CN115603847A - 基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于北斗短报文和PPP‑B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,包括:步骤1:基于北斗三号卫星‑PPP‑B2b的中心站接收机钟差计算;步骤2:预报钟差并通过短报文播发;步骤3:用户端接收到短报文发过来的钟差,根据当前时间进行内插出中心站钟差;步骤4:客户端解算本地时间与中心站时间的差值;步骤5:利用接收机钟差调整本地时钟。本发明提供一种装置,包括中心站组件和用户端组件。本发明与现有技术或设备相比,可实现海洋、陆地或任意无网环境下的高精度时间同步,既提高了可靠性、稳定性,又提高了精度,精度可达到亚纳秒量级,同时研制了对应的时间同步装置。
Description
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及导航卫星授时技术领域,尤其涉及基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法及装置。
背景技术
北斗技术已经被广泛应用于定位、导航和授时(PNT)领域。在时频领域,基于北斗可实现高精度的时间服务,是目前精度最高的时间同步技术之一。目前,基于北斗卫星的时间同步技术主要包含:共视技术(CV)、全视技术(AV)、精密单点定位(PPP)技术,CV和AV技术精度相对较低(约5纳秒),PPP技术精度优于1纳秒。然而,利用上述技术进行时间同步均需要通过网络进行传输钟差数据,但在海洋环境或者无网的地区,现有方法均难以实现高精度时间同步,此外,PPP时间同步需要网络或者租用通讯卫星传输相应的改正数,难以保证时间同步的可靠性或低成本应用,综上所述,本申请现提出基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法并研制对应的装置来解决上述出现的问题。
发明内容
本发明旨在解决背景技术中提出的问题,本说明书一个或多个实施例的目的在于提出基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法及装置,提高了可靠性、稳定性,又提高了精度。
基于上述目的,本说明书一个或多个实施例提供了基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法及装置,包括:
步骤1:基于北斗三号卫星-PPP-B2b的中心站接收机钟差计算;
步骤2:预报钟差并通过短报文播发;
步骤3:用户端接收到短报文发过来的钟差,根据当前时间进行内插出中心站钟差;
步骤4:客户端解算本地时间与中心站时间的差值;
步骤5:利用接收机钟差调整本地时钟。
在一些实施例中,所述步骤1包括:
步骤1-1:获取北斗观测值、广播星历,完成PPP-B2b改正数;
步骤1-2:将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品;
步骤1-3:将恢复的精密轨道和钟差修正后,列出伪距和载波观测方程;
步骤1-4:修正各项误差。
在一些实施例中,所述步骤2包括:
步骤2-1:测量中心站接收机的硬件延迟并修正到步骤1-4预算的接收机钟差,将修正后的接收机钟差存储至数据库;
步骤2-2:按滑动窗口从数据库实时取数据;
步骤2-3:将当前时刻的接收机钟差和预报的钟差通过短报文服务发送至北斗卫星。
在一些实施例中,所述步骤3包括:
步骤4-1:获取客户端的北斗观测值、广播星历,完成PPP-B2b改正数;
步骤4-2:将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品;
步骤4-3:预算出客户端接收机钟差;
步骤4-4:根据客户端当前时间内插出当前时刻的中心站接收机钟差;
步骤4-5:将客户端的接收机钟差减去内插的中心站接收机钟差得到两地的时间差。
在一些实施例中,所述步骤4包括:
步骤5-1:利用中位数探测法将步骤4-4得到的钟差进行异常探测;
步骤5-2:利用探测后的钟差数据生成时钟驾驭参数;
步骤5-3:通过直接数字频率合成技术实现对信号频率与相位的精确控制。
一种装置,用于完成上文所述的同步方法,其特征在于,包括:中心站组件,所述中心站组件包括:第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块,所述第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块用于解算接收北斗相应的数据;第一PPP解算模块,所述第一PPP解算模块用于实时解算接收机钟差参数;中心站钟差存储模块,所述中心站钟差存储模块用于存储中心站实时解算的接收机钟差,用于接收机钟差的建模和预报;短报文播发钟差模块,所述短报文播发钟差模块用于通过短报文对中心站预报的钟差进行播发;用户端组件,所述用户端组件包括:第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块,所述第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块用于解算接收北斗相应的数据;第二PPP解算模块,所述第二PPP解算模块用于实时解算接收机钟差参数;短报文接收钟差模块,所述短报文接收钟差模块用于接收中心站播发过来的预报的中心站接收机钟差;计算与中心站差值模块,所述计算与中心站差值模块通过PPP解算的钟差的时间和接收到的预报的钟差,内插出当前时刻用户端接收机钟差并做差,进而获得和中心站之间的差值;驯钟模块,所述驯钟模块利用两地的时间差,通过DDS方法和FPGA等模块驯服本地时钟,并输出1PPS。
从上面所述可以看出,本发明包括以下有益效果:
