CN115032883B - 基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置及方法 - Google Patents

基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于北斗PPP‑B2b高精度实时时间同步装置，包括PPP‑B2b改正信息获取模块、PPP‑B2b改正信息解码模块、PPP实时时差解算模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、本地参考时钟、时间信号产生模块和GNSS天线模块，本发明还公开了基于北斗PPP‑B2b高精度实时时间同步方法。本发明可实现仅接收到有效北斗三号全球卫星导航系统的数据的情况下的高精度PPP时间传递与时间同步，突破了网络限制难点；鲁棒性强、稳定度高、可靠性高；可实现实时纳秒级及亚纳秒级时间同步。

Description

基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置及方法
技术领域
本发明属于时间频率技术领域，具体涉及基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置，还涉及基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步方法。
背景技术
高精度实时时间同步设备广泛应用于科学和工程领域，如高能物理、移动通信(5G)、智慧金融、智能交通(无人驾驶)、雷达组网等领域都需要统一的高精度标准时间。本发明专利利用国家大力发展的北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)，采用基于北斗PPP-B2b的实时时差解算技术、高精度时差实时测量技术和精密时频驾驭技术，实现高精度实时时间同步，可为上述领域建立统一的高精度实时标准时间。
精密单点定位(PPP)时频传递技术，以其精度高、覆盖范围广、成本低、灵活的优点成为性能最优的GNSS时频传递方法，广泛应用于时间比对、时间同步、时频基准建立与维持等领域。但是，目前PPP实时时间传递技术必须依靠网络实时播发的改正信息，来实现高精度时间传递，故网络堵塞、中断以及没有网络等情况下，PPP时间传递技术难以实现高精度实时时间同步。
另外，普通GNSS驯服时钟的实时时间同步方法的同步精度受电磁波传输链路时延变化、卫星钟频率漂移、接收机内部时延变化等影响，同步精度较低。而共视、全视等时间同步方法，需要利用事后精密产品或者事后比对才能实现高精度时间比对，所以无法实现实时高精度时间同步。目前，关于北斗三号全球卫星导航系统PPP-B2b改正信息的研究主要集中在PPP-B2b产品的质量、稳定性和可靠性评估以及在定位导航方面应用，尚未有基于北斗PPP-B2b的高精度实时时间同步方法的研究。
因此，本发明提出了基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置及方法，基于BDS-3播发的精密单点定位服务PPP-B2b改正信息，实时解析PPP-B2b改正信息，解决没有网络情况下实时获取导航卫星精密轨道和钟差的问题，设计了顾及PPP-B2b特点的实时时差解算方法，完成高精度实时时差解算，实现广域纳秒级实时时间同步。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置，还提供基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步方法。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置，包括GNSS天线模块，还包括PPP-B2b改正信息获取模块、PPP-B2b改正信息解码模块、PPP实时时差解算模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、本地参考时钟和时间信号产生模块，
本地参考时钟，用于根据频率驾驭量校准10MHz参考时钟信号并输出到PPP-B2b改正信息获取模块、实时高精度时差测量模块和时间信号产生模块；
时间信号产生模块，用于根据本地参考时钟提供的10MHz参考时钟信号以及时间驾驭量，校准本地1PPS时间信号并输出到实时高精度时差测量模块；
GNSS天线模块，用于接收GNSS信号并输出给PPP-B2b改正信息获取模块；
PPP-B2b改正信息获取模块，用于根据GNSS信号获得PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，获得原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块，还用于根据GNSS信号生成接收模块1PPS信号并发送给实时高精度时差测量模块；
PPP-B2b改正信息解码模块，用于根据PPP-B2b改正信息，计算卫星轨道的改正信息和钟差的改正信息，并根据卫星轨道的改正信息和钟差的改正信息计算卫星精密轨道和精密钟差并输出给PPP实时时差解算模块；
