CN115575986A - 一种基于精密单点定位的gnss时频接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，涉及GNSS时频接收机技术领域，包括：发射天线连接发射射频前端；接收天线连接接收射频前端；接收机参考时钟源用于切换内外时钟，生成参考时钟；数字频率合成器用于接收并驯服参考时钟；发射射频前端用于产生伪GNSS信号；伪GNSS信号通过发射天线发出后，进入接收天线，到达接收射频前端；基带信号处理器通过比较本地伪GNSS信号与接收信号之间的相位延迟，估计接收链路的信号延迟；并通过接收GNSS信号测量卫星和接收机之间的距离，通过精密单点位算法估计接收机钟差。该接收机可有效避免内外时钟切换过程中信号的失锁；并实现快速的时钟驯服和钟差的快速收敛。

Description

一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机

技术领域

本发明涉及GNSS时频接收机技术领域，特别涉及一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机。

背景技术

时间是科学研究、科学实验和工程技术等诸方面的基本物理参量，它为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。授时是发播或传播标准时间信号。授时在通信、电力、武器控制等工业领域和国防领域有着广泛的应用。

卫星导航系统首先是高精度时间频率基准的应用者，卫星及其地面监控系统组成一个高精度的时间同步体系，同时卫星导航系统由于其覆盖范围广也成为了高精度授时服务的最佳手段。

卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授时手段。目前，随着卫星导航系统的迅速发展，卫星授时的可靠性和精度都得到了进一步提高。特别是多种导航系统的发展，使得可选择的卫星星座无论是数量还是种类都得到快速增加。而与此同时，广域网络系统如5G移动通信网络、电力系统网络对同步精度的需求越来越高。

传统的PPP精密单点定位通过有线或者地面基站通信网络获得卫星的精密轨道和精密钟差改正信息，才能获得高精度的定位定时结果，但随着北斗导航系统提供的PPP-B2b精密定位服务以及伽利略提供的HAS服务，依靠卫星播发的增强信息即可获得高精度的厘米级定位和亚纳秒级的定时精度，这种服务不收取服务费，而且只需要单向接收。

现有技术中的GNSS时频接收机主要基于调整压控晶振的频率的方法进行GNSS接收机时间和频率的同步，通常的基于该方案的系统框图如图1所示。

GNSS接收机通过卫星天线接收GNSS信号，接收到的信号首先经过射频单元把射频信号变换到基带，接着由基带处理单元进行处理，通常的基带处理单元包括信号的捕获、跟踪，输出原始观测量和广播星历，原始观测量包括伪距、载波相位、多普勒频率、信噪比等。定位解算单元如果仅处理原始观测量和广播星历，那么能获得的钟差解算精度在3ns~50ns，具体取决于观测量的质量、GNSS的卫星星座、定位的算法等，如果除了原始观测量和广播星历还使用了通过其他通信手段（比如互联网、卫星通信）获得精密的轨道和钟差，那么可以获得皮秒级的钟差解算精度。解算出来的钟差再通过时钟驯服算法转化为压控振荡器的控制电压，从而通过调整频率的方式实现时钟相位的调整，进而实现秒脉冲信号(Pulse Per Second，PPS)与参考卫星系统时间的同步，作为副产品在进行钟差调整的同时也实现了对10MHz参考时钟源的频率的校准，使其与参考时间系统的频率同步。

然而已有的GNSS接收机仍存在如下问题：

1、已有的GNSS接收机，当接收机使用外部高精度时钟源的时候，输出的秒脉冲仅可以进行有限分辨率的调节，分辨率取决于秒脉冲生成器的驱动时钟，且不可以对时钟进行直接的驯服，因此秒脉冲信号的时间误差和时钟频偏可以计算的很准确，但并不能精确的调整到秒脉冲的相位和输出的时钟频率上。通常外部频率源不提供频率控制接口，这将导致虽然外部时钟的时钟稳定很好，但并不能提高输出的秒脉冲信号精度，如果采用其他技术调整秒脉冲信号的相位，比如相位延迟技术，那么基带采集观测量的时刻不能和秒脉冲信号完全对齐，这将影响有些应用的实施。

