CN115413012A - 一种mimo伪卫星系统基站的时钟同步方法 - Google Patents

一种mimo伪卫星系统基站的时钟同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，属于室内定位技术领域。该方法通过主基站的北斗授时模块和串口通信模块进行系统时钟基准参数的初始化，既可以和BDT时间参数一致，也可以自定义形成独立的时间参数。从基站通过信号处理模块和时钟同步模块，首先调整本地时间信息参数，然后使用普通测距码计算粗略钟差并进行1PPS秒脉冲相位修正，接着重新生成伪卫星信号，最后使用高速测距码完成周期性的精密钟差监测以及导航电文钟差参数更新。本发明使得系统时钟基准既可以BDT保持一致，也可以自定义时间参数，具有较好的兼容性。

Description

一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法
技术领域
本发明涉及一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，属于室内定位技术领域，适用于大范围空间，尤其针对使用多个MIMO伪卫星系统基站进行组网布设时建立统一时间基准问题。
背景技术
随着社会信息化管理的需求不断增加，各种各样的室内外定位技术在不断的发展。在室外区域，GNSS能够提供高精度有效的定位服务；而在地铁、大厦、停车场、航站楼等室内封闭区域，由于GNSS信号受遮挡严重，无法继续提供有效服务，需要通过其他定位技术进行弥补。
为了解决室内定位问题，目前常用的方法是利用现有的无线电通信技术搭建室内定位系统，如WI-FI、蓝牙、UWB等。这一类技术的缺点是信号频率高，传播损耗大，覆盖距离近且信号穿透能力弱，因此在大范围的室内区域搭建需要很高的成本。
而伪卫星技术采用的信号体制与GNSS信号相近，频率相对较低，传播损耗较小，覆盖距离远且信号具有一定的穿透能力，在大范围的室内区域搭建能够有效的降低成本。同时由于其信号体制和GNSS的相似性，该技术在实现室内外定位切换上有独特的优势。但是对于大范围室内空间的应用场景，需要布设多个伪卫星基站来满足信号的有效覆盖。
目前广泛使用的伪卫星定位方法需要不同的伪卫星信号之间具有统一的时钟基准，对于MIMO伪卫星系统来说，其单个基站播发的多颗伪卫星信号之间已经具备了时钟同步特性，但是对于不同基站的信号仍然需要一种方法来消除不同时钟源带来的偏差，建立统一的时钟基准，从而提升用户接收机使用MIMO伪卫星信号进行定位时的精度。
发明内容
发明目的：为在多个MIMO伪卫星基站间建立统一时钟基准，本发明所要解决的技术问题是MIMO伪卫星系统初始化和长期运行过程中基站间不同时钟源的偏差带来的影响。本发明提出一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法。
本发明解决上述问题的方法通过如下的技术方案实现：
本发明的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，所述方法针对室内空间布设的一个主基站和多个从基站；
主基站作为系统参考时钟基准，包括有北斗授时模块和串口通信模块，北斗授时模块具有输出当前BDT时间参数的功能，串口通信模块具有输出自定义时间参数的功能；
从基站包括有信号处理模块和时钟同步模块，信号处理模块用于接受处理主基站播发的伪卫星信号并将数据信息发送给时钟同步模块，时钟同步模块根据输入的数据信息执行相关时钟同步任务，该方法包括以下步骤：
A.主基站根据时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化并向外播发伪卫星信号；
B.从基站根据接收到的主基站伪卫星信号进行本地时间信息参数调整；
C.从基站使用普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1：
Figure BDA0003820582970000021
其中，ΔT1表示主从基站之间的粗略钟差，单位为ns，S和M分别表示从基站和主基站的一个发射天线，I表示从基站的一个接收天线，c表示无线电信号的传播速率，
Figure BDA0003820582970000022
和
Figure BDA0003820582970000023
分别表示从基站接收天线I同发射天线S和M之间的几何距离，
Figure BDA0003820582970000024
和
Figure BDA0003820582970000025
分别表示使用普通测距码计算的接收天线I对发射天线S和M的伪距观测值，dS和dM分别表示从基站和主基站的通道传输时延；
D.从基站根据主从基站之间的粗略钟差ΔT1，进行本地时钟1PPS秒脉冲相位的修正；
E.从基站使用高速测距码根据公式(2)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数，完成MIMO伪卫星系统基站的时钟同步，
Figure BDA0003820582970000026
其中，精密钟差ΔT2表示n个历元钟差ΔTj的均值，单位为ns，ΔTj表示第j个历元的钟差计算结果，
Figure BDA0003820582970000027
和
Figure BDA0003820582970000028
