接收机钟差，并对各GNSS系统接收机钟差进行平滑，得到平滑后的各GNSS系统接收机钟差；

PPS输出单元，根据解算出的系统接收机钟差对本地时钟的基准脉冲进行调整，使GNSS接收机的本地时间与系统时间同步。

可选地，所述装置还包括：

观测值获取单元，用于获取所述GNSS接收机的伪距原始观测值和载波相位原始观测值。

用户设备接收GNSS卫星播发的导航信号，获得连续的GNSS系统时间，通过定位、授时算法获得本地时钟与GNSS系统时钟的偏差，根据偏差信息对用户设备时间进行调整，完成授时。然而，GNSS卫星信号受到卫星有关误差、大气有关误差导致用户接收到的信号存在较大误差；此外，接收机在信号解调过程中会引入本地晶振抖动等各种器件随机噪声，导致用户恢复的本地时间虽然能保持GNSS系统时间的长期稳定度，但引入了短期的相位抖动。由GNSS信号传播和接收机本身特性引入的误差使得高精度的GNSS系统时间不能被用户充分利用，直接影响最终的授时精度。

一些特殊的行业应用中对授时精度的要求很高，但不能保证在任何场合均能提供精确的已知坐标，典型的应用场景有移动通信网络中的授时基站等，如果能在坐标已知时充分利用已知的精确坐标信息在各种观测条件下提供高精度的授时，包括观测环境较差如一颗卫星的情况下；而在坐标未知时实时解算用户坐标后进行授时，并对静态用户在一段较好的观测时段后将解算获得的高精度稳定的坐标作为固定坐标进行授时，这种自适应获取用户坐标及授时模式的方法和装置能极大地扩大授时技术的各种应用场景。

图8为本发明实施例中GNSS接收机实现授时的方法流程图，如图8所示，所述方法包括：

步骤801：根据获得的观测卫星信息计算影响伪距原始观测值的各误差项，得到修正后的精度较高的伪距观测值；

影响伪距原始观测值精度的各误差项包括：与卫星相关的误差、卫星信号传播相关误差及接收机相关误差等。对这些误差引起的伪距观测值信号的延迟或超前，采用建立误差模型或与其它观测值组合的方法进行相应的修正。各误差项影响消除越充分，则得到的伪距观测值精度越高，对GNSS定位及授时精度越有利。

充分考虑与卫星相关的误差、信号传播相关误差及接收机端的误差等，本发明中将GNSS接收机的伪距原始观测方程的实用形式表示如下：

公式(1)中，左边各项为可确定项：P_i表示频率f_i的伪距观测值，单位为米；c为光速；dt_sv表示卫星钟差；T表示对流层延迟误差；I表示频率为f₁的观测值所受的电离层延迟误差；M_p表示伪距观测值在信号传播路径上的多路径延迟；v_i表示伪距观测值的观测噪声；公式(1)中右边项为待确定项：R表示接收机实际位置至卫星间的几何距离；dt_ur表示当前系统的接收机钟差。

各误差项的修正包括：

与卫星相关的轨道误差和卫星钟差通过卫星导航电文中提供的修正系数建立模型进行修正，或利用外部高精度的卫星轨道和钟差数据进行改正；

电离层延迟误差，双频模式时采用无电离层组合进行消除，且使用无电离层相位组合平滑无电离层伪距；单频观测值常采用克罗布歇(klobuchar)电离层模型对该误差进行估计；通常模式下，电离层延迟误差对伪距观测值的影响较大，采用双频观测值组合能较好的消除；

对流层延迟误差，通过建立模型来削弱，可以采用萨斯塔莫宁(Saastamoinen)模型；

多路径延迟误差和接收机噪声，通常由载波相位观测值平滑伪距观测值减小到相对小的水平。

优选地，伪距观测值各项误差修正包括但不局限所述误差项及所述的修正方法。在条件允许时，可优选精度更高的轨道、钟差、电离层等数据，以及实时播发的轨道、钟差、电离层等改正数据，包括但不局限于星基增强系统(SBAS)和陆基增强系统(GBAS)各增强系统提供的辅助改正信息。

需要说明的是，载波相位观测值的精度为毫米级，比伪距观测值的精度高出两个量级。在本发明实施例中，正是因为利用载波相位观测值对伪距观测值进行平滑，更有效地提高了GNSS接收机的位置估计精度及授时精度。

