一种秒脉冲(PPS)的产生方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种秒脉冲(PPS)产生的方法。从卫星信号基带处理通道读取卫星观测值，用于生成本地UTC时间信息；采用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息预测未来历元PPS有效沿时刻相位差；采用晶体振荡器参数和接收机参数等信息判定接收机环路当前所处状态，动态调整PPS有效沿跳变约束阈值，既能保证晶体振荡器的长期稳定度，也能消除接收机跟踪的卫星导航信号的短期随机相位抖动，提高PPS输出精度。本发明专利技术还提供了一种实现以上方法的装置，能够充分利用GNSS的高精度时间信息，提高了卫星导航系统授时精度，因此本发明专利技术具有较高商用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星定位及授时
，特别是指一种基于定位定时解算所得到的 卫星时间和本地时间、接收机状态及晶体振荡器特性等信息产生PPS秒脉冲的方法和装 置。
技术介绍
在过去的几十年中，卫星导航技术无论在军用领域还是在民用领域都表现出了 极高的精度，它为数以万计的海陆空各种设备提供精确的PVT服务。随着GPS、GLONASS、 Galileo和Compass的逐渐完善，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS)在各行业都有广泛的应用。在航空航天、银行证券系统、电力系统等国防和 国民经济中，高精度的同步时间基准都是其稳定运行的基础保障。此外，随着移动通信的普 及和网络的广泛应用，人们对于时间精度的要求也越来越高。众所周知，对于分立晶体振荡 器来说，它们都是在其标称频率范围内自由震荡，极易受到周围环境的影响。因此对于采用 晶体振荡器的同步设备来说都需要一个基准脉冲来校准，即所谓的PPS。在导航卫星系统中 装备有精确的原子钟，且在全球范围内保持严格的同步。因此如何将高精度的卫星系统时 间同步到分立的晶体振荡器上成为有效利用卫星导航系统精确时间信息的重要环节。 GNSS的基本定位定时原理是根据四颗或者四颗以上卫星的位置，以及各卫星到用 户的距离来计算用户的位置和钟差，其基本计算公式如下： P1 = V(χι - Xu)2 + Cyi - yu)2 + (? - zu)2 + ^tu (ι) p2 = 7(χ2 - Xu)2 + (y-z - yJ2 + (? - zu)2 + stu (2) P3 = V(X3 - Xu)2 + (y-i ~ Yu)2 + (z3 _ zu)2 + ^tu (3) P4 = V (^4 - Xu)2 + (y4 - yu)2 + (? - zu)2 + Stu (4) 其中（X1, Y1, Z1)、（x2, y2, z2)、（x3, y3, z3)、（x4, y4, z4)分别代表四颗卫星的位置， P i、P 2、P 3、P 4为各颗卫星到接收机的伪距，Au代表接收机钟差。卫星导航系统具有高精 度的频率基准（l〇_ 12l〇_15s)，用户可以通过接收机提取卫星系统的同步时钟来获得本地时 间。然而由于卫星信号在传播过程中会受到电离层、对流层等各种因素的影响使得信号到 达地面时存在较大误差。此外，接收机在解调过程中也会注入器件热噪声、晶振抖动等各种 随机噪声，从而导致恢复出来的本地时间虽然能够跟踪卫星时间的长期稳定度，但是也增 加了短期的相位抖动。对于晶体振荡器（如0CX0、VCX0、TCX0等）来说，其短期稳定度比较 好，但是会随着时间推移而存在漂移、老化等缺陷。由信号传播带来的误差和接收机本身特 性引入的误差使得GNSS的高精度时间信息不能被充分利用。 为了解决上述问题，需要采取多种方法来提高PPS信号精度。可以采用的方案是 提高本地晶体振荡器的频率，减小PPS有效沿相位调节误差。此外还可以用高稳定度的原 子钟替换本地晶体振荡器，减小时钟抖动、漂移、老化等误差，进一步提高PPS信号精度。该 方案的问题在于晶体振荡器频率是有限的而不能无限制的增加，原子钟又具有昂贵的价 格，不适合推广。因此，对利用卫星导航系统产生高精度和高稳定度PPS信号的研究具有重 大的现实意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种产生高精度和稳定度PPS信号的方法和装 置，通过跟踪卫星导航信号，利用定位定时后得到的钟差等信息来预测本地时钟的频率偏 差和相位偏差，并通过一定算法消除PPS信号有效沿和UTC时间的偏差，既能保证晶体振荡 器的长期稳定度，也能消除接收机跟踪的卫星导航信号的短期随机相位抖动，提高PPS信 号精度。 