PPP实时时差解算模块，用于根据PPP-B2b改正信息的播发时间间隔和时变特征，确定卡尔曼滤波器参数，将卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据输入到卡尔曼滤波器中，采用消电离层组合的方式计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差，并输出PPP解算时差给精密时频驾驭模块；
实时高精度时差测量模块，用于实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差并输出给精密时频驾驭模块；
精密时频驾驭模块，用于根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量。
基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步方法，包括以下步骤：
步骤1、GNSS天线模块接收GNSS信号并发送给PPP-B2b改正信息获取模块，PPP-B2b改正信息获取模块根据GNSS信号获取PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，PPP-B2b改正信息获得原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块；
步骤2、PPP-B2b改正信息解码模块根据PPP-B2b改正信息和广播星历，计算出卫星精密轨道和精密钟差，并将PPP-B2b改正信息、卫星精密轨道和精密钟差输出给PPP实时时差解算模块；
步骤3、PPP实时时差解算模块根据PPP-B2b改正信息的播发时间间隔和时变特征，确定卡尔曼滤波器参数，将卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据输入到卡尔曼滤波器中，采用消电离层组合的方式计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差，并输出PPP解算时差给精密时频驾驭模块；
步骤4、PPP-B2b改正信息获取模块和时间信号产生模块分别输出接收模块1PPS信号和本地1PPS信号给实时高精度时差测量模块，实时高精度时差测量模块实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差，并将测量的实时测量时差输出给精密时频驾驭模块；
步骤5、精密时频驾驭模块根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量，通过频率驾驭量校准本地参考时钟的10MHz参考时钟信号的频率，通过时间驾驭量校准时间信号产生模块输出的本地1PPS信号的相位。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、仅接收到有效北斗三号全球卫星导航系统的数据的情况下，可实现高精度PPP时间传递与时间同步，突破了现有PPP时间传递技术中网络限制难点；
2、本发明采用北斗PPP-B2b方式获取卫星精密轨道和精密钟差的改正信息，仅在GNSS信号受到干扰情况下PPP时间同步精度降低，故本发明专利时间同步装置及其同步方法的鲁棒性强、稳定度高、可靠性高；
3、本发明采用基于精密单点定位实时时差解算方法，时间溯源精度高，可实现实时纳秒级及亚纳秒级时间同步；
4、本发明采用基于精密单点定位实时时差解算方法，突破了本发明装置之间基线长度对时间同步精度的影响，且基线长度对时间同步精度的基本可忽略，故本发明时间同步方法具有广域、实时、高精度特点。
附图说明
图1是本发明装置一实例的原理框图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置包括：PPP-B2b改正信息获取模块、PPP-B2b改正信息解码模块、PPP实时时差解算模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、本地参考时钟、时间信号产生模块、GNSS天线模块和精密电源模块。
PPP-B2b改正信息获取模块分别与本地参考时钟、GNSS天线模块、PPP-B2b改正信息解码模块、实时高精度时差测量模块、以及PPP实时时差解算模块相连，本实施例中，PPP-B2b改正信息获取模块为北斗三号全球卫星导航系统接收模块，本地参考时钟为PPP-B2b改正信息获取模块提供10MHz参考时钟信号，GNSS天线模块将接收的GNSS信号输出给PPP-B2b改正信息获取模块，PPP-B2b改正信息获取模块接收GNSS信号，并根据北斗三号全球卫星导航系统播发的GNSS信号，获取原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块，获取PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，同时PPP-B2b改正信息获取模块根据GNSS信号生成接收模块1PPS信号并发送给实时高精度时差测量模块。