需要说明的是，关于如何对影响伪距原始观测值的各种误差进行消除或削弱属于本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述，并不用来限制本申请。

步骤802：获取用户的精确坐标；

若用户坐标精确已知，则直接使用已知的坐标；

若用户坐标未知，根据修正后的伪距值建立与待求坐标的函数关系，解算得到用户的三维坐标；并利用先前的坐标信息对当前时刻的用户坐标进行平滑，得到平滑后的用户坐标，包括：

利用公式(1)建立修正后的伪距观测值与待估参数用户坐标、接收机钟差之间的观测模型，将公式(1)中的待确定项R线性化，等效表示为公式(2)：

公式(2)中,(X^k,Y^k,Z^k)为计算的当前卫星坐标；(X₀,Y₀,Z₀)为测站的近似坐标；R₀是从测站的近似坐标至卫星坐标间的几何距离；(r_x,r_y,r_z)为从测站近似位置至卫星视线方向在(x,y,z)方向的矢量；(Δx,Δy,Δz)、dt_ur为待解算的用户坐标与近似坐标间的偏差量、接收机钟差参数。

当前时刻该颗卫星的已知量与待求量间的线性关系如公式(3)所示：

公式(3)中，

是经过载波平滑后消除了部分误差项的伪距值。

对当前时刻的一组GNSS卫星观测量分别与待求量建立如公式(3)的线性误差方程组。

进一步地，根据各卫星的观测值质量及各系统卫星观测值的整体精度，对参与定位的各颗卫星观测值确定权重w，进行最优参数估计，采用高斯牛顿迭代法求解得到用户坐标和各系统接收机钟差。

本步骤中，可以利用扩展的卡尔曼滤波器或最小二乘方法来估计GNSS接收机的位置X_t和钟差信息，对于扩展的卡尔曼滤波器的初值，可以是来自外部设置的初始位置，也可以通过采用加权最小二乘进行估计。对扩展的卡尔曼滤波器及加权最小二乘估计的应用属于本领域技术人员的公知技术，这里不再赘述。也可以采用其它的参数估计方法，这里并不对此做限定，也不用于限定本发明的保护范围。

需要说明的是，在用户坐标未知时，目前的方法是将解算用户坐标时同时求解的接收机钟差用于授时，但该步骤将坐标和接收机钟差项同时求解，受观测卫星几何构型的影响，坐标项与钟差项不能完全分离，对坐标项估计的偏差会被钟差项吸收，在卫星观测条件较差时直接估计的接收机钟差精度和稳定性较低。并且直接解算获取的当前用户坐标，由于不精确的建模或复杂观测环境及硬件噪声引起的残余误差项，估计的坐标项存在着随机误差。为了抑制短期不确定的偏差项，利用前一时刻确定的用户坐标信息对当前时刻解算的坐标进行平滑，组合的权值由其误差协方差矩阵的比值确定。需要强调的是，本发明实施例中，正是因为综合考虑了影响用户坐标、钟差的各项短期不确定项，采用平滑的方式更有效的提高了授时的精度和稳定性。

本步骤中，利用前一时刻确定的用户坐标信息对当前时刻解算的坐标进行平滑，组合的权值由坐标误差方差的比值确定，对坐标项的平滑及对坐标方差项的平滑公式为：

上式中，X代表当前时刻三个坐标分量的估计值；var对应为三个坐标估计值的误差方差；

代表当前时刻平滑后的坐标项及误差方差项；下标t表示当前历元时刻。且当前时刻t的平滑值

同样会进入下一个时刻t+1的坐标平滑单元。本发明实施例中通过该平滑单元，充分利用了时序上的所有观测信息，利用GNSS卫星观测的长期稳定性削弱了观测值及硬件等引入的短期随机噪声的影响，有效的提高了用户坐标的精度及稳定性。

本发明实施例强调的是，若用户坐标为精确已知，则用户坐标实时解算及平滑步骤可省略，直接使用已知的精确坐标作为接收机钟差解算的输入，该模式在观测到一颗卫星时即可实现授时。若用户坐标未知，则利用观测到的四颗及四颗以上卫星实时解算出用户坐标再计算接收机钟差，并在用户静止状态下，将观测条件良好时的一段时间获取的稳定用户坐标作为固定坐标，直接用于授时。

