CN113960918A - 一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，包括以下步骤：S1，GNSS接收机接收卫星信号；S2，卫星信号进行下变频和A/D转换；S3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；S4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；S5，进行PVT解算，获取GNSS接收机的位置、速度和时间信息；S6，对GNSS接收机进行授时和守时处理；S7，GNSS接收机输出定位信息和授时信息。所述方法同时提供GNSS导航和授时的功能，GNSS接收机的导航、定位信息与授时信息通过同一个串口进行输出播发，让设备在得到定位信息的同时，获得精确的时间信息，并且为设备节省一个串口。

Description

一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统应用领域，特别涉及一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法。

背景技术

随着卫星导航产业的发展，GNSS卫星导航系统已经涵盖了包括GPS、Beidou、GLONASS、Galileo、QZSS、IRNSS等多种全球或区域性的导航系统。导航、定位和授时是GNSS应用的主要研究方向，其中，GNSS授时在通信、电力、交通、金融、智慧城市、航天、国防等各个领域都有着广泛的应用。

GNSS授时是利用GNSS接收机，通过接收4颗以上的导航卫星信号，根据同步到的卫星测量值和导航电文信息，进行PVT解算获得GNSS接收机的位置和钟差，GNSS接收机钟差为GNSS接收机时钟时间和GNSS时间的偏差，然后把GNSS接收机的钟差修正到GNSS时间系统下，再转化为UTC时间，发送给用户，即可完成授时。

目前GNSS授时主要为利用GNSS接收机的1PPS以直接或间接的方法进行授时，1PPS授时方法在于，一个串口作为触发源，另一个串口输出时间信息，两个串口结合或增加转发设备的方法完成授时。而本发明涉及到一种更为便捷的授时方法，即基于单个串口的单线授时方法。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种高精度授时系统”，其公告号为“CN107505832B”，本发明涉及一种高精度授时系统，以芯片级铷原子钟、多模授时型GNSS定位芯片、GNSS天线、ARM处理器、FPGA芯片、4G网络通信单元为硬件平台，搭建高精度授时系统，相较于现有授时方法提出了自适应频率调整算法、历元间高次差法计算钟差修正值算法，其具有PNT服务鲁棒性高、授时精度高、抗干扰性强的优点，有效的减少了FPGA平台对输出的1PPS信号较大的调整带来的信号抖动。整套系统包括主站和从站，实现了从站相对主站高精度授时，误差在3nS。适用于对多处设备间需要高精度同步控制场合。但并未涉及具体的授时方法。

发明内容

本发明是为解决了GNSS接收机输出位置信息和时间信息的时刻与UTC标准时间相比有延迟以及传统1PPS授时单独占用一个串口的不足的问题，提供一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，所述方法同时提供GNSS导航和授时的功能，GNSS接收机的导航、定位信息与授时信息通过同一个串口进行输出播发，让设备在得到定位信息的同时，获得精确的时间信息，并且为设备节省一个串口。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，包括GNSS天线、GNSS接收机和RS232/UART接口，包括以下步骤：

S1，GNSS接收机接收卫星信号；

S2，卫星信号进行下变频和A/D转换；

S3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；

S4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；

S5，进行PVT解算，获取GNSS接收机的位置、速度和时间信息；

S6，对GNSS接收机进行授时和守时处理；

S7，GNSS接收机输出定位信息和授时信息，定位信息包含接收机的位置、速度和时间信息。

本发明中的GNSS接收机采用多通道并行的方式接收GNSS信号，GNSS接收机中射频前端对GNSS信号进行下变频和A/D转换处理，在基带上完成信号的捕获、跟踪和电文解调，收集到导航卫星的原始电文信息后，进行解码获取卫星的测量值和导航电文信息。通过GNSS接收机的导航定位解算模块完成PVT解算，获得GNSS接收机的位置、速度和时间信息。GNSS接收机输出定位语句的时刻和标准的UTC时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要为定位解算消耗的时间。步骤S6就是为解决这个时间延迟的问题进行授时和守时处理，最后GNSS接收机输出定位信息和授时信息。

作为优选，所述步骤S6的授时处理方法具体为：

S61，设定在t0时刻GNSS接收机获得有效定位信息，此时导航卫星的时间为St0，对应的UTC时间为Ut0，Ut0与标准的UTC时间是严格对齐的，误差为几纳秒，GNSS接收机本地时钟不记录时间信息，其触发和GNSS接收机输出频率一致的等间隔信号，所述等间隔信号被GNSS接收机内部识别和记录，每当本地时钟产生触发信号时，GNSS接收机立刻向串口发送一条授时语句，假设GNSS接收机本地时钟在t0时刻触发信号的临近时间为Tic0，在t0时刻，Tic0与Ut0存在一个偏差值δt，即为GNSS接收机的时钟偏差：