分别表示使用高速测距码计算的接收天线I对发射天线S和M的伪距观测值。
在步骤A中，选择北斗授时模块或者串口通信模块输出时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化，其中北斗授时模块输出的为BDT时间参数，串口通信模块输出的为自定义时间参数，主基站根据时间参数中的整周计数和周内时秒计数，首先初始化参考时钟基准的年、月、日、小时、分钟、秒信息，然后开始向外播发伪卫星信号。
在步骤B中所述从基站通过主基站播发的伪卫星信号进行本地时间信息调整的过程包括：
从基站首先通过信号处理模块对主基站的伪卫星信号进行捕获跟踪；
在搜索到主基站的一颗伪卫星信号后，转入跟踪阶段，持续解调导航电文数据；
待跟踪环路进入稳定状态后，寻找相应的同步头序列进行导航电文的帧同步，完成帧同步后将数据信息发送给时钟同步模块；
时钟同步模块根据导航电文数据中携带的整周计数和周内时秒计数的参数进行从基站本地时间信息的调整。
在步骤C中，从基站使用普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1的过程包括：
选定从基站和主基站用于钟差监测的发射天线S和M，以及从基站的接收天线I，并进行位置的固定，通过全站仪或激光测距仪等设备准确测量收发天线的几何距离
Figure BDA0003820582970000031
和
Figure BDA0003820582970000032
这里的几何距离指的是收发天线相位中心之间的距离；
主从基站分别播发单载波信号，通过示波器对两者的通道传输时延分别进行标定，根据示波器的单载波信号相位差分别获得dS和dM参数值，这里的通道时延指的是伪卫星信号播发与接收过程中，射频前端与天线之间的传输时延；
从基站的时钟同步模块通过普通测距码进行伪距观测值
Figure BDA0003820582970000033
和
Figure BDA0003820582970000034
的计算，并根据
Figure BDA0003820582970000035
dS和dM参数值计算与主基站的粗略钟差ΔT1。
在步骤D中所述从基站进行本地时钟1PPS秒脉冲相位的修正过程包括：
时钟同步模块根据公式(3)计算1PPS秒脉冲相位修正参数ModT1
Figure BDA0003820582970000036
其中，floor()表示向下取整；η表示延时校正模块的系统时钟分辨率，单位为ns；
延时校正模块根据计算出的ModT1参数进行1PPS秒脉冲相位修正。
在步骤E中，每个从基站使用高速测距码根据公式(2)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数的过程包括：
完成延时校正后，从基站重新生成本地的伪卫星信号，系统进入正式运行状态；
从基站设定历元输出的周期和精密钟差监测周期长度，使用高速测距码计算第j个历元的伪距观测值
Figure BDA0003820582970000037
和
Figure BDA0003820582970000038
根据步骤C中测量的几何距离
Figure BDA0003820582970000039
和dS、dM参数值以及公式(2)计算精密钟差ΔT2，并在导航电文中周期性的更新钟差参数，提供给用户接收机完成主从基站间的时钟同步。
本发明的优点是：主基站的系统参考时钟基准既可以通过北斗授时模块与BDT保持一致，也可以通过串口输入自定义的时间参数，具有较好的兼容性。室内环境下利用普通测距码能够快速计算出伪距且具有较好的精度，保证了系统初始化时粗略钟差计算的效率与准确度。在系统正式运行状态下使用高速测距码进行钟差的周期性精密监测，并在导航电文中更新钟差参数，确保了用户接收机能够获得从基站与系统时钟基准的高精度钟差，从而提升定位结果的准确性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的技术方案和具体实施例，下面将对详细描述技术方案和具体实施例所使用的附图作简单介绍，显然，下面列出的附图仅是本发明的一部分实施例，在没有创造性改动的前提下，根据这些附图还可以得到其他实施例的附图。
图1是实施例一室内MIMO伪卫星系统主从基站结构图。
图2是实施例一的主基站北斗授时模块和串口通信模块关系图。
图3是实施例一MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法的流程图。
图4是实施例一主从基站收发天线结构关系示意图。
图5是实施例一从基站1PPS秒脉冲延时校正过程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图对本发明的对本发明的一种实施例作进一步说明。显然，所描述的仅是本发明的一部分实施例，是为了说明技术方案而举出的示例，凡未做出创造性修改的其他实施例，均在本发明的保护范围之内。
实施例一：
本实施例中室内MIMO伪卫星系统主从基站结构如图1所示，由1个主基站和n个从基站组成。主基站作为系统参考时钟基准，包括有北斗授时模块和串口通信模块，北斗授时模块具有输出当前北斗标准时参数的功能，串口通信模块具有输出自定义时间参数的功能，这两个功能模块的关系如图2所示，选择器用于通过输入的选择信号输出相应的时间参数。