2、已有的GNSS接收机，当接收机使用外部高精度时钟源的时候，要么要求上电的时候直接使用外部时钟源，要么在运行时通过指令切换到外部时钟。如果直接接入外部频率源，GNSS接收机要么不能支持动态的切换内外时钟源，要么虽然支持动态切换但由于内外时钟源的频率数值相差较大，会导致跟踪到卫星信号先失锁然后再跟踪，进而导致一段时间观测量无效。

3、已有的GNSS接收机，如果采用压控振荡器驯服时钟的方式，只能通过调整频率的方式间接调整相位，即采用锁相环技术，这样当钟差较大的时候顾及调整本地时钟对基带跟踪信号质量的影响，通常只能以较慢的速度调整相位，那么将导致用比较长的时间（通常几十分钟甚至一个小时）的驯服过程才能使得钟差达到较高的精度。

4、已有的GNSS接收机，在估计接收机钟差的时候，能够修正接收天线以外的各种误差，比如卫星钟差、电离层误差、对流层误差等，但是进入天线之后的滤波器延迟、ADC转换延迟等延迟时间不能准确的获知，特别是随工作温度变化的模拟器件的延迟时间不能仅靠一次性标定而一直使用。采用精密单点定位虽然钟差计算精度很准确，但是由于不能精确的测量接收机信号从天线口到接收机基带部分的处理延时，所以该延迟时间将被接收机钟差所吸收，导致实际的接收机钟差有偏差，输出的秒脉冲信号有偏差。

因此，在现有GNSS接收机的基础上，如何当接收机使用外部高精度时钟源时对时钟进行驯服，并且如何解决在运行时通过指令切换到外部时钟时会导致信号失锁的问题；以及当接收机采用压控振荡器驯服时钟的方式时，如何提高相位调整速度，以及如何获得更为准确的接收机钟差，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的基于精密单点定位的GNSS时频接收机。

本发明实施例提供一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，包括：发射天线、接收天线、接收机参考时钟源、数字频率合成器、主处理器和基带信号处理器；

所述发射天线连接有发射射频前端；所述接收天线连接有接收射频前端；

所述接收机参考时钟源用于切换内外时钟，生成参考时钟；所述数字频率合成器用于接收所述接收机参考时钟源输出的参考时钟，驯服所述参考时钟，产生基准时钟；

所述数字频率合成器连接所述主处理器；所述主处理器连接所述基带信号处理器；所述基带信号处理器分别连接所述发射射频前端和接收射频前端；

所述发射射频前端用于产生伪GNSS信号；所述伪GNSS信号通过所述发射天线发出后，进入所述接收天线，到达所述接收射频前端，产生接收信号；所述基带信号处理器通过比较所述伪GNSS信号与所述接收信号之间的相位延迟，估计接收链路的信号延迟。

进一步地，所述接收机参考时钟源包括：依次连接的第一滤波器、锁相环芯片、环路滤波器和压控振荡器；

所述第一滤波器用于对外部输入频率进行滤波；

所述锁相环芯片用于根据滤波后的输入频率，比较内外时钟的相位，产生控制电压；并根据所述控制电压调整所述压控振荡器的输出频率，使所述压控振荡器与外部时钟具有相同的频率和相同的相位；