δt＝Ut0-Tic0

在进入下一时刻t1时，GNSS接收机对本地时钟信息进行修正，GNSS接收机本地时钟新的信号触发时间为:

Tic1＝Tic1+δt

等号右边的Tic1是未修正的本地时钟信号触发时间，等号左边的Tic1是修正后的本地时钟信号触发时间，经过修正后的Tic1和GNSS接收机时间Ut1是对齐的，误差为几纳秒；

S62，在t1时刻，当本地高精度时钟信号触发时，GNSS接收机立刻向RS232/UART串口发送一条授时信息，由于包含位置和UTC时间的定位语句输出有一定的延迟，所以授时语句是提前的，因此，GNSS接收机本地时钟触发信号时对应的真实时间Ut1为：

Ut1＝Ut0+dt

其中，dt是根据GNSS接收机定位语句或授时语句输出频率确定的时间间隔，t1时刻以后，GNSS接收机时钟信号触发的时间Tic和GNSS计算出的卫星时间是对齐的；

S63，对于GNSS接收机的本地高精度时钟，当GNSS接收机持续输出定位信息后，GNSS接收机的本地时钟会估计出本地时钟的偏移信息，并根据需要进行调整，当偏移积累到设定的阈值后，GNSS接收机会再次把偏移信息校正给Tic，从而完成连续的高精度授时。

作为优选，所述步骤S6中的守时处理方法为：GNSS接收机内部除了记录本地时钟的偏移信息δt，同时还会估计出GNSS接收机时钟的频偏信息df，当GNSS卫星信号消失，GNSS接收机不能获得定位信息时，GNSS接收机本地时钟的偏移信息为：

δt＝δt0+df·Δt

δt0为卫星信号消失时或时钟调整后的时钟偏移信息，Δt为GNSS接收机失去信号或时钟调整后的运行时间，通过对δt的调整，估算出标准时间，从而在一定时间内保持高精度授时信息的输出，即完成守时的功能。

作为优选，所述GNSS接收机包括射频、基带、导航定位解算模块、高精度时钟，所述GNSS接收机用于接收卫星信号，所述射频用于信号的下变频和A/D转换，所述基带用于信号的捕获、跟踪和解调，所述导航定位解算模块用于PVT解算。

作为优选，所述步骤S7中的GNSS接收机输出定位信息和授时信息具体方法为GNSS接收机通过同一个串口输出定位语句和授时语句，所述串口即为RS232/UART接口。

作为优选，所述授时语句与定位语句的输出频率一致，通过配置命令修改GNSS接收机定位语句和授时语句的输出频率。

作为优选，所述GNSS接收机支持单频/多频、单模/多模的工作模式，所述工作模式通过发送配置命令进行切换。

作为优选，所述接收卫星信号的具体方式为采用多通道并行的方式。

因此，本发明具有如下的有益效果：GNSS接收机的导航、定位信息与授时信息通过同一个串口进行播发，让设备在得到定位信息的同时，获得精确的时间信息，这解决了GNSS接收机输出位置信息和时间信息的时刻与标准UTC时间相比有延迟的问题，并且摆脱了传统1PPS授时单独占用一个串口的不足，为设备节省了一个串口。

附图说明

图1是本发明实施例的GNSS接收机授时工作流程图；

图2是本发明实施例的GNSS接收机时钟校正示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提出一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，参考图1和图2，包括GNSS天线、GNSS接收机和RS232/UART接口，包括以下步骤：

S1，GNSS接收机接收卫星信号；接收卫星信号的具体方式为采用多通道并行的方式；

S2，卫星信号进行下变频和A/D转换；具体在射频前端进行；

S3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；具体的，GNSS接收机中的基带对卫星信号进行捕获、跟踪和解调；

S4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；

S5，进行PVT解算，获取GNSS接收机的位置、速度和时间信息；具体的，GNSS接收机中的导航定位解算模块进行PVT结算，GNSS接收机输出的时间和标准的UTC时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要来自于定位解算消耗的时间；