步骤803：根据计算得到的卫星坐标、精确已知或平滑后的用户坐标、修正后伪距观测值、各误差项解算接收机钟差，并对各GNSS系统接收机钟差进行平滑；

对公式(1)进行等效变形，计算接收机钟差的公式如下：

上式(6)等效表示公式为：

公式(7)中：

为测量的信号传播时间；t为计算的信号传播时间；t_Σ表示信号传播延时。

对观测到所有有效卫星，均利用公式(7)计算出一个接收机钟差。在同一个卫星系统内，各颗卫星计算得到的接收机钟差与该系统接收机钟差的偏差在较短时间内变化非常小，近似认为其服从正态分布，通过对各卫星计算的接收机钟差进行加权平均得到其期望值，即得到当前时刻该系统接收机钟差的最优估计值。各卫星使用的权值为坐标解算单元中确定的权值w，各系统接收机钟差公式为：

上式中：sys表示GNSS卫星系统，包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GALILEO等。在用户坐标确定时，观测到一颗卫星即可确定该系统的接收机钟差。在用户坐标未知时，单系统需要观测至少4颗卫星用于计算信号传播时间t，多系统联合授时需要观测至少3+M颗有效的卫星计算各颗卫星的信号传播时间t及系统间钟差的偏差，得到各系统接收机钟差dt_ur。

步骤804：根据解算出的系统接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

需要说明的是，在多系统卫星联合授时时，能计算出各个系统的接收机钟差，但只选用用户指定的系统时间作为基准并输出；其他系统的接收机钟差可作为备份，但多系统卫星对用户在坐标解算及授时的稳定性和精度方面是十分有利的。

图9为本发明实施例中GNSS接收机实现授时的装置的组成结构示意图，如图9所示，包括误差修正单元、坐标获取单元、钟差计算单元和PPS输出单元，其中：

误差修正单元，用于对影响观测值的各种误差项进行建模或组合进行消除(或削弱)；

坐标获取单元，用于获取用户的精确坐标；若用户坐标精确已知，则直接使用已知的坐标；若用户坐标未知，实时解算获取用户坐标；

钟差计算单元，用于根据当前时刻GNSS卫星坐标、获取的用户坐标、修正后伪距、各误差项，获取各GNSS系统接收机钟差；

PPS输出单元，用于根据解算出的系统接收机钟差对本地时钟进行调整，完成授时。

进一步地，

误差修正单元具体用于：根据观测卫星的信息，对影响观测值的各种误差项进行建模或组合进行消除(或削弱)；观测值误差项主要包括卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径和观测噪声等；

坐标获取单元主要用于：获取用户的精确坐标；若用户坐标精确已知，则直接使用已知的坐标计算各GNSS系统接收机钟差，该模式只需一颗GNSS卫星即可实现授时；若用户坐标未知，根据修正后的伪距值建立与坐标的函数关系，利用参数估计技术解算得到用户的三维坐标，需观测到四颗及其以上卫星完成实时定位解算；并利用先前的坐标信息对当前时刻的用户坐标进行平滑，得到平滑后的用户坐标；

钟差计算单元具体用于：对当前时刻所有GNSS卫星，根据卫星坐标、平滑后用户坐标、修正后伪距、各误差项计算得到接收机钟差，并对各GNSS系统接收机钟差进行平滑，得到平滑后的各GNSS系统接收机钟差；

PPS输出单元具体用于：根据解算出的系统接收机钟差对本地时钟的基准脉冲进行调整，使GNSS接收机本地时间与系统时间同步。

本发明装置还包括：观测值获取模块，用于获取GNSS接收机的伪距原始观测值和载波相位原始观测值。

GNSS单站法授时无需同步观测，属于无源授时，使用灵活便利，可以实现任意多个用户同时进行授时服务。若测站坐标已知，单站法仅需观测一颗卫星即可实现授时，普通双频接收机非校正模式授时精度可达ns级，但该方法需精确已知测站坐标，授时精度高但无法适应测站坐标未知或坐标精度较低场景。若测站坐标未知，用户需观测到四颗及其以上卫星，首先解算出用户坐标后才能实现授时，该方法能在全球范围、全天候内实现连续授时，在各种场景包括高动态时均可用，但授时精度取决于瞬时解算的用户坐标精度。在单站法授时中，用户的坐标精度直接决定最终的授时精度，固定坐标模式授时精度高但适用性差，坐标未知模式可用性强但会损失授时精度。