所述环路滤波器用于对所述锁相环芯片输出的误差信号进行滤波，削弱误差信号的噪声并对频率变化率进行积分；

所述环路滤波器的输出信号作为所述压控振荡器的控制信号。

进一步地，所述锁相环芯片包括：相位频率鉴别器和电荷泵；

所述相位频率鉴别器用于接收接收机软件发送的指令，比较内外时钟的相位，产生与相位误差成比例的误差信号；

所述电荷泵用于接收所述误差信号，产生控制电压；并根据所述控制电压调整所述压控振荡器的输出频率，使所述压控振荡器与外部时钟具有相同的频率和相同的相位。

进一步地，所述数字频率合成器包括：依次连接的倍频器、相位累加器、相位幅度转换器、逆SINC滤波器和数模转换器；

所述倍频器用于根据所述参考时钟，生成工作时钟；

所述相位累加器用于根据所述工作时钟，逐时钟累加，生成累加相位；

所述相位幅度转换器用于将所述累加相位转换为离散的正弦波形的采样值；

所述逆SINC滤波器用于对所述采样值进行逆SINC滤波，以削弱杂散失真；

所述数模转换器用于将所述采样值从数字的正弦波形变换为模拟波形。

进一步地，所述相位累加器根据软件配置的频率调整字，逐时钟累加，生成累加相位。

进一步地，所述相位累加器的输出通过加入预先定义的修正量进行相位微调。

进一步地，所述数字频率合成器还包括：与所述数模转换器连接的低通滤波器；

所述低通滤波器用于降低所述参考时钟的噪声水平和杂散。

进一步地，所述基带信号处理器包括：接收延迟校正器、伪接收延迟校正器、GNSS信号捕获单元、GNSS信号跟踪单元和时间信号发生器；

所述接收延迟校正器连接所述发射射频前端；所述伪接收延迟校正器连接所述接收射频前端；

所述GNSS信号捕获单元连接所述接收射频前端，用于GNSS信号的捕获；

所述GNSS信号跟踪单元连接所述接收射频前端，用于GNSS信号的跟踪和解调，采用通识技术产生原始观测量和导航电文，对所述主处理器进行精密单点定位解算；

所述时间信号发生器用于产生GNSS的观测量采样时刻，并输出与采样时刻同步的PPS信号。

进一步地，所述接收延迟校正器包括：伪GNSS信号发生器、伪GNSS信号跟踪器和延迟估计器；

所述伪GNSS信号发生器连接所述发射射频前端；所述伪GNSS信号跟踪器连接所述接收射频前端；所述伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器分别连接所述延迟估计器；

所述伪GNSS信号发生器用于对伪GNSS信号进行调制，生成射频频率的数字信号；

所述延迟估计器用于将所述伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器的相位做减法并转换成以时间为单位，以修正已知的发射延迟。

进一步地，所述发射射频前端包括：高速数模转换器和功率放大器；

所述高速数模转换器接收所述射频频率的数字信号，生成射频信号；

所述功率放大器将所述射频信号进行功率放大，生成伪GNSS信号。

进一步地，所述基带信号处理器还包括：通信接口；

所述通信接口包括：网口、串口和USB口，用于与外界通信，包括输出GNSS信号的定位结果和获取用于精密单点定位所需的精密轨道和精密钟差。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，包括：发射天线、接收天线、接收机参考时钟源、数字频率合成器、主处理器和基带信号处理器；发射天线连接有发射射频前端；接收天线连接有接收射频前端；接收机参考时钟源用于切换内外时钟，生成参考时钟；数字频率合成器用于接收接收机参考时钟源输出的参考时钟，驯服参考时钟，产生基准时钟；发射射频前端用于产生伪GNSS信号；伪GNSS信号通过发射天线发出后，进入接收天线，到达接收射频前端，产生接收信号；基带信号处理器通过比较伪GNSS信号与接收信号之间的相位延迟，估计接收链路的信号延迟。该接收机可有效避免内外时钟切换过程中信号的失锁；并实现快速的时钟驯服，以及钟差的快速收敛。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的现有技术中GNSS时频接收机的系统框图；

图2为本发明实施例提供的基于精密单点定位的GNSS时频接收机的系统框图；

图3为本发明实施例提供的接收机参考时钟源的结构框图；

图4为本发明实施例提供的数字频率合成器的结构框图；

图5为本发明实施例提供的时间信号生成器工作原理图；

图6为本发明实施例提供的钟差调整示意图；

图7为本发明实施例提供的接收延迟校准电路结构图；

图8为本发明实施例提供的数据处理步骤图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，参照图2所示，包括：发射天线、接收天线、接收机参考时钟源、数字频率合成器、主处理器和基带信号处理器；

