一种基于GNSS精密授时的伪卫星系统及方法技术方案

本发明专利技术属于测绘与导航领域，公开了一种基于GNSS精密授时的伪卫星系统及方法，利用同源晶振驱动GNSS接收机和伪卫星信号发射器，并且利用附有坐标约束的精密单点定位模型实时求解接收机本地时钟的钟差，再通过标定硬件延迟的方法消除信号发射器与GNSS接收机之间的硬件延迟；求解得到的本地时钟钟差通过电文的形式播发给用户，实现本地时钟与GNSS系统时的数学同步。本发明专利技术可实现单个伪卫星系统与GNSS系统精密时间同步，无需构建有线或无线的时间同步链路，节约了布设成本和硬件复杂度。本发明专利技术所述的伪卫星系统更便于与GNSS信号实现联合定位解算，提高导航定位的可用性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GNSS精密授时的伪卫星系统及方法
本专利技术属于测绘与导航领域，尤其涉及一种基于GNSS精密授时的伪卫星系统及方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：伪卫星技术通过地面的伪卫星信号发射机发射测距信号来实现定位，能够有效地解决在全球卫星导航系统(GNSS)无法工作的场景的定位问题，典型的场景如室内，露天矿，地下作业及隧道等。与GNSS定位原理类似，伪卫星接收机需要接收来自多个发射机的测距信号来确定自身的位置。然而由于发射机和接收机时间不同步，难以直接测量几何距离。借鉴GNSS的定位原理，需要将多个伪卫星发射机进行严密的时间同步，然后再估计接收机端的时间偏差来进行位置确定。发射机之间的时间同步精度很大程度上决定了伪卫星定位的精度。目前伪卫星时间同步主要有以下几种：(1)主从式时间同步系统。利用有线或无线的方式将主晶振的时间通过波形或脉冲的形式播发给其他从发射机，从发射机通过比对本地信号和参考信号确定时钟差异进行时间同步。该方法精度高，但设备复杂，成本昂贵。如果使用无线链路授时，信号非视线(NLOS)传播会影响授时精度。应用该类时间同步方法的系统有澳大利亚的Locata伪卫星系统，超宽带(UWB)定位系统；(2)差分式时间同步系统。所有的发射机均独立接收GNSS信号进行授时，然后其中一台发射机向其他发射机播发其观测值或者改正数。通过站间差分的形式消除GNSS的轨道误差，钟差和大气误差，从而获得高精度的相对授时结果。该方法精度较高，设备相对简单，发射机间需要建立通信链路，对发射机的晶振质量有一定要求，另外授时精度随发射机之间的基线变长而变差。应用该类时间同步方法的系统有GPS转发器(GPSrepeater)(3)直接通过单点定位或者单星授时的形式将所有发射机的时间同步到某一GNSS系统的系统时间，该方法实现简单，成本低，但精度也不高，通常是数十纳秒的量级，难以满足精密伪卫星定位的需求。大部分无线传感器网络(WSN)使用该类同步方法。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)目前较精确的时间同步方法都使用差分形式的授时方法，该方法依赖发射器间的有线或无线信道进行信号或者信息传递。使用有线信道抗干扰能力强，但铺设工期长，设备成本昂贵，站间的距离也收到一定限制。无线的信道易受干扰，稳定性难以保障。另外发射器需要额外的电路进行数据接收和解码，增加了系统设计的复杂度和成本。(2)采用标准伪距GNSS单点定位技术可实现地面伪卫星与GNSS系统时间同步，该方法实现较简单，但时间同步精度在几十纳秒量级。时间同步误差导致的测距误差为几米甚至十几米，无法满足精密定位的需求。解决上述技术问题的难度和意义：难度在于：无法解决现有技术铺设工期长，设备成本昂贵，稳定性难以保障，系统设计的复杂度大和成本高。不能解决时间同步误差导致的测距误差为几米甚至十几米，无法满足精密定位的需求。解决现有技术带来的意义为：相对于现有技术的超宽带(UWB)定位系统使用光纤进行时间同步该方法，利用本专利技术所述的基于坐标约束的GNSS精密单点定位方法进行伪卫星时间同步能够避免在基站之间建立有线和无线通信信道，大幅度降低线路铺设成本和设备成本。另一方面避免建立信道也能解决基站之间距离限制问题，线路铺设越长，成本越高。另外有些伪卫星系统采用无线信道进行时间同步，如澳大利亚的Locata系统。采用无线通信授时的技术要求基站间必须通视，如果不通视会引入非视距(NLOS)误差，降低时间同步的精度。相对于该技术，本专利技术所述的方法不要求基站间通视，对基站布设条件降低了要求。同时无需建立无线信道也降低了系统的成本和复杂度。