为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的： 本专利技术提供了一种秒脉冲产生的方法，所述方法： 从卫星信号基带处理通道中读取各卫星测量值，并根据测量值得到伪距； 通过仰角选择参考卫星； 根据所述的各卫星的伪距，解算得到本地接收机时钟的钟差； 通过参考卫星测量值和所述的接收机钟差，得到本地时间； 根据接收机授时环路模型和所述的本地时间得到接收机参数； 根据所述的接收机参数和接收机授时环路模型，预测未来历元PPS有效沿时刻， 并确定系统阈值； 根据所述的未来历元PPS有效沿时刻预测值和系统阈值得到PPS控制器参数； 根据所述的PPS控制器参数调整PPS控制器。 优选的，所述通过仰角选择参考卫星，具体为： 利用卫星测量值计算各可见卫星仰角，根据仰角测量结果选择仰角最大的卫星作 为参考卫星。 优选的，所述接收机授时环路模型，具体为： 首先，接收机在PPS有效沿采样卫星信号基带处理通道测量值，得到本次中断对 应的卫星时间和本地时间，然后结合历史信息记录值得到PPS有效沿相位误差，进而通过 调整PPS控制器修正未来历元PPS有效沿位置。 该PPS控制器可以通过计数器以及其他定时方法实现PPS输出，但不限于计数方 法。 优选的，预测未来历元PPS有效沿对应的时刻，具体为： 系统中采用数据集包括但不局限于：历史中断节点卫星时间记录、本地时间记录、 PPS控制器参数记录、晶体振荡器参数记录等。系统根据以上历史数据集来预测未来历元 PPS有效沿最接近的时刻。 优选的，确定系统阈值，具体为： 系统根据晶体振荡器和接收机的参数评判接收机授时环路当前所处的状态，然后 根据授时环路的状态参量改变PPS有效沿跳变约束阈值。 本专利技术还提供了一种秒脉冲产生的装置，所述装置包括：卫星信号基带处理通道、 预测计算模块和PPS控制器。其中， 所述卫星信号基带处理通道，用于捕获、跟踪和测量卫星信号并获取各卫星的测 量值； 所述预测计算模块，用于从卫星信号基带处理通道读取各个卫星的测量值，并根 据测量值得到各个卫星的伪距和仰角，通过仰角选择参考卫星，根据各卫星的初始伪距，利 用最小二乘法得到本地接收机钟差，并根据参考卫星得到本地时间，计算接收机各项参数 并记录，根据所述的历史记录和接收机授时环路模型预测未来历元PPS有效沿对应的时刻 并确定系统阈值，进而得到PPS控制器参数。 所述PPS控制器，用于根据所述的PPS控制器参数调整PPS有效沿输出。 优选的，所述装置还包括：用户位置确定模块，用于根据各个卫星的伪距确定接收 机的位置，并不断优化接收机的位置，并最终确定接收机的位置。 优选的，授时过程包含当前历元接收机钟差求解、未来历元脉冲沿相位差预测和 阈值动态调整、脉冲调整三个阶段。 优选的，采用卫星时间、本地时间、PPS控制器参数、晶体振荡器参数等信息进行 PPS有效沿时刻的无偏估计，以解决信号传播、接收机热噪声带来的授时精度差问题。 优选的，采用晶体振荡器参数和接收机参数等信息判定接收机环路当前所处状 态，提供PPS有效沿跳变约束阈值，以降低晶体振荡器频率限制。 本专利技术所提供的秒脉冲产生的方法和装置，从卫星信号基带处理通道中读取各卫 星的测量值，并根据测量值得到伪距；通过卫星仰角选择参考卫星；利用最小二乘法得到 本地接收机钟差；根据参考卫星和接收机钟差得到本地时间；根据接收机授时环路模型计 算接收机各项参数并预测未来历元PPS有效沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种秒脉冲(PPS)的产生方法，其特征在于，所述方法包括：读取卫星观测值，生成本地UTC时间信息；预测未来历元PPS有效沿相位差；动态调整PPS有效沿跳变约束阈值；校正PPS有效沿相位残差，生成PPS控制器最优控制参数反馈到接收机授时环路。其中，未来历元PPS有效沿相位差预测包含以下两个过程：1)由本地接收机历史信息记录得到当前历元PPS有效沿最优时刻。2)根据1)中所得当前历元PPS有效沿最优时刻，预测未来历元PPS有效沿相位差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦彬，刘瑞远，于敦山，路卫军，崔小欣，黄永灿，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11