发射天线连接有发射射频前端；接收天线连接有接收射频前端；

接收机参考时钟源用于切换内外时钟，生成参考时钟；数字频率合成器用于接收接收机参考时钟源输出的参考时钟，驯服参考时钟，产生基准时钟；

数字频率合成器连接主处理器；主处理器连接基带信号处理器；基带信号处理器分别连接发射射频前端和接收射频前端；

发射射频前端用于产生伪GNSS信号；伪GNSS信号通过发射天线发出后，进入接收天线，到达接收射频前端，产生接收信号；基带信号处理器通过比较伪GNSS信号与接收信号之间的相位延迟，估计接收链路的信号延迟。

本实施例提供的基于精密单点定位的GNSS时频接收机，采用内外时钟软切换，可有效避免内外时钟切换过程中信号的失锁；使用数字频率合成器技术可以对外时钟进行间接驯服，输出准确的频率信号和精确的秒脉冲信号；同时使用数字频率合成器技术可以实现快速的时钟驯服，实现钟差的快速收敛。

其中，GNSS时频接收机与传统GNSS接收机不同，包含两个天线口，一个天线口用于接收GNSS信号，一个天线口用于发射伪GNSS信号，用来测量接收链路的延迟。接收时钟参考源用来实现内外时钟的无缝切换，使得接收机既可以使用内部参考时钟也可以使用外部的高稳时钟。接收机参考时钟源输出的时钟进入数字频率综合器（数字频率合成器），数字频率综合器对参考时钟进行综合，产生基准时钟供射频和基带使用，其频率和相位可独立调整，具体的调整值由主处理器输出。GNSS时频接收机的接收射频前端与传统GNSS接收机相同，包含低噪放、混频、滤波、模数转换等。GNSS时频接收机的发射射频前端用于产生伪GNSS信号，通过发射天线发出后再进入接收天线，基带信号处理器通过比较发射信号与接收信号相位延迟，从而估计接收链路的信号延迟。基带信号处理器完成传统GNSS接收机主要功能，主要包括信号的捕获、跟踪、译码和秒冲产生、观测量产生等功能。主处理器是GNSS时频接收机的核心控制和运算单元，功能包括控制信号的捕获和跟踪、定位解算、驯服数字频率合成器、响应用户指令切换内外时钟、与外界通信等。

下面详细阐述每个模块的功能：

接收机参考时钟源模块支持内外时钟源的动态“软”切换，在通过指令切换时钟源的过程中采用的锁相环技术不会导致信号的失锁，锁相环输出时钟作为接收机系统的参考时钟。具体的原理框图如图3所示。

当外部没有输入频率源的时候锁相环输出零电压，这时压控振荡器输出自己的标称频率；当外部输入频率的时候，接收机软件给锁相环发送指令，控制锁相环比较内外时钟的相位，并产生控制电压，以调整压控振荡器的输出频率使其逐步与外时钟同频同相。其中环路滤波器的带宽决定了调整的快慢，带宽越小调整的越慢，带宽越大调整的越快。为了使得调整的时候不影响信号的跟踪，所以带宽设的比较小，使得本地时钟在1分钟内逐步与外部时钟相位对齐，使得内部时钟实现对外部输入时钟的复制。锁相环环路滤波器对相位鉴别器输出的误差进行滤波，在环路滤波器带宽固定的情况下，调整的快慢取决于本地压控振荡器输出的频率和外部频率源的初始偏差和相差，初始偏差越小调整的越快，初始偏差越大，调整的越慢。当通过软件选择使用内部时钟的时候，软件关闭锁相环的输出，则压控振荡器的控制电压逐步变换到默认值，是前面过程的逆过程。