从基站包括有信号处理模块和时钟同步模块，信号处理模块用于接受处理主基站播发的伪卫星信号并将数据信息发送给时钟同步模块，时钟同步模块根据输入的数据信息执行相关时钟同步任务。
本实施例中MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法的流程如图3所示，通过上述主从基站的功能模块实现，包括以下步骤：
A.主基站根据时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化并向外播发伪卫星信号。
B.从基站根据接收到的主基站伪卫星信号进行本地时间信息参数调整。
C.从基站使用普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1：
Figure BDA0003820582970000041
D.从基站根据粗略钟差计算结果ΔT1，进行本地时钟1PPS秒脉冲相位的修正。
E.从基站使用高速测距码根据公式(2)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数，完成MIMO伪卫星系统基站的时钟同步。
Figure BDA0003820582970000051
在本实施例步骤A中，选择北斗授时模块输出的BDT时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化，主基站根据时间参数中的整周计数和周内时秒计数，首先初始化参考时钟基准的年、月、日、小时、分钟、秒信息，然后开始向外播发伪卫星信号。
在本实施例步骤B中，从基站通过主基站播发的伪卫星信号进行本地时间信息调整的过程。首先通过信号处理模块对主基站的伪卫星信号进行捕获跟踪，在搜索到主基站的一颗伪卫星信号后，转入跟踪阶段，持续解调导航电文数据。然后待跟踪环路进入稳定状态后，寻找相应的同步头序列进行导航电文的帧同步，完成帧同步后将数据信息发送给时钟同步模块。
时钟同步模块根据导航电文数据中携带的整周计数和周内时秒计数等参数进行从基站本地时间信息的调整。
在本实施例步骤C中，从基站使用北斗B1I的测距码(速率2.046MHz)作为普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1。选定从基站和主基站用于钟差监测的发射天线S和M，以及从基站的接收天线I，并进行位置的固定，其结构关系如图4所示。通过全站仪或激光测距仪等设备准确测量收发天线相位中心之间的几何距离
Figure BDA0003820582970000052
和
Figure BDA0003820582970000053
主从基站分别播发单载波信号，通过示波器对两者的通道传输时延分别进行标定，根据示波器的单载波信号相位差分别获得dS和dM参数值，这里的通道传输时延指的是伪卫星信号播发和接收后，射频前端至天线之间的传输时延；
时钟同步模块通过北斗B1I的测距码进行伪距观测值
Figure BDA0003820582970000054
和
Figure BDA0003820582970000055
的计算，并根据
Figure BDA0003820582970000056
ds和dM参数值计算与主基站的粗略钟差ΔT1。
在本实施例步骤D中，从基站时钟同步模块根据公式(3)计算1PPS秒脉冲相位修正参数ModT1，并根据计算出的ModT1参数进行1PPS秒脉冲相位延时校正，图5为延时校正过程示意图，延时校正模块的系统时钟分辨率η取10ns。
Figure BDA0003820582970000057
在本实施例步骤E中，每个从基站使用的高速测距码速率为10.23MHz，设定历元输出周期1s，精密钟差监测周期1h，则可将公式(2)转化为公式(4)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数。
Figure BDA0003820582970000061
从基站完成延时校正后，从基站重新生成本地的伪卫星信号，系统进入正式运行状态，使用高速测距码根据公式(4)计算精密钟差ΔT2，并在每个小时更新一次导航电文中的钟差参数，提供给用户接收机完成主从基站间的时钟同步。
以上详细描述了本发明的一具体实施例。本领域的技术人员应当了解，本发明不受上述具体实施例的限制。上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于：所述方法针对室内空间布设的一个主基站和多个从基站；
主基站作为系统参考时钟基准，包括有北斗授时模块和串口通信模块，北斗授时模块具有输出当前BDT时间参数的功能，串口通信模块具有输出自定义时间参数的功能；
从基站包括有信号处理模块和时钟同步模块，信号处理模块用于接受处理主基站播发的伪卫星信号并将数据信息发送给时钟同步模块，时钟同步模块根据输入的数据信息执行相关时钟同步任务，该方法包括以下步骤：
A.主基站根据时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化并向外播发伪卫星信号；
B.从基站根据接收到的主基站伪卫星信号进行本地时间信息参数调整；
C.从基站使用普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1：
Figure FDA0003820582960000011