现有技术中，利用标准伪距单点定位的方法进行授时，该方法与本专利技术所述的方法原理相似，但效果不同。本专利技术所述的方法通过运用载波相位和各种误差消除技术，最终获得0.3纳秒的时间同步精度，而基于伪距单点定位的方法仅能获得10纳秒量级的时间同步精度。在一定的范围内布设时间同步优于0.3纳秒的伪卫星基站能够联合GNSS获得实时优于10厘米的定位精度，能够满足无人机编队飞行，车道级自动驾驶，自动泊车，机器人导航等高精度定位的需求，而伪距单点定位进行时间同步的方法只能获得几米的定位精度，无法满足精密定位的需求。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于GNSS精密授时的伪卫星系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，包括：利用同源晶振驱动GNSS接收机和伪卫星信号发射器，并且利用附有坐标约束的精密单点定位模型实时求解接收机本地时钟的钟差，再通过标定硬件延迟的方法消除信号发射器与GNSS接收机之间的硬件延迟；求解得到的本地时钟钟差通过电文的形式播发给用户，实现本地时钟与GNSS系统时的数学同步。进一步，所述基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法具体包括：1)将若干个伪卫星发射器安装在预定的位置；测量GNSS接收机天线相位中心的坐标；并且根据伪卫星发射天线指向，确定GNSS接收天线和信号发射天线在地心地固坐标系下的偏移量，再计算出信号发射天线相位中心的地心地固系坐标；；2)每个伪卫星发射器均装备GNSS接收机，并配有高稳晶振；GNSS接收机与伪卫星信号生成的基带信号处理单元使用相同的高稳晶振驱动；GNSS接收机接收到多摸GNSS的伪距和载波相位观测值，然后利用GNSS实时或预报精密轨道和钟差数据进行附有坐标约束的精密单点定位PPP计算，求得本地时钟偏差；3)利用同源晶振驱动的信号生成基带电路生成伪卫星测距信号；对计算得到的本地时钟偏差进行短时间外推，外推至固定间隔的时间点；然后将本地时钟偏差信息和发射天线相位中心信息编码为广播星历信息，在预定的脉冲沿调制，与测距信号一起播发出去；4)用户接收机接收到伪卫星的测距信号后解算出伪距信息和广播电文信息；利用广播电文中的时钟偏差对伪距信息进行修正；再使用卡尔曼滤波进行位置计算。进一步，信号发射天线的位置采用相对测量的方法获得，以GNSS接收天线平均相位中心建立地方ENU坐标系，利用指南针和卷尺直接或间接测得信号发射天线平均相位中心与GNSS接收天线相位中心在ENU坐标系下的偏差量，记为(ΔE,ΔN,ΔU)T.GNSS接收天线平均相位中心的大地坐标系坐标记为(B,L,H)，分别为大地经度，大地纬度和大地高,其中大地经纬度以弧度为单位，则计算旋转矩阵R:则，将(ΔE,ΔN,ΔU)T转为空间直角坐标系下的坐标增量(ΔX,ΔY,ΔZ)T，然后，计算得到信号发射天线相位中心的空间直角坐标系下坐标，转换公式如下：式中和分别GNSS信号接收天线平均相位中心和伪卫星增强信号发射天线平均相位中心在空间直角坐标系下的坐标；利用GNSS观测量进行精密定位获得别GNSS信号接收天线平均相位中心在空间直角坐标系下的坐标及对应的大地坐标系；利用公式转化后获得伪卫星信号发射天线平均相位中心坐标，该坐标在伪卫星工作期间不发生改变。进一步，精密单点定位PPP进行精密授时的方法包括：伪卫星信号发射器的接收机接收GNSS双频点或多频点的伪距和载波相位观测值，对于双频观测值的情况，利用双频观测值组成消电离层组合，无电离层组合观测值是两个频率观测值的线性组合，表达为：式中f1，f2分别表示双频信号的频率，P1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，其特征在于，所述基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法包括：利用同源晶振驱动GNSS接收机和伪卫星信号发射器，并且利用附有坐标约束的精密单点定位模型实时求解接收机本地时钟的钟差，再通过标定硬件延迟的方法消除信号发射器与GNSS接收机之间的硬件延迟；求解得到的本地时钟钟差通过电文的形式播发给用户，实现本地时钟与GNSS系统时的数学同步。