具体地，锁相环芯片包括：相位频率鉴别器和电荷泵。相位频率鉴别器用于接收接收机软件发送的指令，比较内外时钟的相位，产生与相位误差成比例的误差信号，误差信号经过锁相环芯片外部的参数可调环路滤波器进入电荷泵，电荷泵对滤波器的输出电压信号进行放大从而产生控制电压；并根据控制电压调整压控振荡器的输出频率，使压控振荡器与外部时钟具有相同的频率和相同的相位。

可选地，内外时钟切换所用的锁相环技术可以采用分离的器件实现，也可以采用集成电路的形式实现，本实施例对其不作限定。

输出的参考时钟送到数字频率合成器，数字频率合成器的原理框图如图4所示。

参考时钟首先进入倍频器，倍频器的倍数可由处理器软件配置，经过倍频后输出的时钟作为频率合成器的工作时钟，相位累加器在软件配置的频率调整字的基础上逐时钟累加，输出频率为：

其中，FTW为频率调整字；M为相位累加器的模值；

为频率合成器的工作时钟。

相位累加器的数学模型为

n为当前工作时钟周期；n-1表示上一个工作时钟周期。

相位累加器的输出允许加入输入定义的相位修正量进行相位微调，即

其中，

为相位调整字，由软件写入。

以上输出的总的相位

经过相位幅度转换器转换为离散的正弦波形的采样值。受限于相位累加器位数的影响以及相位幅度转换器的幅值有效位宽的影响，输出的离散正弦波会失真，通常叫做杂散失真，有效位数越少则杂散越严重，因此在进入数模转换器之前进行逆SINC滤波用以削弱杂散失真。经过多位宽（12bit~16bit）的数模转换器后，把数字的正弦波形变换为模拟波形。为了进一步降低参考时钟的噪声水平和杂散的影响，在模数转换器之后设置一个低通滤波器，使输出的时钟波形更加纯净；可选地，滤波器可以是有源滤波器也可以是无源滤波器，为了增强驱动能力，优选为有源滤波器。上述频率综合器（数字频率合成器）与压控振荡器相比可以通过增加相位累加器的位数提高频率分辨率，这样可以对频率进行更加精细的调整。在频率调整完成后，可以通过把估计的钟差（通过精密单点定位解算算法估计得到）转换成相位累加器的相位调整量逐步施加到相位调整字上，从而实现对相位的精细调整。具体原理如下所述。

假设解算出总的钟差为

，单位为秒，该值换算成参考时钟的相位值为：

单位为1。因为该值与钟差

的符号有关，可能取正值，也可能取负值。

取正值表示本地时间比卫星系统时间滞后，反之则超前。如前所述为了减少输出时钟相位的阶跃对接收机工作的影响，通常要求每个更新周期内本地时钟相位跳变变换折算到射频频率不超过45度，该值为上限，相位跳变值越小对观测量精度的影响越小，本发明取15度，射频频率取GNSS信号频率平均值1400MHz。整个调整范围对应的时间为

，假设

为10MHz，则对应时间调整范围为[-50ns,50ns]。根据前面所说15度对应的调整步进约为

，其中round表示四舍五入。

假设

为10MHz，上述相位调整量对应的时间约为30ps。

相位调整字步骤如下：

（1）计算出总的相位调整字

,计算总的调整次数为

，其中abs表示取绝对值；

从k=1到k=N逐步修正

到

中，由于相位累积起不支持负值，因为当

小于0时，

。

以上调整的输入信息

来自于GNSS接收机的定位解算的结果。GNSS解算输出包括钟差和钟漂两个部分，其中钟差部分的大数部分可以通过对秒脉冲生成器按照工作时钟的周期直接调整，分辨率以下由数字频率合成器来实现。为了提高系统的稳定性同时加快钟差的收敛速度，GNSS接收机按照如下的步骤进行钟差的调整（时钟的驯服）：

