CN111866754B - 一种无线广播授时信息处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线广播授时信息处理方法，包括以下步骤：1)监测站计算差分改正数，2)授时数据包的封装，3)数字广播传输授时信息，4)用户接收机修正传播时延误差。现有技术方案中，授时信号只给出了授时信息，用户还需要通过其它通信手段去获取差分改正数，增加了设备成本。本发明将授时信息和差分改正数编码在一起，通过数字广播同时提供给用户。用户只需要接收该数字广播信号，即可实现差分授时，获得精确的时间信息。本发明将差分改正数的地域性和数字广播信号覆盖区的地域性进行了结合，用户无需再根据自身位置再去查询该位置所对应的差分改正数，从而简化了授时系统的通信和计算过程。

Description

一种无线广播授时信息处理方法
技术领域
本发明属于无线广播授时技术领域，尤其涉及一种无线广播授时信息处理方法。
背景技术
常见的授时方式有原子钟、导航卫星授时、网络授时、短波授时、长波授时等。其中，原子钟的精度最高，但因价格昂贵难以广泛使用。以太网为媒介的网络授时技术具有成本低廉的优点，但其授时精度较低，一般在几十毫秒左右，并且随网络结构和网络的负荷而变化，只适用于要求较低的场合。短波授时信号通过电离层反射来传播，受到太阳黑子高低年变化、季节变化和昼夜变化等因素的影响，会导致授时信号传输很不稳定，短波授时接收机很长时间无法成功授时，而且授时精度只有毫秒级，无法用于精度要求较高的场合。导航卫星授时的精度可达纳秒级，是目前使用最为普遍、授时精度相对较高的授时手段，但局限性在于卫星信号较弱，容易受到干扰，特别是城市的密集楼宇以及室内等信号遮挡环境下授时精度降低，甚至丧失。
以长波授时为代表的陆基广播授时系统，信号抗干扰能力较强，对电离层、太阳风暴等自然扰动不敏感，人为干扰比较困难，是导航卫星授时系统最可行、最可靠的备份。但它目前最大的限制因素是授时精度较低，只能达到微秒级。制约授时精度的瓶颈主要是授时信号的传播时延难以准确计算。传播时延与传播路径的距离、地形地物、大地电导率以及大气折射率等有关，会随着这些时间和空间因素的变化而变化。具体来说，天气和季节的变化引起空气湿度变化会导致大气折射率的变化；天气和季节的变化引起气温变化和降水引起地面温湿度的变化导致地面大地电导率和介电常数的变化；沿海或者有梅雨的地区因为湿度较大导致大气折射率较高；地形地物、地质地理条件的差异导致传播路径的变化；这些情况都会引发传播时延的变化。传播时延这种随时间变化和空间变化的特点，使得用户接收机难以对其做出准确的估计，从而无法准确还原出授时信号。
改进的方法，一是在特定地区对附加二次因子(Additional Secondary Factors，ASF)进行大量测试，生成ASF修正数据库加载到用户接收机中使用，这种方法的缺点是实时性差，修正数据只反映特定时间的变化情况；另一种是利用差分原理，实时计算传播时延的差分改正数，提供给用户做时延修正，可有效提高授时精度。
精确授时的关键之一是准确预测信号传播的时间延迟量。该延迟量具有空间相关性，即位置相近的接收点，其传播路径上的介质参数也近似相同。本发明在数字广播信号的覆盖区内布置授时信号监测站，实时观测数字广播信号的传播时延，利用授时信号监测站与用户接收机之间的空间与时间相关性,将传播路径上的不确定影响因素打包成传播时延差分改正数，再与授时信息打包在一起，通过数字广播信号传输给用户。用户接收机利用这些信息修正传播路径上的时延预测值，实现用户时间的精确校准，典型的授时过程如下：
Figure BDA0002560938210000021
在统一的时间轴上满足以下关系：
ΔT+N＝Tm+Tp+Tr
式中，Tm是授时广播台定时信号与基准时间的偏差，可以精确测量并传输给接收机；
是用户接收机内部的信号时延，可以预先测量得到；Tp是授时信号从授时广播台发射天线到用户接收机天线的传输时间；N是用户接收机本地记录的本地秒信号和触发脉冲之间的时延。通过上述参数，接收机就可以计算出本地时钟与基准之间的钟差ΔT，进而完成校准。
可以看到，授时精度主要取决于传播路径时延Tp的计算精度，可表示为：
Figure BDA0002560938210000022
传播路径时延Tp是空间位置和时间的函数。式中，r是信号传播距离，n(r，t)是介质的折射率，是传播距离和时间的函数；dr是传播距离的微分量；f是授时信号的频率，argW是信号衰减函数W的相位。
通常W与信号频率f、传播距离r、传播路径上的相对介电常数ε(r，t)、电导率σ(r，t)等参数有关，可表示为：
W＝W(f，r，ε(r，t)，σ(r，t))
需注意到，介质折射率n(r，t)的空间分布很复杂，并且随时间变化，其积分很难计算；传播距离r也要按实际路径计算，存在反射、折射等因素引起的路径计算复杂性；传播路径上的相对介电常数ε(r，t)、电导率σ(r，t)也是难以精确确定的，而且随时间而变化。