本发明与现有技术相比,可实现海洋、陆地或任意无网环境下的高精度时间同步,既提高了可靠性、稳定性,又提高了精度,精度可达到亚纳秒量级,同时研制了对应的时间同步装置。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于北斗三短报文和PPP-B2b时间同步方法和装置原理框图。
图2为本发明实施例提供的基于北斗三短报文和PPP-B2b时间同步装置的示意图。
图3为本发明实施例中DDS调频原理框图。
图4为本发明实施例中高精度时间同步装置的系统构架图。
1、中心站组件;11、第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块;12、第一PPP解算模块;13、中心站钟差存储模块;14、短报文播发钟差模块;2、用户端组件;21、第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块;22、第二PPP解算模块;23、计算与中心站差值模块;24、短报文接收钟差模块;25、驯钟模块。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本公开进一步详细说明。
下面根据图2来描述本发明实施例中用于完成同步方法的装置。
请参阅图2,装置包括中心站组件1以及用户端组件2。
中心站组件1包括第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块11、第一PPP解算模块12、中心站钟差存储模块13以及短报文播发钟差模块14,第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块11用于解算接收北斗相应的数据,第一PPP解算模块12用于实时解算接收机钟差参数,中心站钟差存储模块13用于存储中心站实时解算的接收机钟差,用于接收机钟差的建模和预报,短报文播发钟差模块14用于通过短报文对中心站预报的钟差进行播发。
用户端组件2包括第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块21、第二PPP解算模块22、短报文接收钟差模块24、计算与中心站差值模块23以及驯钟模块25,第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块21用于解算接收北斗相应的数据,第二PPP解算模块22用于实时解算接收机钟差参数,短报文接收钟差模块24用于接收中心站播发过来的预报的中心站接收机钟差,计算与中心站差值模块23通过PPP解算的钟差的时间和接收到的预报的钟差,内插出当前时刻用户端接收机钟差并做差,进而获得和中心站之间的差值,驯钟模块25利用两地的时间差,通过DDS方法和FPGA等模块驯服本地时钟,并输出1PPS。
在一些具体的实施例中,请参阅图4,中心站组件1包括中心站硬件终端,中心站硬件终端包括GNSS模块、第一PPP解算模块12、数据储存和预报模块、数据播发模块。
GNSS模块通过天线接收北斗卫星信号并在板卡的芯片中进行信号的跟踪、解调等一些列程序,并通过串口将观测数据发送给FPGA+ARM模块。第一PPP解算模块12在硬件FPGA+ARM上面对GNSS模块传输过来的观测值、广播星历和PPP-B2b改正数,进行数据的合并、PPP解算并输出接收机钟差。数据储存和预报模块在硬件FPAG+ARM模块上存储PPP解算的钟差,并按弧段定时取数据进行拟合预报。数据播发模块将FPGA+ARM输出的接收机钟差在校准硬件延迟后,通过短报文模块播发出去。
用户端组件2包括GNSS模块、第二PPP解算模块22、数据接收模块、钟差内插模块、和中心站的时间差计算模块、驯服模块25。
GNSS模块通过天线接收北斗卫星信号并在板卡的芯片中进行信号的跟踪、解调等一些列程序,并通过串口将观测数据发送给FPGA+ARM模块。PPP解算模块在硬件FPGA+ARM上面对GNSS模块传输过来的观测值、广播星历和PPP-B2b改正数,进行数据的合并、第二PPP解算模块22并输出接收机钟差。数据接收模块通过短报文模块接收中心站播发过来的接收机钟差。钟差内插模块在FPGA+ARM硬件上根据当前时间内插接收机钟差。和中心站的时间差计算模块在FPGA+ARM硬件通过计算的接收机钟差和内插的钟差计算出两地的时间差。驯服模块25在FPGA+ARM硬件上对接收机时钟进行驯服并输出1PPS。
请参阅图1和图3,基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,包括:
步骤1:基于北斗三号卫星-PPP-B2b的中心站接收机钟差计算。可选的,计算四个时刻钟的钟差。
步骤1-1:获取北斗观测值、广播星历和PPP-B2b改正数。
步骤1-2:将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品;
计算公式如下:
精密轨道的生成公式为:
精密钟差计算公式可表示为:
式中tbrd广播星历计算的卫星钟差;t为生成的精密星历;Δt是北斗三播发的PPP-B2b钟差改正数。
步骤1-3:将恢复的精密轨道和 钟差修正后,列出伪距和载波观测方程;公式如下:
式中和是无电离层组合的伪距和载波最小修正量;s和r分别为卫星和接收机;Δx为坐标增量;是坐标线性化的系数向量;i和j代表不同频率;为接收机钟差;为硬件延迟;Zw对流层湿份量;是湿份量投影函数;无电离层组合模糊度;和分别为相位和载波观测值噪声。
步骤1-4:修正各项误差,误差包括大气误差、相位缠绕、天线相位中心变化等(Zumberge JF et al.1997),并利用Kalman滤波估计坐标、接收机钟差、对流层、模糊度等。
步骤2:预报钟差并通过短报文播发。
步骤2-1:测量中心站接收机的硬件延迟并修正到步骤1-4预算的接收机钟差,将修正后的接收机钟差存储至数据库。
步骤2-2:按滑动窗口从数据库实时取数据;窗口长度为1小时,将取出来的数据利用机器学习方法进行训练并建立模型,利用建立的模型向前预报1分钟、5分钟和10分钟的钟差。