（1）钟差大于基带工作时钟周期的部分通过调整秒脉冲生成器的相位直接实现；

（2）当解算的钟差小于1个基带工作时钟周期的时候，首先进行频率对齐，即通过一阶锁频环对解算的钟漂（时钟漂移）进行滤波，输出的频率调整字输出给数字频率合成器；

（3）经过步骤（2）的处理，数字频率合成器的钟漂逐步趋于零，这时剩下的钟差通过一节锁相环进行调整，使钟差逐渐趋于零；

（4）经过步骤（3）调整，频率调整字基本维持在一个常数，受限于数字累加器有效位数的影响，不能完全消除钟漂，钟差会逐步累积，当累积到一定数值的时候可以通过相位调整字直接修正，这样可以避免时钟的振荡。

以上是驯服时钟的主要过程，由于采用了先锁频再锁相的步骤，与传统的压控振荡器相比能更快的加速收敛，而且由于使用了相位调整字可以在时钟频率稳定的情况下，调整输出秒脉冲输出的相位。

其中，秒脉冲生成器工作原理如图5所示，秒脉冲器生成器是基带处理器的一个子模块，对接收射频输出的采样时钟当做基带信号处理器的工作时钟，秒脉冲生成器对工作时钟进行技术，当超过计数器模值的时候输出一个秒脉冲信号，其中主控处理器通过调整计数器的模值来实现调整秒脉冲相位的目的，即上述步骤（1）所述。

钟差调整的锁频和锁相环在主处理器中用软件实现，输入分别是钟漂和钟差，如图6所示。

可选地，本实施例接收链路延迟校准电路虽然采用了射频直接数模转换电路，但是经过中频转换的方法亦可以实现此目的，只需要对中频发射链路进行进一步的校准即可，本实施例对其不作限定。可选地，数字频率合成器可以采用分离的器件实现，也可以采用集成电路的形式实现，本实施例对其不作限定。

接收机的接收射频前端采用GNSS通用射频前端用于将射频信号转换为基带信号，由于这一步的信号处理经过了功分器、声表滤波器、混频器、中频滤波器和模数转换器等部件导致信号的接收延迟。除此之外，接收天线与接收机输入射频端口之间的延迟也予以考虑，才能准确的估计接收机钟差，而这在传统的接收机设计中通常通过模拟器进行标定，采用模拟器标定的方法由于信号模拟器内部延迟，和射频电路本身的时变特性往往导致标定的数值缺乏足够的准确度。因此本实施例还提出了一种接收延迟校准电路。如图7所示。

基带信号处理器包括：接收延迟校正器、伪接收延迟校正器、GNSS信号捕获单元、GNSS信号跟踪单元、时间信号发生器和通信接口。接收延迟校正器连接发射射频前端；伪接收延迟校正器连接接收射频前端；GNSS信号捕获单元连接接收射频前端，用于GNSS信号的捕获；GNSS信号跟踪单元连接接收射频前端，用于GNSS信号的跟踪和解调，采用通识技术产生原始观测量和导航电文，对主处理器进行精密单点定位解算；时间信号发生器用于产生GNSS的观测量采样时刻，并输出与采样时刻同步的PPS信号；通信接口包括：网口、串口和USB口，用于与外界通信，包括输出GNSS信号的定位结果和获取用于精密单点定位所需的精密轨道和精密钟差。

接收延迟校正器包括：伪GNSS信号发生器、伪GNSS信号跟踪器和延迟估计器；伪GNSS信号发生器连接发射射频前端；伪GNSS信号跟踪器连接接收射频前端；伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器分别连接延迟估计器；伪GNSS信号发生器用于对伪GNSS信号进行调制，生成射频频率的数字信号；延迟估计器用于将伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器的相位做减法并转换成以时间为单位，以修正已知的发射延迟。