PPP-B2b改正信息解码模块分别与PPP-B2b改正信息获取模块和PPP实时时差解算模块相连，PPP-B2b改正信息解码模块接收PPP-B2b改正信息获取模块输出的PPP-B2b改正信息和广播星历，根据PPP-B2b改正信息的协议格式，实时解析并获得卫星轨道的改正信息和钟差的改正信息，在不要求网络情况下，根据北斗三号全球卫星播发的PPP-B2b改正信息实时计算出卫星精密轨道和精密钟差，并将卫星精密轨道和精密钟差输出给PPP实时时差解算模块。
PPP实时时差解算模块分别与PPP-B2b改正信息解码模块和精密时频驾驭模块相连，PPP实时时差解算模块接收PPP-B2b改正信息解码模块输出的卫星精密轨道和精密钟差，根据卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据，采用顾及PPP-B2b特点的时差解算方法，实时解算PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差并输出PPP解算时差给精密时频驾驭模块。
采用顾及PPP-B2b特点的时差解算方法包括以下步骤，根据PPP-B2b改正信息的播发时间间隔和时变特征，确定卡尔曼滤波器参数，包括协方差矩阵、状态矩阵等，将卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据输入到卡尔曼滤波器中，采用消电离层组合的方式计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差，实现高精度时差解算和高精度时间溯源。
实时高精度时差测量模块分别与本地参考时钟、PPP-B2b改正信息获取模块、精密时频驾驭模块和时间信号产生模块相连，本地参考时钟为实时高精度时差测量模块提供10MHz参考时钟信号，PPP-B2b改正信息获取模块和时间信号产生模块分别输出接收模块1PPS信号、本地1PPS信号给实时高精度时差测量模块，且实时高精度时差测量模块实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差，并将测量的实时测量时差输出给精密时频驾驭模块。
精密时频驾驭模块分别与本地参考时钟、实时高精度时差测量模块、PPP实时时差解算模块和时间信号产生模块相连，实时高精度时差测量模块和PPP实时时差解算模块分别输出PPP解算时差和实时测量时差给精密时频驾驭模块，精密时频驾驭模块根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量，频率驾驭量用于校准本地参考时钟的10MHz参考时钟信号的频率，时间驾驭量用于校准时间信号产生模块输出本地1PPS信号的相位，实现本发明时间同步装置与导航系统之间的高精度时间同步，并以导航系统时间为参考，实现本发明时间同步装置之间的高精度时间同步。
本地参考时钟与PPP-B2b改正信息获取模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、时间信号产生模块相连，本地参考时钟为PPP-B2b改正信息获取模块、实时高精度时差测量模块、时间信号产生模块提供高性能的10MHz参考时钟信号，并为本发明装置的外部用时终端提供10MHz参考时钟信号。通过根据精密时频驾驭模块的频率驾驭量校准本地参考时钟频率，提高本发明装置的输出10MHz参考时钟信号的频率准确度。
时间信号产生模块与本地参考时钟、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块相连，以本地参考时钟提供的10MHz参考时钟为基准，时间信号产生模块产生本地1PPS时间信号，并将本地1PPS信号输出给实时高精度时差测量模块和本发明装置外部用时终端，同时根据精密时频驾驭模块计算的时间驾驭量，实时校准本地1PPS信号的时间相位，实现本发明装置之间的高精度时间同步。
GNSS天线模块与PPP-B2b改正信息获取模块相连，接收GNSS信号并进行低噪声放大后输出给PPP-B2b改正信息获取模块。
精密电源模块分别与PPP-B2b改正信息获取模块、PPP-B2b改正信息解码模块、PPP实时时差解算模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、本地参考时钟、时间信号产生模块、GNSS天线模块相连，为上述模块提供低噪声、差异化供电电源。
基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步方法，利用上述基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置，包括以下步骤：
步骤1、GNSS天线模块接收GNSS信号并进行低噪声放大后输出给PPP-B2b改正信息获取模块，PPP-B2b改正信息获取模块根据GNSS信号获取PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，PPP-B2b改正信息获取模块获取原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块；
步骤2、PPP-B2b改正信息解码模块根据PPP-B2b改正信息和广播星历，计算出卫星精密轨道和精密钟差，并输出给PPP实时时差解算模块；
