CN110794439A - 一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统及方法 - Google Patents

一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统及方法，包括MCU处理单元以及与其相连的GNSS定位授时解算单元、GNSS守时单元、4G通信单元、多通道授时接口、显示单元；还包括与GNSS定位授时解算单元相连的GNSS有源天线、与4G通信单元相连的4G通讯天线；本发明实现了集授时、守时、定位一体化的目的。

Description

一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化 系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统及方法。
背景技术
随着北斗导航产业的快速发展，市场上定位、授时、守时的产品越来越多。但是这些产品都无法集成一体化，且存在定位精度或者守时准确度不够的问题，无法推向市场应用。针对电力行业，更加讲究时空一体化，对设备提出既能进行高精度定位的要求，也要能实现高精准的授时和守时的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统及方法，实现了集授时、守时、定位一体化的目的。
本发明采用以下方案实现：一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，包括MCU处理单元以及与其相连的GNSS定位授时解算单元、GNSS守时单元、4G通信单元、多通道授时接口、显示单元；还包括与GNSS定位授时解算单元相连的GNSS有源天线、与4G通信单元相连的4G通讯天线；
所述GNSS有源天线接收BDS B1信号和GPS L1信号，并将其进行放大后传输至GNSS定位授时解算单元；所述GNSS定位授时解算单元同时与4G通讯单元、GNSS守时单元相连，跟踪捕获BDS B1信号和GPS L1信号，解算定位信息与时间信息；所述4G通讯天线接收RTK差分数据，并将其传输至4G通信单元，用于平台间的数据互通；所述GNSS守时单元完成对卫星信号失锁之后时间信息的保持；所述多通道授时接口连接电力后级设备，实现主动授时。
进一步地，所述GNSS定位授时解算单元跟踪BDS B1和GPS L1信号，并接收原始观测量输入，对载波周期N值进行固定，求解厘米级的位置解和20ns级的时间解。
其中，所述原始观测量为RTCM3.2格式的差分数据，来自于千寻FindCM服务，其中，socket 1接收来自千寻FindCM服务的差分数据，挂载点为RTCM32_GGB。差分数据为RTCM3.2格式，差分电文ID为：1005(10)，1074(1)，1084(1)，1124(1)。socket 2的连接依据监控服务器具体设置。
进一步地，成功定位后，所述GNSS守时单元采用卫星秒脉冲信号1PPS实现对本地时钟的高精准驯服。具体为：GNSS守时单元通过射频下变频对BDS B1的CA码进行提取，将其与本地CA码发生器输出的CA码进行相关值的运算，得到本地钟差，将该钟差通过n阶低通滤波器后，送入锁相环的压控端，调整锁相环输出频率并将该频率反馈给本地CA码发生器，作为本地CA码发生器的参考时钟；将卫星秒脉冲信号1PPS信号经过低通滤波器后温补晶振TXCO的控制，用于提高本地载波频率的稳定性。整个环路最后会收敛，即锁相环会输出一个稳定高精准的时钟，实现对本地时钟的驯服与保持。
进一步地，所述多通道授时接口（含八个授时通道）包括用于输出1PPS脉冲的射频SMA接口和用于输出时间戳报文的串行接口，有卫星信号时候1PPS脉冲直接采用GNSS定位授时解算单元输出的1PPS信号，无卫星信号时候1PPS脉冲使用GNSS守时单元的驯服过的1PPS信号；1PPS脉冲的上升沿指示该秒发生的时刻，时间戳报文指示发生的年、月、日、时、分、秒。
进一步地，在4G通信单元与4G通讯天线的4G通信中建立两个数据通道socket 1与socket 2，其中，socket 1连接至连接到千寻FindCM服务器，socket 2连接到监控平台服务器。
较佳的，显示单元用于定位信息、时间信息以及其他信息的显示。
较佳的，还包括电源管理单元，用于电源接入管理。包括AC-DC转换、后备电源、过流过压保护、防反保护、ESD保护等。
较佳的，所述GNSS有源天线具有抗多径和抗带外大信号干扰、良好的噪声系数和增益参数，实现BDS B1和GPS L1信号放大，并通过一线通RF线缆传送到GNSS定位授时解算单元。
较佳的，MCU处理单元通过4G模块的socket 1获取来自千寻的差分数据，将差分数据送至GNSS定位授时单元参与定位授时的解算。将解算出来的定位授时信息一方面通过显示单元显示，另一方面通过多通道授时接口传送给后级需要被授时的终端设备，如电力DTU/FTU等。其中，北斗/GPS定位授时单元可能由于外界因素，导致无法实时跟踪卫星，所以加入守时单元用于驯服本地时钟，达到守时的作用。最后，MCU通过4G模块的socket 2可连接到后台服务器，将必要的位置信息、时间信息、设备状态信息上报到后台。
本发明还提供了一种基于上文所述的基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化方法，包括以下步骤：
获取来自千寻的差分数据，将差分数据送至GNSS定位授时单元参与定位授时的解算；
