CN111239775B - 基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法及系统，本方法适用于观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，依据授时接收机信号处理过程，提出一种授时延迟的划分方法，强调不同频率卫星信号产生不同硬件延迟，在此基础上，提出基于钟差补偿的硬件延迟测量改进方案，搭建授时接收机和卫星导航信号模拟器共钟测试系统，用高采样率高精度示波器测量卫星导航模拟器测量模拟器延迟，用载波相位平滑伪距，区分接收卫星信号频率解算钟差，从而提高授时接收机硬件延迟校准精度。

Description

基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法及系统

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)技术领域，特别涉及一种基于钟差补偿的GNSS授时接收机硬件延迟校准方法。

背景技术

通信、电力、金融以及国防等领域很多基础设施都是建立在时间同步基础之上，现在有越来越多的高精尖应用对时间同步精度要求越来越高。利用卫星导航系统(GNSS)进行时间比对可以达到纳秒级的时间同步精度，但通常只能进行两个节点之间时间比对，且比对结果存在滞后性，该类技术主要被时频实验室用来进行时间传递，不适合大范围地使用。通过GNSS授时的方法来实现时间同步具有成本低、实时、用户数不受限和全球覆盖等优点。

授时接收机一般通过输出1PPS信号来进行授时，1PPS输出表征的就是接收机所复现的卫星时间。在不考虑时间基准误差情况下，授时接收机的时间传递误差可以定义为复现的卫星时间与实际卫星时钟时间之间的偏差，主要由接收机钟差的估计误差、时钟调控误差和接收机硬件延迟造成。其中，接收机硬件延迟是指卫星信号从进入接收机到输出时频信息过程中由硬件导致的固定延迟。

目前针对硬件延迟精确校准的方法多基于时间比对接收机，并不能用来对授时接收机进行校准，授时接收机硬件延迟精确校准研究较少。中国科学院国家时间服务中心(NTSC)提出了多种方法对授时接收机硬件延迟校准，一种是使用UTC(NTSC)的延迟校准方法，该方法测量UTC(NTSC)和接收机的1PPS，并扣除UTC(NTSC)和GPST之间的时差来计算接收机硬件延迟。校准精度取决于接收机复现GPS时间的准确性和时间链路的准确性，时间链路的随机误差不超过2.7ns，接收机的精度由接收机类型决定。此外，国家授时中心还对利用模拟器进行授时接收机校准的方法进行了研究，提出了基于钟驾驭模式的接收机绝对校准方法,指出了不同架构授时接收机校准方法不同，并分别对Novatel和Septentrio两款不同类型接收机进行校准，单频校准不确定度皆优于1.5ns，双频校准不确定度优于4.5ns。对于对高精度授时接收机，硬件延迟校准不确定度成为授时主要误差源，对提供高精度授时服务至关重要。

发明内容

针对传统方法硬件延迟校准的准确度不足的问题，本发明提供一种基于授时接收机钟差补偿的硬件延迟校准方法，适用于观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机。本发明依据授时接收机信号处理过程，提出一种授时延迟的划分方法，强调不同频率卫星信号产生不同硬件延迟，在此基础上，提出基于钟差补偿的硬件延迟测量改进方案。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，其特征在于，对于观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，1PPS信号表征授时接收机复现的卫星时间，定义授时接收机授时延迟为卫星时间与复现的卫星时间之差，即复现的卫星时间相对卫星时间的延迟，授时接收机授时延迟包括钟差估计误差、时钟调控误差和1PPS输出链路延迟；其中钟差估计误差包含通道延迟和由除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差，通道延迟是采样之前卫星信号经过接收机硬件产生的延迟，不同频率的卫星信号产生不同的延迟。1PPS输出链路延迟是本地时钟整秒时刻输出1PPS信号的硬件延迟，无需区分卫星信号频率。授时延迟具体划分公式如下：