步骤3、PPP实时时差解算模块根据卫星精密轨道和精密钟差，实时计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统时间之间的PPP解算时差并输出给精密时频驾驭模块；
步骤4、PPP-B2b改正信息获取模块和时间信号产生模块分别输出接收模块1PPS信号和本地1PPS信号给实时高精度时差测量模块，实时高精度时差测量模块实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差，并将测量的实时测量时差输出给精密时频驾驭模块；
步骤5、精密时频驾驭模块根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量，通过频率驾驭量校准本地参考时钟的10MHz参考时钟信号的频率，通过时间驾驭量校准时间信号产生模块输出的本地1PPS信号的相位。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例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作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超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步装置，包括GNSS天线模块，其特征在于，还包括PPP-B2b改正信息获取模块、PPP-B2b改正信息解码模块、PPP实时时差解算模块、实时高精度时差测量模块、精密时频驾驭模块、本地参考时钟和时间信号产生模块，
本地参考时钟，用于根据频率驾驭量校准10MHz参考时钟信号并输出到PPP-B2b改正信息获取模块、实时高精度时差测量模块和时间信号产生模块；
时间信号产生模块，用于根据本地参考时钟提供的10MHz参考时钟信号以及时间驾驭量，校准本地1PPS时间信号并输出到实时高精度时差测量模块；
GNSS天线模块，用于接收GNSS信号并输出给PPP-B2b改正信息获取模块；
PPP-B2b改正信息获取模块，用于根据GNSS信号获得PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，获得原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块，还用于根据GNSS信号生成接收模块1PPS信号并发送给实时高精度时差测量模块；
PPP-B2b改正信息解码模块，用于根据PPP-B2b改正信息，计算卫星轨道的改正信息和钟差的改正信息，并根据卫星轨道的改正信息和钟差的改正信息计算卫星精密轨道和精密钟差并输出给PPP实时时差解算模块；
PPP实时时差解算模块，用于根据PPP-B2b改正信息的播发时间间隔和时变特征，确定卡尔曼滤波器参数，将卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据输入到卡尔曼滤波器中，采用消电离层组合的方式计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差，并输出PPP解算时差给精密时频驾驭模块；
实时高精度时差测量模块，用于实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差并输出给精密时频驾驭模块；
精密时频驾驭模块，用于根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量。
2.基于北斗PPP-B2b高精度实时时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、GNSS天线模块接收GNSS信号并发送给PPP-B2b改正信息获取模块，PPP-B2b改正信息获取模块根据GNSS信号获取PPP-B2b改正信息和广播星历并输出给PPP-B2b改正信息解码模块，PPP-B2b改正信息获得原始伪距和载波相位观测数据并发送到PPP实时时差解算模块；
步骤2、PPP-B2b改正信息解码模块根据PPP-B2b改正信息和广播星历，计算出卫星精密轨道和精密钟差，并将PPP-B2b改正信息、卫星精密轨道和精密钟差输出给PPP实时时差解算模块；
步骤3、PPP实时时差解算模块根据PPP-B2b改正信息的播发时间间隔和时变特征，确定卡尔曼滤波器参数，将卫星精密轨道、精密钟差、原始伪距和载波相位观测数据输入到卡尔曼滤波器中，采用消电离层组合的方式计算出PPP-B2b改正信息获取模块与导航系统之间的PPP解算时差，并输出PPP解算时差给精密时频驾驭模块；
步骤4、PPP-B2b改正信息获取模块和时间信号产生模块分别输出接收模块1PPS信号和本地1PPS信号给实时高精度时差测量模块，实时高精度时差测量模块实时测量接收模块1PPS信号和本地1PPS信号的时差，并将测量的实时测量时差输出给精密时频驾驭模块；
步骤5、精密时频驾驭模块根据PPP解算时差和实时测量时差计算出频率驾驭量和时间驾驭量，通过频率驾驭量校准本地参考时钟的10MHz参考时钟信号的频率，通过时间驾驭量校准时间信号产生模块输出的本地1PPS信号的相位。
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