一般是将这些参数采用统计平均值进行计算，则Tp的表达式：
Figure BDA0002560938210000031
接收机计算得到Tp的近似值T′p，其误差为ΔT，是真实传播路径上难以预测的不确定项，也是影响授时精度的关键因素。
本发明基于差分授时原理，在数字广播授时信号的覆盖区内布置授时信号监测站，对授时信号进行实时观测并计算出传播参数的差分改正数，用于修正用户接收机的传播时延计算误差。
发明内容
本发明提供了一种基于差分授时原理，在数字广播授时信号的覆盖区内布置授时信号监测站，对授时信号进行实时观测并计算出传播参数的差分改正数，用于修正用户接收机的传播时延计算误差的无线广播授时信息处理方法。
本发明的技术方案是构造一种无线广播授时信息处理方法，包括以下步骤：
1)监测站计算差分改正数，设Tp1为授时台到监测站的传播时延，公式如下
Figure BDA0002560938210000032
则T′p1为监测站计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure BDA0002560938210000033
设Tp2为监测站通过原子钟、导航卫星授时等参考标准的间接测量方法得到的传播时延精确值
Tp2＝N-Tm-Tr
式中Tp2，N是监测站记录的触发脉冲与参考标准的1PPS之间的时延；Tm是授时台与参考标准的1PPS信号偏差，可以预先测量得到，Tr是监测站内部的信号时延，也可以预先测量得到
Figure BDA0002560938210000034
监测站可以每秒计算一次差分改正数δT，并实时传输给授时服务器；
2)授时数据包的封装，授时服务器接收监测站传回的差分改正数，然后再与其它授时信息封装在一起，形成授时数据包；
3)数字广播传输授时信息，用于承载授时数据包的数字广播信号要开启授时功能，授时服务器封装好的授时数据包，将通过数字广播站播发出去，用户接收机接收数字广播信号，通过解调算法捕获到数字广播信号的信号帧起始时刻，记录下本地1PPS信号到此时刻的时延N，同时，用户接收机会解调并还原出数字广播信号中承载的授时数据包，结合自身位置，计算出本地时钟的钟差；
4)用户接收机修正传播时延误差，设Tp3为授时台到用户接收机的传播时延，公式如下
Figure BDA0002560938210000041
则T′p3为用户接收机计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure BDA0002560938210000042
用户接收机利用差分改正数δT修正后的传播时延观测值
Figure BDA0002560938210000043
将δT′p3代入钟差计算公式
ΔT＝Tm+δT′p3+Tr-N
最后得到得到用户接收机的本地时钟与授时台基准之间的精确钟差，校准之后即可大幅度提升用户接收机的定时精度。
优选地，2)中所述如有多个监测站，可以将各个监测站的差分改正数取平均值，得到当前时刻的待发播差分改正数。
优选地，3)中所述数字广播信号的信号帧在发射天线播发的起始时刻，与基准时间1PPS信号同步。
本发明有益效果：
现有技术方案中，授时信号只给出了授时信息，用户还需要通过其它通信手段去获取差分改正数，增加了设备成本。本发明将授时信息和差分改正数编码在一起，通过数字广播同时提供给用户。用户只需要接收该数字广播信号，即可实现差分授时，获得精确的时间信息。
差分改正数具有地域有效性，而数字广播信号的覆盖范围也是局限于某个地域。本发明将差分改正数的地域性和数字广播信号覆盖区的地域性进行了结合，用户只要能接收和解调数字广播信号，即可直接使用其中的差分改正数。无需根据自身位置再去查询该位置所对应的差分改正数，从而简化了授时系统的通信和计算过程。
附图说明
图1为本发明授时数据包的数据结构示意图。
图2为本发明的系统架构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：
如图1至图2所示，一种无线广播授时信息处理方法，包括以下步骤：
1)监测站计算差分改正数，设Tp1为授时台到监测站的传播时延，公式如下
Figure BDA0002560938210000051
则T′p1为监测站计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure BDA0002560938210000052
设Tp2为监测站通过原子钟、导航卫星授时等参考标准的间接测量方法得到的传播时延精确值
Tp2＝N-Tm-Tr
式中Tp2，N是监测站记录的触发脉冲与参考标准的1PPS之间的时延；Tm是授时台与参考标准的1PPS信号偏差，可以预先测量得到，Tr是监测站内部的信号时延，也可以预先测量得到
Figure BDA0002560938210000053
监测站可以每秒计算一次差分改正数δT，并实时传输给授时服务器；