步骤2-3:将当前时刻的接收机钟差和预报1分钟、5分钟和10分钟的钟差通过短报文服务发送至北斗卫星,由于数据量较小,因此,不需要额外的编码,可直接发送。
步骤3:用户端接收到短报文发过来的钟差,根据当前时间进行内插出中心站钟差。
步骤4:客户端解算本地时间与中心站时间的差值。
步骤4-1:获取客户端的北斗观测值、广播星历,完成PPP-B2b改正数。
步骤4-2:利用公式(a)和(b)将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品。
步骤4-3:利用公式(c)和(d)预算出客户端接收机钟差。
步骤4-4:根据客户端当前时间内插出当前时刻的中心站接收机钟差。可选的,利用客户端通过短报文服务接收机中心站发来的四个时刻的中心站接收机钟差,利用中心站四个时刻钟差进行线性拟合,再根据客户端当前时间内插出当前时刻的中心站接收机钟差。
步骤4-5:将客户端的接收机钟差减去内插的中心站接收机钟差得到两地的时间差。
步骤5:利用接收机钟差调整本地时钟。
步骤5-1:利用中位数探测法将步骤4-4得到的钟差进行异常探测;
步骤5-2:利用探测后的钟差数据生成时钟驾驭参数;公式
如下:
步骤5-3:通过直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis,DDS)实现对信号频率与相位的精确控制,请参阅图3DDS调频原理框图。
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,其特征在于,包括:
步骤1:基于北斗三号卫星-PPP-B2b的中心站接收机钟差计算;
步骤2:预报钟差并通过短报文播发;
步骤3:用户端接收到短报文发过来的钟差,根据当前时间进行内插出中心站钟差;
步骤4:客户端解算本地时间与中心站时间的差值;
步骤5:利用接收机钟差调整本地时钟。
2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,其特征在于,所述步骤1包括:
步骤1-1:获取北斗观测值、广播星历和PPP-B2b改正数;
步骤1-2:将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品;
步骤1-3:将恢复的精密轨道和钟差修正后,列出伪距和载波观测方程;
步骤1-4:修正各项误差。
3.根据权利要求2所述的基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,其特征在于,所述步骤2包括:
步骤2-1:测量中心站接收机的硬件延迟并修正到步骤1-4预算的接收机钟差,将修正后的接收机钟差存储至数据库;
步骤2-2:按滑动窗口从数据库实时取数据;
步骤2-3:将当前时刻的接收机钟差和预报的钟差通过短报文服务发送至北斗卫星。
4.根据权利要求3所述的基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,其特征在于,所述步骤4包括:
步骤4-1:获取客户端的北斗观测值、广播星历,完成PPP-B2b改正数;
步骤4-2:将广播星历和PPP-B2b改正数合并生成精密轨道和钟差产品;
步骤4-3:预算出客户端接收机钟差;
步骤4-4:根据客户端当前时间内插出当前时刻的中心站接收机钟差;
步骤4-5:将客户端的接收机钟差减去内插的中心站接收机钟差得到两地的时间差。
5.根据权利要求4所述的基于北斗短报文和PPP-B2b服务的亚纳秒级时间同步方法,其特征在于,所述步骤5包括:
步骤5-1:利用中位数探测法将步骤4-4得到的钟差进行异常探测;
步骤5-2:利用探测后的钟差数据生成时钟驾驭参数;
步骤5-3:通过直接数字频率合成技术实现对信号频率与相位的精确控制。
6.一种装置,用于完成权利要求1-5任意一项的同步方法,其特征在于,包括:
中心站组件(1),所述中心站组件(1)包括:
第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块(11);
第一PPP解算模块(12),所述第一北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块(11)的发射端与第一PPP解算模块(12)的接收端数据连接;
中心站钟差存储模块(13),所述中心站钟差存储模块(13)的接收端与第一PPP解算模块(12)的发射端数据连接;
短报文播发钟差模块(14),所述短报文播发的接收端与中心站钟差存储模块(13)的发射端数据连接;
用户端组件(2),所述用户端组件(2)包括:
第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块(21);
第二PPP解算模块(22),所述第二PPP解算模块(22)的接收端与第二北斗观测数据、广播星历及PPP-B2b接收模块(21)的发射端数据连接;
短报文接收钟差模块(24),所述短报文接收钟差模块(24)的接收端与第二PPP解算模块(22)的发射端数据连接;
计算与中心站差值模块(23),所述计算与中心站差值模块(23)的接收端与短报文接收钟差模块(24)的发射端数据连接;
驯钟模块(25),所述驯钟模块(25)利用两地的时间差,通过DDS方法和FPGA等模块驯服本地时钟,并输出1PPS,所述驯钟模块(25)的接收端与计算与中心站差值模块(23)的发射端数据连接。
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CN117289302A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-26 | 中山大学 | 一种基于bds和qzss组合系统的ppp授时方法、系统及终端设备 |
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