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，其特征在于，所述基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法包括：利用同源晶振驱动GNSS接收机和伪卫星信号发射器，并且利用附有坐标约束的精密单点定位模型实时求解接收机本地时钟的钟差，再通过标定硬件延迟的方法消除信号发射器与GNSS接收机之间的硬件延迟；求解得到的本地时钟钟差通过电文的形式播发给用户，实现本地时钟与GNSS系统时的数学同步。2.如权利要求1所述的基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，其特征在于，所述基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法具体包括：1)将若干个伪卫星发射器安装在预定的位置；测量GNSS接收机天线相位中心的坐标；并且根据伪卫星发射天线指向，确定GNSS接收天线和信号发射天线在地心地固坐标系下的偏移量，再计算出信号发射天线相位中心的地心地固系坐标；2)每个伪卫星发射器均装备GNSS接收机，并配有高稳晶振；GNSS接收机与伪卫星信号生成的基带信号处理单元使用相同的高稳晶振驱动；GNSS接收机接收到多摸GNSS的伪距和载波相位观测值，然后利用GNSS实时或预报精密轨道和钟差数据进行附有坐标约束的精密单点定位PPP计算，求得本地时钟偏差；3)利用同源晶振驱动的信号生成基带电路生成伪卫星测距信号；对计算得到的本地时钟偏差进行短时间外推，外推至固定间隔的时间点；然后将本地时钟偏差信息和发射天线相位中心信息编码为广播星历信息，在预定的脉冲沿调制，与测距信号一起播发出去；4)用户接收机接收到伪卫星的测距信号后解算出伪距信息和广播电文信息；利用广播电文中的时钟偏差对伪距信息进行修正；再使用卡尔曼滤波进行位置计算。3.如权利要求2所述的基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，其特征在于，信号发射天线的位置采用相对测量的方法获得，以GNSS接收天线平均相位中心建立地方ENU坐标系，利用指南针和卷尺直接或间接测得信号发射天线平均相位中心与GNSS接收天线相位中心在ENU坐标系下的偏差量，记为(ΔE,ΔN,ΔU)T.GNSS接收天线平均相位中心的大地坐标系坐标记为(B,L,H)，分别为大地经度，大地纬度和大地高,其中大地经纬度以弧度为单位，则计算旋转矩阵R:则，将(ΔE,ΔN,ΔU)T转为空间直角坐标系下的坐标增量(ΔX,ΔY,ΔZ)T，然后，计算得到信号发射天线相位中心的空间直角坐标系下坐标，转换公式如下：式中和分别GNSS信号接收天线平均相位中心和伪卫星增强信号发射天线平均相位中心在空间直角坐标系下的坐标；利用GNSS观测量进行精密定位获得别GNSS信号接收天线平均相位中心在空间直角坐标系下的坐标及对应的大地坐标系；利用公式转化后获得伪卫星信号发射天线平均相位中心坐标，该坐标在伪卫星工作期间不发生改变。4.如权利要求2所述的基于GNSS精密授时的伪卫星同步方法，其特征在于，精密单点定位PPP进行精密授时的方法包括：伪卫星信号发射器的接收机接收GNSS双频点或多频点的伪距和载波相位观测值，对于双频观测值的情况，利用双频观测值组成消电离层组合，无电离层组合观测值是两个频率观测值的线性组合，表达为：式中f1,f2分别表示双频信号的频率，P1,P2表示两个频率的伪距观测值，L1,L2表示两个频率的载波相位观测值；P1,P2,L1，L2均从GNSS接收机直接获取；根据伪距和载波相位无电离层组合建立如下观测方程:式中，i为卫星号；L和P分别为载波相位和伪距消电离层组合观测量，以米为单位；ρ为接收机天线到卫星天线之间的距离；δtr、δts分别为接收机钟差和卫星钟差；λ为消电离层组合波长，N为消电离层组合模糊度；T为对流层延迟；εL、εP为未模型化误差和观测噪声；若接收机同时观测到n颗卫星，则有2n个观测方程，对GPSPPP定位，估计n+5个未知参数；未知参数写成如下向量形式：X＝[x,y,z,δtr,T,N1,N2,…,Nn]式中x,y,z为接收机坐标参数，δtr为接收机钟差参数，T为对流层天顶延迟参数(ZTD)，Ni为第i颗卫星的无电离层模糊度参数；对于GPSPPP定位，仅需要估计一个钟差参数δtr；对于多系统PPP组合定位，除估计GPS的接收机钟差外，还需估计其他系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，许钡榛，张欣欣，李涛，陈锐志，申丽丽，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42