本发明实施例中，采用单站授时，支持外部输入静态用户的精确坐标，实现较高的授时精度，同样支持接收机实时解算用户坐标后实现授时，满足静态用户坐标未知及动态用户的授时需求，另外还支持坐标未知的静态用户在实时定位一段时间后得到高精度稳定的坐标将其作为固定坐标进行授时，解决了授时装置由于用户坐标状态而只能采用单一授时模式的限制，这种自适应获取用户坐标及授时模式的方法和装置能极大地扩大授时技术的各种应用场景。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星授时方法，其特征在于，包括：

获取卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值；

检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标；

利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差；

根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整；

在所述计算当前时刻的接收机位置坐标之后且所述计算接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用前一时刻的所述接收机位置坐标对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标；

此时，所述利用计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差，为利用修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标计算接收机钟差；

使用如下公式对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标：

其中，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量的误差方差，X_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值，var_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值的误差方差。

2.根据权利要求1所述的卫星授时方法，其特征在于，当观测到多颗可用卫星时，在对接收机本地时钟进行调整之前，所述方法还包括：

确定各颗卫星的伪距观测值的权重；

根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对各颗卫星计算出的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差。

3.一种卫星授时方法，其特征在于，包括：

获取各颗卫星观测信息，利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，得到各颗卫星修正后的伪距观测值；

利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；

确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差；

根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

4.根据权利要求3所述的卫星授时方法，其特征在于，在所述利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标。

5.根据权利要求4所述的卫星授时方法，其特征在于，在所述利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标之后，且所述利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差之前，所述方法还包括：

利用前一时刻的接收机位置坐标对计算出的当前时刻的接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的接收机位置坐标。

6.一种卫星授时装置，其特征在于，包括第一获取单元、第一误差修正单元、检测单元、第一位置计算单元、第一钟差计算单元和第一授时单元，其中：

第一获取单元，用于获取卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第一误差修正单元；

第一误差修正单元，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将修正后的伪距观测值输出至第一位置计算单元；将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第一钟差计算单元；

检测单元，用于检测接收机位置坐标是否已知；如果接收机位置坐标未知，通知第一位置计算单元；如果接收机位置坐标已知，将已知的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元；

第一位置计算单元，用于接收到检测单元的通知，利用修正后的伪距观测值计算当前时刻的接收机位置坐标，将计算出的接收机位置坐标输出至第一钟差计算单元；

第一钟差计算单元，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及已知的或计算出的接收机位置坐标计算接收机钟差，将计算出的接收机钟差输出至第一授时单元；

第一授时单元，用于根据计算出的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整；

在计算当前时刻的接收机位置坐标之后，第一位置计算单元还用于：

利用前一时刻的所述接收机位置坐标对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标；

第一位置计算单元使用如下公式对计算出的当前时刻的所述接收机位置坐标进行修正，得到修正后的当前时刻的所述接收机位置坐标：

其中，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量，

为修正后的t时刻的接收机位置坐标的三个坐标分量的误差方差，X_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值，var_t为t时刻接收机位置坐标的三个坐标分量的计算值的误差方差。

7.一种卫星授时装置，其特征在于，包括第三获取单元、第三误差修正单元、第三钟差计算单元和第三授时单元，其中：

第三获取单元，用于获取各颗卫星观测信息，并将获取的卫星观测信息输出至第三误差修正单元；

第三误差修正单元，用于利用获取的卫星观测信息计算影响伪距观测值的各误差项，根据计算出的各误差项得到修正后的伪距观测值，将计算出的各误差项和修正后的伪距观测值输出至第三钟差计算单元；

第三钟差计算单元，用于利用计算出的各误差项、修正后的伪距观测值以及接收机位置坐标计算各颗卫星的接收机钟差；确定各颗卫星的伪距观测值的权重，根据确定的各颗卫星的伪距观测值的权重，对计算出的各颗卫星的接收机钟差进行加权平均，得到最终的接收机钟差，将最终的接收机钟差输出至第三授时单元；

第三授时单元，用于根据最终的接收机钟差，对接收机本地时钟进行调整。

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