将解算出来的定位授时信息一方面通过显示单元显示，另一方面通过多通道授时接口传送给后级需要被授时的终端设备；
其中，当GNSS定位授时单元由于外界因素导致无法实时跟踪卫星时，利用GNSS守时单元驯服本地时钟，达到守时的作用。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如上文所述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明实现了集授时、守时、定位一体化的功能，同时能够保证定位精度与守时的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图。
图2为本发明实施例的GNSS守时单元的原理框图。
图3为本发明实施例的GNSS有源天线电路原理图。
图4为本发明实施例的GNSS定位授时解算单元电路原理图。
图5为本发明实施例的GNSS守时单元电路原理图。
图6为本发明实施例的4G通讯单元电路原理图。
图7为本发明实施例的定位效果图。其中，（a）为静态定位场景外符合靶图。（b）为静态定位场景固定解后局部放大图。
图8为本发明实施例的串口输出授时信息。
图9为本发明实施例的多通道授时接口电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，包括MCU处理单元以及与其相连的GNSS定位授时解算单元、GNSS守时单元、4G通信单元、多通道授时接口、显示单元；还包括与GNSS定位授时解算单元相连的GNSS有源天线、与4G通信单元相连的4G通讯天线；
所述GNSS有源天线接收BDS B1信号和GPS L1信号，并将其进行放大后传输至GNSS定位授时解算单元；所述GNSS定位授时解算单元同时与4G通讯单元、GNSS守时单元相连，跟踪捕获BDS B1信号和GPS L1信号，解算定位信息与时间信息；所述4G通讯天线接收RTK差分数据，并将其传输至4G通信单元，用于平台间的数据互通；所述GNSS守时单元完成对卫星信号失锁之后时间信息的保持；所述多通道授时接口连接电力后级设备，实现主动授时。
在本实施例中，所述GNSS定位授时解算单元跟踪BDS B1和GPS L1信号，并接收原始观测量输入，对载波周期N值进行固定，求解厘米级的位置解和20ns级的时间解。
其中，所述原始观测量为RTCM3.2格式的差分数据，来自于千寻FindCM服务，其中，socket 1接收来自千寻FindCM服务的差分数据，挂载点为RTCM32_GGB。差分数据为RTCM3.2格式，差分电文ID为：1005(10)，1074(1)，1084(1)，1124(1)。socket 2的连接依据监控服务器具体设置。
其中，GNSS定位授时解算单元的电路图如图4所示。采用的芯片信号为ATGS01。
在本实施例中，成功定位后，所述GNSS守时单元采用卫星秒脉冲信号1PPS实现对本地时钟的高精准驯服。具体为：GNSS守时单元通过射频下变频对BDS B1的CA码进行提取，将其与本地CA码发生器输出的CA码进行相关值的运算，得到本地钟差，将该钟差通过n阶低通滤波器后，送入锁相环的压控端，调整锁相环输出频率并将该频率反馈给本地CA码发生器，作为本地CA码发生器的参考时钟；将卫星秒脉冲信号1PPS信号经过低通滤波器后温补晶振TXCO的控制，用于提高本地载波频率的稳定性。整个环路最后会收敛，即锁相环会输出一个稳定高精准的时钟，实现对本地时钟的驯服与保持。
其中，GNSS守时单元的原理图如图2所示，电路图如图5所示。
在本实施例中，所述多通道授时接口（含八个授时通道）包括用于输出1PPS脉冲的射频SMA接口和用于输出时间戳报文的串行接口，有卫星信号时候1PPS脉冲直接采用GNSS定位授时解算单元输出的1PPS信号，无卫星信号时候1PPS脉冲使用GNSS守时单元的驯服过的1PPS信号；1PPS脉冲的上升沿指示该秒发生的时刻，时间戳报文指示发生的年、月、日、时、分、秒。其中，多通道授时接口的电路如图9所示。
在本实施例中，在4G通信单元与4G通讯天线的4G通信中建立两个数据通道socket1与socket 2，其中，socket 1连接至连接到千寻FindCM服务器，socket 2连接到监控平台服务器。其中，4G通讯单元的电路图如图6所示。
较佳的，显示单元用于定位信息、时间信息以及其他信息的显示。
较佳的，还包括电源管理单元，用于电源接入管理。包括AC-DC转换、后备电源、过流过压保护、防反保护、ESD保护等。
较佳的，所述GNSS有源天线具有抗多径和抗带外大信号干扰、良好的噪声系数和增益参数，实现BDS B1和GPS L1信号放大，并通过一线通RF线缆传送到GNSS定位授时解算单元。其中，GNSS有源天线的电路图如图3所示。
较佳的，MCU处理单元通过4G模块的socket 1获取来自千寻的差分数据，将差分数据送至GNSS定位授时单元参与定位授时的解算。将解算出来的定位授时信息一方面通过显示单元显示，另一方面通过多通道授时接口传送给后级需要被授时的终端设备，如电力DTU/FTU等。其中，北斗/GPS定位授时单元可能由于外界因素，导致无法实时跟踪卫星，所以加入守时单元用于驯服本地时钟，达到守时的作用。最后，MCU通过4G模块的socket 2可连接到后台服务器，将必要的位置信息、时间信息、设备状态信息上报到后台。
本实施例还提供了一种基于上文所述的基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化方法，包括以下步骤：