S6，对GNSS接收机进行授时和守时处理；

S61，设定在t0时刻GNSS接收机获得有效定位信息，此时导航卫星的时间为St0，对应的UTC时间为Ut0，Ut0与标准的UTC时间是严格对齐的，误差为几纳秒，GNSS接收机本地时钟不记录时间信息，其触发和GNSS接收机输出频率一致的等间隔信号，所述等间隔信号被GNSS接收机内部识别和记录，每当本地时钟产生触发信号时，GNSS接收机立刻向串口发送一条授时语句，假设GNSS接收机本地时钟在t0时刻触发信号的临近时间为Tic0，在t0时刻，Tic0与Ut0存在一个偏差值δt，即为GNSS接收机的时钟偏差：

δt＝Ut0-Tic0

在进入下一时刻t1时，GNSS接收机对本地时钟信息进行修正，GNSS接收机本地时钟新的信号触发时间为:

Tic1＝Tic1+δt

等号右边的Tic1是未修正的本地时钟信号触发时间，等号左边的Tic1是修正后的本地时钟信号触发时间，经过修正后的Tic1和GNSS接收机时间Ut1是对齐的，误差为几纳秒；

S62，在t1时刻，当本地高精度时钟信号触发时，GNSS接收机立刻向RS232/UART串口发送一条授时信息，由于包含UTC时间的定位语句输出有一定的延迟，所以授时语句是提前的，因此，GNSS接收机本地时钟触发时对应的真实时间Ut1为：

Ut1＝Ut0+dt

其中，dt是根据GNSS接收机定位语句或授时语句输出频率确定的时间间隔，t1时刻以后，GNSS接收机时钟信号触发的时间Tic和GNSS计算出的卫星时间是对齐的；

S63，对于GNSS接收机的本地高精度时钟，当GNSS接收机持续输出定位信息后，GNSS接收机的本地时钟会估计出本地时钟的偏移信息，并根据需要进行调整，当偏移积累到设定的阈值后，GNSS接收机会再次把偏移信息校正给Tic，从而完成连续的高精度授时；

S7，GNSS接收机输出定位信息和授时信息。

步骤S6中的守时处理方法为：GNSS接收机内部除了记录本地时钟的偏移信息δt，同时还会估计出GNSS接收机时钟的频偏信息df，当GNSS卫星信号消失，GNSS接收机不能获得定位信息时，GNSS接收机本地时钟的偏移信息为：

δt＝δt0+df·Δt

δt0为卫星信号消失时或时钟调整后的时钟偏移信息，Δt为GNSS接收机失去信号或时钟调整后的运行时间，通过对δt的调整，估算出标准时间，从而在一定时间内保持高精度授时信息的输出，即完成守时的功能。

GNSS接收机包括射频、基带、导航定位解算模块、高精度时钟，所述GNSS接收机用于接收卫星信号，所述射频用于信号的下变频和A/D转换，所述基带用于信号的捕获、跟踪和解调，所述导航定位解算模块用于PVT解算，所述的高精度时钟用于触发等间隔信号。

步骤S7中的GNSS接收机输出定位信息和授时信息具体方法为GNSS接收机通过同一个串口输出定位语句和授时语句，所述串口即为RS232/UART接口。授时语句与定位语句的输出频率一致，通过配置命令修改GNSS接收机定位语句和授时语句的输出频率。GNSS接收机支持单频/多频、单模/多模的工作模式，工作模式通过发送配置命令进行切换。

GNSS接收机采用多通道并行的方式接收GNSS信号，GNSS接收机中射频前端对GNSS信号进行下变频和A/D转换处理，在基带上完成信号的捕获、跟踪和电文解调，收集到导航卫星的原始电文信息后，进行解码获取卫星的测量值和导航电文信息。通过GNSS接收机的导航定位解算模块完成PVT解算，获得GNSS接收机的位置、速度和时间信息。GNSS接收机输出位置信息和时间信息的时刻和标准的UTC时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要为定位解算消耗的时间。步骤S6就是为解决这个时间延迟的问题进行授时和守时处理，最后GNSS接收机输出定位信息和授时信息。

本发明的方法简述为GNSS接收机接收卫星信号，进行PVT解算，获得GNSS接收机的位置信息和时间信息。GNSS接收机本地时钟可以发出等间隔的时钟信号，并被GNSS接收机内部记录。GNSS接收机内部计算出信号触发时间和GNSS时间的偏差，并将偏差校正给GNSS接收机时钟，改正信号的触发时间，这样本地时钟信号触发的时间和标准时间就是严格对齐的。随后，当本地时钟再次触发信号时，GNSS接收机立刻向RS232/UART接口发送一条授时语句。由于GNSS接收机发送包含时间的定位语句时是有一定延迟的，因此当被授时设备收到授时语句时，其对应的时刻为上一次GNSS接收机的输出时间加一个时刻，该时刻与卫星时间是对齐的，一般优于100ns。