伪GNSS为采用一种与任何频点的已知伪码都不相关的码型，但是具有GNSS信号的特性。伪GNSS信号发生器对伪GNSS信号进行调制，直接生成射频频率的数字信号，如此可有效避免中频信号在发射射频前端引入额外的不确定延迟，在射频进行调制可规避这种影响；输出的射频数字信号经过高速数模转换器变成射频信号后，经过功率放大器后由发射电缆进入发射天线。其中，这个链路的信号处理延迟可以精确的估计和计算，从而保证了接收链路延迟的准确估计。为了避免伪GNSS信号对真实的信号产生影响，要求发射的功率要和真实的功率信号处于相同的功率级别，伪GNSS信号的伪码和真实的GNSS信号相关性很低。伪GNSS信号跟踪器和跟踪通道的跟踪器一样，只不过产生的是伪GNSS的码形，实现对伪GNSS信号的跟踪，从而可以复现经过发射和接收路径的信号相位。延迟估计器把伪GNSS信号发生器的相位和伪GNSS信号跟踪器的相位做减法并转换成以时间为单位，修正已知的发射延迟的影响，即可估计接收机链路延迟，公式如下：

上式中，

为接收链路延迟；

为伪GNSS信号跟踪器的相位；

为伪GNSS信号发生器的相位；

为发射链路的处理延迟。以上单位均为秒。

需要说明的是，不同频点的接收链路延迟是不一样，因此需要遍历所有接收的频点，并存储到文件中，由于接收链路随着不同接收环境和器件老化等影响，接收链路的延迟会缓慢的变化，因此接收机应该定期的进行校准，可以选择手动校准也可以选择自动校准。

计算接收链路的延迟的目的是为了使定位解算的钟差足够精确，那就要求定位解算的钟差本身首先要足够准确。普通的基于伪距和广播星历的单点定位并不能达到这个效果，因为空间段的误差和传播路径上的误差不能准确的修正，而精密单点定位技术可以对空间段进行精确修正，其中卫星轨道误差可以达到厘米级，卫星钟差精度可以达到亚纳秒级。除此之外，精密单点定位还对其他的误差进行建模，包括卫星天线相位中心偏移、卫星天线相位缠绕、固体潮效应、潮汐效应、相对论效应和码间差分(DCB)，对于大气层误差，采用先验模型进行约束和参数估计，而且精密单点定位算法使用的观测量是本身测量精度达到毫米级的载波相位，因此定位和定时的精度都得到提高。算法的计算精度和硬件的可控精度共同保证了GNSS精密时频接收机的可实现性。

具体地，精密单点定位算法运行在主处理器中，它的数据包括卫星的原始观测量，原始观测量具体包括伪距、载波相位等，以及广播星历、精密星历。精密单点定位采用精密星历可以来自卫星广播，比如北斗PPP-B2b服务、伽利略HAS服务，以及日本QZSS卫星等，同时精密星历也可以来自互联网。原始观测量和广播星历由接收机的基带处理器输出。具体的数据处理步骤参照图8所示。

本实施例提供的基于精密单点定位的GNSS时频接收机，采用数字频率合成技术，当设备使用外部高精度时钟源的时候，输出的秒脉冲可以进行皮秒级的相位调整，可以对时钟进行驯服，从而输出频率更准确的时钟信号。通过输入指令进行时钟的“软”切换不会导致正在跟踪的卫星信号失锁，而是缓慢的切换到外时钟上来。采用数字频率合成技术，可以快速的进行频率设置和相位调整，加快收敛时间，通常10分钟以内就可以使钟差收敛到零。采用一种延迟校正电路，可以实时获取接收机从天线到数字信号处理环节的所有延迟值，从而将所有延迟值从接收机钟差模型中消除掉，进而获得准确的接收机钟差。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，包括：发射天线、接收天线、接收机参考时钟源、数字频率合成器、主处理器和基带信号处理器；

所述发射天线连接有发射射频前端；所述接收天线连接有接收射频前端；

所述接收机参考时钟源用于切换内外时钟，生成参考时钟；所述数字频率合成器用于接收所述接收机参考时钟源输出的参考时钟，驯服所述参考时钟，产生基准时钟；

所述数字频率合成器连接所述主处理器；所述主处理器连接所述基带信号处理器；所述基带信号处理器分别连接所述发射射频前端和接收射频前端；

所述发射射频前端用于产生伪GNSS信号；所述伪GNSS信号通过所述发射天线发出后，进入所述接收天线，到达所述接收射频前端，产生接收信号；所述基带信号处理器通过比较所述伪GNSS信号与所述接收信号之间的相位延迟，估计接收链路的信号延迟。