获取来自千寻的差分数据，将差分数据送至GNSS定位授时单元参与定位授时的解算；
将解算出来的定位授时信息一方面通过显示单元显示，另一方面通过多通道授时接口传送给后级需要被授时的终端设备；
其中，当GNSS定位授时单元由于外界因素导致无法实时跟踪卫星时，利用GNSS守时单元驯服本地时钟，达到守时的作用。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如上文所述的方法步骤。
较佳的，本实施例的定位效果图如图7所示，从外符合靶图中可以看出，设备有少量的浮点解（RTK初始化）精度在2m左右，取得固定解之后即时转为浮点解精度在0.5m(99%CEP)以内，通过局部放大图可以看出，取得固定解之后，定位误差小于10cm。
图8为本发明实施例的串口输出授时信息，从图8看出，设置可按照NMEA-0183协议输出时间信息（定出哪年哪月哪日几时几分几秒），再结合串口输出的守时秒脉冲中t秒脉冲的上升沿，便可精确知道该秒对应的时刻，授时精度可达到20ns。另外，经试验，经过24小时卫星失锁后的1PPS十分之一个周期测量值与卫星未失锁前的测量值的差值△t=20.0095us/12h（约0.834us/h），指标优于电力标准《DLT 1100.1-2009 电力系统的时间同步系统 第1部分：技术规范》中守时性能要求，在守时保持状态下的时间准确度应优于0.92us/min（55us/h）。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，包括MCU处理单元以及与其相连的GNSS定位授时解算单元、GNSS守时单元、4G通信单元、多通道授时接口、显示单元；还包括与GNSS定位授时解算单元相连的GNSS有源天线、与4G通信单元相连的4G通讯天线；
所述GNSS有源天线接收BDS B1信号和GPS L1信号，并将其进行放大后传输至GNSS定位授时解算单元；所述GNSS定位授时解算单元同时与4G通讯单元、GNSS守时单元相连，跟踪捕获BDS B1信号和GPS L1信号，解算定位信息与时间信息；所述4G通讯天线接收RTK差分数据，并将其传输至4G通信单元，用于平台间的数据互通；所述GNSS守时单元完成对卫星信号失锁之后时间信息的保持；所述多通道授时接口连接电力后级设备，实现主动授时。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，所述GNSS定位授时解算单元跟踪BDS B1和GPS L1信号，并接收原始观测量输入，对载波周期N值进行固定，求解厘米级的位置解和20ns级的时间解。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，所述原始观测量为RTCM3.2格式的差分数据，来自于千寻FindCM服务。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，成功定位后，所述GNSS守时单元采用卫星秒脉冲信号1PPS实现对本地时钟的高精准驯服。
5.根据权利要求4所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，所述GNSS守时单元采用卫星秒脉冲信号1PPS实现对本地时钟的高精准驯服具体为：GNSS守时单元通过射频下变频对BDS B1的CA码进行提取，将其与本地CA码发生器输出的CA码进行相关值的运算，得到本地钟差，将该钟差通过n阶低通滤波器后，送入锁相环的压控端，调整锁相环输出频率并将该频率反馈给本地CA码发生器，作为本地CA码发生器的参考时钟；将卫星秒脉冲信号1PPS信号经过低通滤波器后温补晶振TXCO的控制，用于提高本地载波频率的稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，所述多通道授时接口包括用于输出1PPS脉冲的射频SMA接口和用于输出时间戳报文的串行接口，有卫星信号时候1PPS脉冲直接采用GNSS定位授时解算单元输出的1PPS信号，无卫星信号时候1PPS脉冲使用GNSS守时单元的驯服过的1PPS信号；1PPS脉冲的上升沿指示该秒发生的时刻，时间戳报文指示发生的年、月、日、时、分、秒。
7.根据权利要求1所述的一种基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化系统，其特征在于，在4G通信单元与4G通讯天线的4G通信中建立两个数据通道socket 1与socket 2，其中，socket 1连接至连接到千寻FindCM服务器，socket 2连接到监控平台服务器。
8.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于北斗三号卫星系统的高精度授时、守时、定位一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取来自千寻的差分数据，将差分数据送至GNSS定位授时单元参与定位授时的解算；
将解算出来的定位授时信息一方面通过显示单元显示，另一方面通过多通道授时接口传送给后级需要被授时的终端设备；
其中，当GNSS定位授时单元由于外界因素导致无法实时跟踪卫星时，利用GNSS守时单元驯服本地时钟，达到守时的作用。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如权利要求8所述的方法步骤。
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