其中，ΔT1表示主从基站之间的粗略钟差，单位为ns，S和M分别表示从基站和主基站的一个发射天线，I表示从基站的一个接收天线，c表示无线电信号的传播速率，
Figure FDA0003820582960000012
和
Figure FDA0003820582960000013
分别表示从基站接收天线I同发射天线S和M之间的几何距离，
Figure FDA0003820582960000014
和
Figure FDA0003820582960000015
分别表示使用普通测距码计算的接收天线I对发射天线S和M的伪距观测值，dS和dM分别表示从基站和主基站的通道传输时延；
D.从基站根据主从基站之间的粗略钟差ΔT1，进行本地时钟1PPS秒脉冲相位的修正；
E.从基站使用高速测距码根据公式(2)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数，完成MIMO伪卫星系统基站的时钟同步，
Figure FDA0003820582960000016
其中，精密钟差ΔT2表示n个历元钟差ΔTj的均值，单位为ns，ΔTj表示第j个历元的钟差计算结果，
Figure FDA0003820582960000017
和
Figure FDA0003820582960000018
分别表示使用高速测距码计算的接收天线I对发射天线S和M的伪距观测值。
2.根据权利要求1所述的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤A中，选择北斗授时模块或者串口通信模块输出时间参数进行MIMO伪卫星系统参考时钟基准的初始化，其中北斗授时模块输出的为BDT时间参数，串口通信模块输出的为自定义时间参数，主基站根据时间参数中的整周计数和周内时秒计数，首先初始化参考时钟基准的年、月、日、小时、分钟、秒信息，然后开始向外播发伪卫星信号。
3.根据权利要求1所述的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于，步骤B中所述从基站通过主基站播发的伪卫星信号进行本地时间信息调整的过程包括：
从基站首先通过信号处理模块对主基站的伪卫星信号进行捕获跟踪；
在搜索到主基站的一颗伪卫星信号后，转入跟踪阶段，持续解调导航电文数据；
待跟踪环路进入稳定状态后，寻找相应的同步头序列进行导航电文的帧同步，完成帧同步后将数据信息发送给时钟同步模块；
时钟同步模块根据导航电文数据中携带的整周计数和周内时秒计数的参数进行从基站本地时间信息的调整。
4.根据权利要求1所述的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤C中，从基站使用普通测距码根据公式(1)计算与主基站的粗略钟差ΔT1的过程包括：
选定从基站和主基站用于钟差监测的发射天线S和M，以及从基站的接收天线I，并进行位置的固定，通过全站仪或激光测距仪等设备准确测量收发天线的几何距离
Figure FDA0003820582960000021
和
Figure FDA0003820582960000022
这里的几何距离指的是收发天线相位中心之间的距离；
主从基站分别播发单载波信号，通过示波器对两者的通道传输时延分别进行标定，根据示波器的单载波信号相位差分别获得dS和dM参数值，这里的通道时延指的是伪卫星信号播发与接收过程中，射频前端与天线之间的传输时延；
从基站的时钟同步模块通过普通测距码进行伪距观测值
Figure FDA0003820582960000023
和
Figure FDA0003820582960000024
的计算，并根据
Figure FDA0003820582960000025
dS和dM参数值计算与主基站的粗略钟差ΔT1。
5.根据权利要求1所述的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于，步骤D中所述从基站进行本地时钟1PPS秒脉冲相位的修正过程包括：
时钟同步模块根据公式(3)计算1PPS秒脉冲相位修正参数ModT1
Figure FDA0003820582960000026
其中，floor()表示向下取整；η表示延时校正模块的系统时钟分辨率，单位为ns；
延时校正模块根据计算出的ModT1参数进行1PPS秒脉冲相位修正。
6.根据权利要求1所述的一种MIMO伪卫星系统基站的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤E中，每个从基站使用高速测距码根据公式(2)周期性计算与主基站的精密钟差ΔT2并更新导航电文中的钟差参数的过程包括：
完成延时校正后，从基站重新生成本地的伪卫星信号，系统进入正式运行状态；
从基站设定历元输出的周期和精密钟差监测周期长度，使用高速测距码计算第j个历元的伪距观测值
Figure FDA0003820582960000027
和
Figure FDA0003820582960000028
根据步骤C中测量的几何距离
Figure FDA0003820582960000029
和ds、dM参数值以及公式(2)计算精密钟差ΔT2，并在导航电文中周期性的更新钟差参数，提供给用户接收机完成主从基站间的时钟同步。
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