τ＝t_S-t_1PPS＝ε_Vt+ε_steer+τ_1PPS＝τ_ch+ε_dt+ε_steer+τ_1PPS

其中τ表示授时延迟，t_s表示卫星时间，t_1PPS表示授时接收机复现的卫星时间，ε_Vt表示钟差估计误差，ε_steer表示时钟调控误差，τ_1PPS表示1PPS输出链路延迟，τ_ch表示通道延迟，ε_dt表示除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差；

设置授时接收机不调控本地时钟时，时钟调控误差ε_steer为钟差值的相反数，除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差足够小时，ε_dt可忽略，通道延迟和1PPS输出链路延迟整体τ_1PPS+τ_ch作为硬件延迟，由授时延迟补偿钟差得到，由此可得，硬件延迟测量公式如下：

τ_rec＝τ_1PPS+τ_ch＝ε-ε_dt-ε_steer＝ε+dt

其中τ_rec表示整体硬件延迟，dt表示接收机钟差，授时延迟采用仪器测量，接收机钟差通过解算得到；

包括以下步骤：

步骤1：搭建校准测试系统并进行测试，测试系统包括卫星导航信号模拟器、授时接收机、时间间隔计数器和电脑；测试时，授时接收机10MHz信号输出接到卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器输出射频卫星导航信号到授时接收机，授时接收机输出观测值记录到电脑，授时接收机和卫星导航信号模拟器分别输出1PPS信号间隔到时间间隔计数器，时间间隔计数器输出两个1PPS信号的时间间隔记录到电脑；

步骤2，测量卫星导航信号模拟器延迟，用高采样率高精度示波器测量卫星导航模拟器输出1PPS信号表征的时间相对卫星导航信号的表征时间的延迟；

步骤3，解算钟差，不同频率卫星信号的伪距观测值利用载波相位观测值平滑后，建立伪距观测方程组，用最小二乘法解算得到不同频率卫星信号的钟差；

步骤4，计算硬件延迟，由记录的授时接收机和卫星导航信号模拟器之间的1PPS间隔、钟差和卫星导航信号模拟器延迟计算硬件延迟如下：

τ_rec＝Δt_1PPS+TtC+dt

其中Δt_1PPS表示时间间隔计数器输出的两个1PPS信号时间间隔在一段时间内的平均值，TtC表示卫星导航信号模拟器延迟，dt表示同一时段内解算的接收机钟差的平均值；

步骤5，根据授时接收机接收卫星信号的频率设置授时接收机，使其1PPS输出相位提前相应频率下的τ_rec时间，实现硬件延迟校准。

在上述的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤201：在卫星导航信号模拟器中设置启用一颗卫星，并将其设置为地球同步轨道模式，关闭大气改正模型和导航电文调制；

步骤202：在卫星导航信号模拟器中将接收机和卫星位置设成一致，生成零伪距信号；

步骤203：卫星导航信号模拟器输出的射频卫星导航信号级联两个放大器接入示波器；

步骤204：卫星导航信号模拟器输出的1PPS信号接入同一示波器；

步骤205：示波器观察模拟器1PPS上升沿与零伪距信号的C/A码翻转点时间间隔作为卫星导航信号模拟器延迟。

在上述的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，步骤3中不同频率卫星信号的伪距观测值利用载波相位观测值滤波平滑，提高伪距精度，再利用平滑后的伪距建立伪距观测方程组，用最小二乘法解算得到不同频率卫星信号的钟差。

基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准系统，其特征在于：包括

授时接收机：输出10MHz信号到卫星导航信号模拟器，并输出观测值记录到电脑；

卫星导航信号模拟器：输出射频卫星导航信号到授时接收机；

时间间隔计数器：接收星导航信号模拟器和授时接收机分别输出的1PPS信号，并输出两个1PPS信号的时间间隔记录到电脑；

电脑：处理数据得到硬件延迟。

在上述的钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准系统，授时接收机包括：

射频前端：将卫星导航信号下变频、滤波和采样得到数字中频信号；

基带处理模块：对数字中频信号捕获追踪，得到观测值和星历；

钟差估计模块：对观测值和星历进行定位解算，得到接收机钟差；

本地时钟：根据接收机钟差进行调整，本地时钟反馈到卫星导航信号接收部分，形成闭环，使接收机钟差保持在零，从而实现本地时钟与卫星钟时间同步；

观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，将在本地时钟的整秒时刻输出1PPS信号。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、基于提出一种授时延迟划分方法，区分卫星信号频率计算硬件延迟，提高硬件延迟校准精度。