2)授时数据包的封装，授时服务器接收监测站传回的差分改正数，然后再与其它授时信息封装在一起，形成授时数据包，各数据字段的定义见表1；
表1数据字段定义表
Figure BDA0002560938210000061
3)数字广播传输授时信息，用于承载授时数据包的数字广播信号要开启授时功能，授时服务器封装好的授时数据包，将通过数字广播站播发出去，用户接收机接收数字广播信号，通过解调算法捕获到数字广播信号的信号帧起始时刻，记录下本地1PPS信号到此时刻的时延N，同时，用户接收机会解调并还原出数字广播信号中承载的授时数据包，结合自身位置，计算出本地时钟的钟差，具体而言，就是数字广播信号的信号帧在发射天线播发的起始时刻，要与基准时间1PPS信号同步；
4)用户接收机修正传播时延误差，设Tp3为授时台到用户接收机的传播时延，公式如下
Figure BDA0002560938210000071
则T′p3为用户接收机计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure BDA0002560938210000072
用户接收机利用差分改正数δT修正后的传播时延观测值
Figure BDA0002560938210000073
将δT′p3代入钟差计算公式
ΔT＝Tm+δT′p3+Tr-N
最后得到得到用户接收机的本地时钟与授时台基准之间的精确钟差，校准之后即可大幅度提升用户接收机的定时精度。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图1至图2所示，2)中所述如有多个监测站，可以将各个监测站的差分改正数取平均值，得到当前时刻的待发播差分改正数。
实施例3：
在实施例1的基础上，如图1至图2所示，3)中所述数字广播信号的信号帧在发射天线播发的起始时刻，与基准时间1PPS信号同步。

Claims (3)

1.一种无线广播授时信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)监测站计算差分改正数，设Tp1为授时台到监测站的传播时延，公式如下
Figure FDA0003174586990000011
其中，r′1为授时台到监测站的信号传播距离，n′为信号传播路径上的介质折射率，c为光速，f为授时信号的频率，argW为信号衰减函数W的相位，ε′为信号传播路径上的介电常数，σ′为信号传播路径上的电导率，ΔT1为监测站无法估计的误差项，代表信号传播路径上难以预测的不确定项；
则T′p1为监测站计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure FDA0003174586990000012
设Tp2为监测站通过原子钟、导航卫星授时等参考标准的间接测量方法得到的传播时延精确值
Tp2＝N-Tm-Tr
式中N是监测站记录的触发脉冲与参考标准的1PPS之间的时延；Tm是授时台与参考标准的1PPS信号偏差，可以预先测量得到，Tr是监测站内部的信号时延，也可以预先测量得到
Figure FDA0003174586990000013
监测站可以每秒计算一次差分改正数δT，并实时传输给授时服务器；
2)授时数据包的封装，授时服务器接收监测站传回的差分改正数，然后再与其它授时信息封装在一起，形成授时数据包；
3)数字广播传输授时信息，用于承载授时数据包的数字广播信号要开启授时功能，授时服务器封装好的授时数据包，将通过数字广播站播发出去，用户接收机接收数字广播信号，通过解调算法捕获到数字广播信号的信号帧起始时刻，记录下本地1PPS信号到此时刻的时延N，同时，用户接收机会解调并还原出数字广播信号中承载的授时数据包，结合自身位置，计算出本地时钟的钟差；
4)用户接收机修正传播时延误差，设Tp3为授时台到用户接收机的传播时延，公式如下
Figure FDA0003174586990000014
其中，r′3为授时台到用户接收机的信号传播距离，ΔT3为用户接收机无法估计的误差项；
则T′p3为用户接收机计算出的传播时延观测值，公式如下
Figure FDA0003174586990000021
用户接收机利用差分改正数δT修正后的传播时延观测值
Figure FDA0003174586990000022
将δT′p3代入钟差计算公式
ΔT＝Tm+δT′p3+Tr-N
最后得到用户接收机的本地时钟与授时台基准之间的精确钟差，校准之后即可大幅度提升用户接收机的定时精度。
2.根据权利要求1所述一种无线广播授时信息处理方法，其特征在于，2)中如有多个监测站，可以将各个监测站的差分改正数取平均值，得到当前时刻的待发播差分改正数。
3.根据权利要求1所述一种无线广播授时信息处理方法，其特征在于，3)中所述数字广播信号的信号帧在发射天线播发的起始时刻，与基准时间1PPS信号同步。
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