显然，本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，包括GNSS天线、GNSS接收机和RS232/UART接口，其特征是，包括以下步骤：

S1，GNSS接收机接收卫星信号；

S2，卫星信号进行下变频和A/D转换；

S3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；

S4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；

S5，进行PVT解算，获取GNSS接收机的位置、速度和时间信息；

S6，对GNSS接收机进行授时和守时处理；

S7，GNSS接收机输出定位信息和授时信息，定位信息包含接收机的位置、速度和时间信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述步骤S6的授时处理方法具体为：

S61，设定在t0时刻GNSS接收机获得有效定位信息，此时导航卫星的时间为St0，对应的UTC时间为Ut0，Ut0与标准的UTC时间是严格对齐的，误差为几纳秒，GNSS接收机本地时钟不记录时间信息，其触发和GNSS接收机输出频率一致的等间隔信号，所述等间隔信号被GNSS接收机内部识别和记录，每当本地时钟产生触发信号时，GNSS接收机立刻向串口发送一条授时语句，假设GNSS接收机本地时钟在t0时刻触发信号的临近时间为Tic0，在t0时刻，Tic0与Ut0存在一个差值δt，即为GNSS接收机的时钟偏差：

δt＝Ut0-Tic0

在进入下一时刻t1时，GNSS接收机对本地时钟进行修正，GNSS接收机本地时钟新的信号触发时间为:

Tic1＝Tic1+δt

等号右边的Tic1是未修正的本地时钟信号触发时间，等号左边的Tic1是修正后的本地时钟信号触发时间，经过修正后的Tic1和GNSS接收机时间Ut1是对齐的，误差为几纳秒；

S62，在t1时刻，当本地高精度时钟信号触发时，GNSS接收机立刻向RS232/UART串口发送一条授时信息，由于包含UTC时间的定位语句输出有一定的延迟，所以授时语句是提前的，因此，GNSS接收机本地时钟触发信号时对应的真实时间Ut1为：

Ut1＝Ut0+dt

其中，dt是根据GNSS接收机定位语句或授时语句输出频率确定的时间间隔，t1时刻以后，GNSS接收机时钟信号触发的时间Tic和GNSS计算出的卫星时间是对齐的；

S63，对于GNSS接收机的本地高精度时钟，当GNSS接收机持续输出定位信息后，GNSS接收机的本地时钟会估计出本地时钟的偏移信息，并根据需要进行调整，当偏移积累到设定的阈值后，GNSS接收机会再次把偏移信息校正给Tic，从而完成连续的高精度授时。

3.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述步骤S6中的守时处理方法为：GNSS接收机内部除了记录本地时钟的偏移信息δt，同时还会估计出GNSS接收机时钟的频偏信息df，当GNSS卫星信号消失，GNSS接收机不能继续获得定位信息时，GNSS接收机本地时钟的偏移信息为：

δt＝δt0+df·Δt

δt0为卫星信号消失时或时钟调整后的时钟偏移信息，Δt为GNSS接收机失去信号或时钟调整后的运行时间，通过对δt的调整，估算出标准时间，从而在一定时间内保持高精度授时信息的输出，即完成守时的功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述GNSS接收机包括射频、基带、导航定位解算模块和高精度时钟，所述GNSS接收机用于接收卫星信号，所述射频用于信号的下变频和A/D转换，所述基带用于信号的捕获、跟踪和解调，所述导航定位解算模块用于PVT解算，所述的高精度时钟用于触发等间隔信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述步骤S7中的GNSS接收机输出定位信息和授时信息具体方法为GNSS接收机通过同一个串口输出定位语句和授时语句，所述串口即为RS232/UART接口。

6.根据权利要求5所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述授时语句与定位语句的输出频率一致，通过配置命令修改GNSS接收机定位语句和授时语句的输出频率。

7.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述GNSS接收机支持单频/多频、单模/多模的工作模式，所述工作模式通过发送配置命令进行切换。

8.根据权利要求1所述的一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法，其特征是，所述接收卫星信号的具体方式为采用多通道并行的方式。

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