2、授时接收机输出10MHz信号到卫星导航信号模拟器，授时接收机和卫星导航信号模拟器共钟，两者的时间间隔不会出现调控波动。

3、用载波相位平滑伪距后解算钟差，提高钟差精度。

4、采用数据后处理模式，可以有效避免接收机的大气误差修正模型和模拟器不一致而带来的大气误差影响，获得高精度钟差。

附图说明

图1是本发明实施例授时延迟划分的示意图。

图2是本发明实施例系统示意图。

具体实施方式

一、首先结合附图介绍本发明的方法原理。

如图1，对于观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，典型的信号处理过程：卫星导航信号106首先被射频前端107下变频、滤波和采样得到数字中频信号104，然后基带处理模块101对数字中频信号进行捕获和跟踪，输出观测值和星历102，经过钟差估计模块103定位解算后得到授时接收机钟差105，本地时钟109根据钟差进行调整，本地时钟反馈108到卫星导航信号的接收部分，形成闭环，使授时接收机钟差保持在零，从而来实现本地时钟与卫星钟的时间同步。在此基础上，授时接收机输出本地时钟10MHz信号111并在本地时钟的整秒时刻输出1PPS信号110。

依据授时接收机信号处理可以划分授时延迟，1PPS信号表征授时接收机复现的卫星钟时间118，定义卫星时间112与复现的卫星时间的差值为授时延迟，授时延迟可划分为钟差估计误差115、时钟调控误差116和1PPS输出链路延迟117，其中钟差估计误差包括通道延迟113和除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差114。

通道延迟是采样之前信号经过接收机硬件产生的延迟，不同频率的卫星信号产生不同的延迟。1PPS输出链路延迟是本地时钟整秒时刻输出1PPS信号的硬件延迟，无需区分卫星信号频率。授时延迟具体划分公式如下：

τ＝t_S-t_1PPS＝ε_Vt+ε_steer+τ_1PPS＝τ_ch+ε_dt+ε_steer+τ_1PPS

其中τ表示授时误差，t_s表示卫星时间，t_1PPS表示授时接收机复现的卫星时间，ε_Vt表示钟差估计误差，ε_steer表示时钟调控误差，τ_1PPS表示1PPS输出链路延迟，τ_ch表示通道延迟，ε_dt表示除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差。

设置授时接收机不调控本地时钟时，时钟调控误差ε_steer为钟差值的相反数，除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差足够小时，ε_dt可忽略，通道延迟和1PPS输出链路延迟整体τ_1PPS+τ_ch作为硬件延迟，由授时延迟补偿钟差得到，由此可得，硬件延迟测量公式如下：

τ_rec＝τ_1PPS+τ_ch＝ε-ε_dt-ε_steer＝ε+dt

其中τ_rec表示整体硬件延迟，dt表示接收机钟差。

二、下面将结合附图详细说明本发明的具体实施例。

由于硬件延迟受卫星信号频率的影响，不同卫星导航系统卫星信号频率不同，以下实施例对GPS卫星导航系统进行授时接收机硬件延迟校正。

如图2，搭建校准测试系统并进行测试，系统包括卫星导3航信号模拟器201、授时接收机203、时间间隔计数器208和电脑210。测试时，授时接收机10MHz信号202输出到卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器输出GPS射频信号204到授时接收机，授时接收机输出观测值207记录到电脑，卫星导航信号模拟器和授时接收机分别输出1PPS信号205、206到时间间隔计数器分别作为开始计数信号和结束计数信号，时间间隔计数器输出两个1PPS信号的时间间隔209记录到电脑，测试完成后电脑同一时段测得的1PPS时间间隔和观测值经过处理得到硬件延迟211；