2.如权利要求1所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述接收机参考时钟源包括：依次连接的第一滤波器、锁相环芯片、环路滤波器和压控振荡器；

所述第一滤波器用于对外部输入频率进行滤波；

所述锁相环芯片用于根据滤波后的输入频率，比较内外时钟的相位，产生控制电压；并根据所述控制电压调整所述压控振荡器的输出频率，使所述压控振荡器与外部时钟具有相同的频率和相同的相位；

所述环路滤波器用于对所述锁相环芯片输出的误差信号进行滤波，削弱误差信号的噪声并对频率变化率进行积分；

所述环路滤波器的输出信号作为所述压控振荡器的控制信号。

3.如权利要求2所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述锁相环芯片包括：相位频率鉴别器和电荷泵；

所述相位频率鉴别器用于接收接收机软件发送的指令，比较内外时钟的相位，产生与相位误差成比例的误差信号；

所述电荷泵用于接收所述误差信号，产生控制电压；并根据所述控制电压调整所述压控振荡器的输出频率，使所述压控振荡器与外部时钟具有相同的频率和相同的相位。

4.如权利要求1所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述数字频率合成器包括：依次连接的倍频器、相位累加器、相位幅度转换器、逆SINC滤波器和数模转换器；

所述倍频器用于根据所述参考时钟，生成工作时钟；

所述相位累加器用于根据所述工作时钟，逐时钟累加，生成累加相位；

所述相位幅度转换器用于将所述累加相位转换为离散的正弦波形的采样值；

所述逆SINC滤波器用于对所述采样值进行逆SINC滤波，以削弱杂散失真；

所述数模转换器用于将所述采样值从数字的正弦波形变换为模拟波形。

5.如权利要求4所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述相位累加器根据软件配置的频率调整字，逐时钟累加，生成累加相位。

6.如权利要求4所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述相位累加器的输出通过加入预先定义的修正量进行相位微调。

7.如权利要求4所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述数字频率合成器还包括：与所述数模转换器连接的低通滤波器；

所述低通滤波器用于降低所述参考时钟的噪声水平和杂散。

8.如权利要求1所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述基带信号处理器包括：接收延迟校正器、伪接收延迟校正器、GNSS信号捕获单元、GNSS信号跟踪单元和时间信号发生器；

所述接收延迟校正器连接所述发射射频前端；所述伪接收延迟校正器连接所述接收射频前端；

所述GNSS信号捕获单元连接所述接收射频前端，用于GNSS信号的捕获；

所述GNSS信号跟踪单元连接所述接收射频前端，用于GNSS信号的跟踪和解调，采用通识技术产生原始观测量和导航电文，对所述主处理器进行精密单点定位解算；

所述时间信号发生器用于产生GNSS的观测量采样时刻，并输出与采样时刻同步的PPS信号。

9.如权利要求8所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述接收延迟校正器包括：伪GNSS信号发生器、伪GNSS信号跟踪器和延迟估计器；

所述伪GNSS信号发生器连接所述发射射频前端；所述伪GNSS信号跟踪器连接所述接收射频前端；所述伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器分别连接所述延迟估计器；

所述伪GNSS信号发生器用于对伪GNSS信号进行调制，生成射频频率的数字信号；

所述延迟估计器用于将所述伪GNSS信号发生器和伪GNSS信号跟踪器的相位做减法并转换成以时间为单位，以修正已知的发射延迟。

10.如权利要求8所述的一种基于精密单点定位的GNSS时频接收机，其特征在于，所述基带信号处理器还包括：通信接口；

所述通信接口包括：网口、串口和USB口，用于与外界通信，包括输出GNSS信号的定位结果和获取用于精密单点定位所需的精密轨道和精密钟差。

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