授时延迟由1PPS时间间隔补偿卫星导航信号模拟器延迟得到，其中1PPS时间间隔是授时接收机1PPS信号表征的时间相对卫星导航信号模拟器1PPS信号表征的时间的延迟，卫星导航信号延迟是卫星导航信号模拟器1PPS信号表征的时间相对卫星导航射频信号表征的时间的延迟。授时误差计算公式如下：

其中

表示时间间隔计数器输出的两个1PPS信号时间间隔在一段时间内的平均值，TtC表示卫星导航信号模拟器延迟。卫星导航信号模拟器延迟采用高采样率高精度示波器测量，具体包括以下步骤：

步骤1：在卫星导航信号模拟器中设置启用一颗卫星，并将其设置为地球同步轨道模式，关闭大气改正模型和导航电文调制；

步骤2：在卫星导航信号模拟器中将接收机和卫星位置设成一致，生成零伪距信号；

步骤3：卫星导航信号模拟器输出的射频卫星导航信号级联两个放大器接入示波器；

步骤4：卫星导航信号模拟器输出的1PPS信号接入同一示波器；

步骤5：示波器观察读取模拟器1PPS上升沿与零伪距信号的C/A码翻转点时间间隔作为卫星导航信号模拟器延迟。

钟差由观测值事后解算得到，由不同频率信号的观测值分别解算得到不同频率信号的钟差，GPS卫星信号包含L1和L2两个频率，钟差解算具体包括以下步骤：

步骤1.根据载波相位平滑伪距滤波算法，对L1和L2频率的伪距观测值进行平滑处理，得到更高精度的伪距观测值

步骤2.利用平滑后的L1频率的伪距观测值，建立L1频率的伪距观测方程组，通过最小二乘算法解算得到L1的接收机钟差，对各历元钟差取平均值

步骤3.利用平滑后的L2频率的伪距观测值，建立L2频率的伪距观测方程组，通过最小二乘算法解算得到L2的接收机钟差，对各历元钟差取平均值

步骤4.利用平滑后的L1和L2频率的伪距观测值，建立无电离层组合的伪距观测方程组，通过最小二乘算法解算得到双频无电离层组合的接收机钟差，对各历元钟差取平均值

计算硬件延迟，由记录的授时接收机和卫星导航信号模拟器之间的1PPS间隔、钟差和卫星导航信号模拟器延迟计算硬件延迟如下：

带入不同频率卫星信号解算的钟差平均值得到不同频率卫星信号的硬件延迟；

根据授时接收机接收的卫星信号频率设置授时接收机，使其1PPS输出相位提前相应频率下的τ_rec时间，实现硬件延迟校准。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，其特征在于，对于观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，1PPS信号表征授时接收机复现的卫星时间，定义授时接收机授时延迟为卫星时间与复现的卫星时间之差，即复现的卫星时间相对卫星时间的延迟，授时接收机授时延迟包括钟差估计误差、时钟调控误差和1PPS输出链路延迟；其中钟差估计误差包含通道延迟和由除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差，通道延迟是采样之前卫星信号经过接收机硬件产生的延迟，不同频率的卫星信号产生不同的延迟，1PPS输出链路延迟是本地时钟整秒时刻输出1PPS信号的硬件延迟，无需区分卫星信号频率，授时延迟具体划分公式如下：

τ＝t_S-t_1PPS＝ε_Δt+ε_steer+τ_1PPS＝τ_ch+ε_dt+ε_steer+τ_1PPS

其中τ表示授时延迟，t_s表示卫星时间，t_1PPS表示授时接收机复现的卫星时间，ε_Δt表示钟差估计误差，ε_steer表示时钟调控误差，τ_1PPS表示1PPS输出链路延迟，τ_ch表示通道延迟，ε_dt表示除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差；

设置授时接收机不调控本地时钟时，时钟调控误差ε_steer为钟差值的相反数，除通道延迟以外的因素引起的钟差估计误差足够小时，ε_dt可忽略，通道延迟和1PPS输出链路延迟整体τ_1PPS+τ_ch作为硬件延迟，由授时延迟补偿钟差得到，由此可得，硬件延迟测量公式如下：

τ_rec＝τ_1PPS+τ_ch＝ε-ε_dt-ε_steer＝ε+dt

其中τ_rec表示整体硬件延迟，dt表示接收机钟差，授时延迟采用仪器测量，接收机钟差通过解算得到，ε表示授时误差；

包括以下步骤：

步骤1：搭建校准测试系统并进行测试，测试系统包括卫星导航信号模拟器、授时接收机、时间间隔计数器和电脑；测试时，授时接收机10MHz信号输出接到卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器输出射频卫星导航信号到授时接收机，授时接收机输出观测值记录到电脑，授时接收机和卫星导航信号模拟器分别输出1PPS信号间隔到时间间隔计数器，时间间隔计数器输出两个1PPS信号的时间间隔记录到电脑；

步骤2，测量卫星导航信号模拟器延迟，用高采样率高精度示波器测量卫星导航模拟器输出1PPS信号表征的时间相对卫星导航信号的表征时间的延迟；

步骤3，解算钟差，不同频率卫星信号的伪距观测值利用载波相位观测值平滑后，建立伪距观测方程组，用最小二乘法解算得到不同频率卫星信号的钟差；

步骤4，计算硬件延迟，由记录的授时接收机和卫星导航信号模拟器之间的1PPS间隔、钟差和卫星导航信号模拟器延迟计算硬件延迟如下：

τ_rec＝Δt_1PPS+TtC+dt

其中Δt_1PPS表示时间间隔计数器输出的两个1PPS信号时间间隔在一段时间内的平均值，TtC表示卫星导航信号模拟器延迟，dt表示同一时段内解算的接收机钟差的平均值；

步骤5，根据授时接收机接收卫星信号的频率设置授时接收机，使其1PPS输出相位提前相应频率下的τ_rec时间，实现硬件延迟校准。

2.如权利要求1所述的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，其特征在于：步骤2的实现包括以下步骤：

步骤201：在卫星导航信号模拟器中设置启用一颗卫星，并将其设置为地球同步轨道模式，关闭大气改正模型和导航电文调制；

步骤202：在卫星导航信号模拟器中将接收机和卫星位置设成一致，生成零伪距信号；

步骤203：卫星导航信号模拟器输出的射频卫星导航信号级联两个放大器接入示波器；

步骤204：卫星导航信号模拟器输出的1PPS信号接入同一示波器；

步骤205：示波器观察模拟器1PPS上升沿与零伪距信号的C/A码翻转点时间间隔作为卫星导航信号模拟器延迟。

3.如权利要求1所述的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准方法，其特征在于：步骤3中不同频率卫星信号的伪距观测值利用载波相位观测值滤波平滑，提高伪距精度，再利用平滑后的伪距建立伪距观测方程组，用最小二乘法解算得到不同频率卫星信号的钟差。

4.采用权利要求1所述方法的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准系统，其特征在于：包括

授时接收机：输出10MHz信号到卫星导航信号模拟器，并输出观测值记录到电脑；

卫星导航信号模拟器：输出射频卫星导航信号到授时接收机；

时间间隔计数器：接收星导航信号模拟器和授时接收机分别输出的1PPS信号，并输出两个1PPS信号的时间间隔记录到电脑；

电脑：处理数据得到硬件延迟。

5.如权利要求4所述的基于钟差补偿的授时接收机硬件延迟校准系统，其特征在于：授时接收机包括：

射频前端：将卫星导航信号下变频、滤波和采样得到数字中频信号；

基带处理模块：对数字中频信号捕获追踪，得到观测值和星历；

钟差估计模块：对观测值和星历进行定位解算，得到接收机钟差；

本地时钟：根据接收机钟差进行调整，本地时钟反馈到卫星导航信号接收部分，形成闭环，使接收机钟差保持在零，从而实现本地时钟与卫星钟时间同步；

观测值提取时刻和1PPS保持同步的授时接收机，将在本地时钟的整秒时刻输出1PPS信号。

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