一种GNSS时间频率传递接收机及接收方法技术

本发明专利技术公开了一种GNSS时间频率传递接收机及接收方法，属于卫星导航系统接收机时间比对研究领域。其特征在于：时频单元产生射频单元和信号处理单元所需要的时频信号，同时输出PPS信号；射频单元为信号处理单元提供中频信号；信号接收处理单元完成导航信号的采样、捕获、跟踪、导航电文解调、伪距测量并上报各种观测量；监控单元对观测数据进行传输和对各单元下发控制指令。多系统融合共视时间比对方法统一了现有的几种定位系统的时间和空间坐标；计算GNSS卫星的位置参数；进而计算出时间差值，最后对时间比对结果进行卡尔曼滤波和RTS事后处理。

A GNSS time frequency transmission receiver and receiving method

The invention discloses a GNSS time frequency transmission receiver and a receiving method, belonging to the research field of the time comparison of the satellite navigation system receiver. Its characteristic is that the time frequency unit produces the time frequency signal required by the radio frequency unit and the signal processing unit, and outputs the PPS signal at the same time; the radio frequency unit provides the intermediate frequency signal for the signal processing unit; the signal receiving and processing unit completes the sampling, capture and tracking of the navigation signal, the navigation signal demodulation, the pseudo distance measurement and reports various views. The monitoring unit transmits the observation data and sends out control instructions to each unit. The time and space coordinates of several existing positioning systems are unified by the multi system convergence time comparison method; the position parameters of the GNSS satellite are calculated, and then the time difference is calculated. Finally, the Calman filtering and the RTS post-processing for the results of the time comparison are carried out.

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS时间频率传递接收机及接收方法
本专利技术涉及一种GNSS接收机及多系统融合共视时间比对方法，属于卫星导航系统接收机时间比对研究领域。
技术介绍
在定位导航精度不断提高的背景下，高精度的时间同步已经成为各个GNSS卫星定位导航系统中的关键技术，是定位导航精度的重要保证。时间比对算法是实现时间同步技术的关键，是确定不同地面接收机时间差的重要方法。目前现有的时间比对算法包括共视法时间比对，全视法时间比对，载波相位法时间比对等算法。Allan和Weiss等人提出共视时间比对算法；Jung与Petit提出了全视时间比对算法。全视法时间比对需要多个接收机同时观测多颗卫星，这同样对接收机和比对算法有较高要求；载波相位法虽然精度较高，但观测器材的成本也相对较高，且算法复杂，不易实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是这样实现的：一种GNSS时间频率传递接收机，包括天线单元、时频单元、射频单元、信号处理单元和监控单元，其特征在于：时频单元产生射频单元和信号处理单元所需要的时频信号，同时输出PPS信号；射频单元把经过天线单元处理的射频信号进行分离，经下变频及低噪声放大、AGC控制后，为信号处理单元提供中频信号；信号接收处理单元完成导航信号的采样、捕获、跟踪、导航电文解调、伪距测量并上报各种观测量；监控单元对观测数据进行传输和对各单元下发控制指令。信号处理单元包括信号捕获模块、通道跟踪模块和信息处理模块；信号捕获模块接收用户配置参数；跟踪通道组包含伪码发生器、载波NCO、码NCO和累加器；信息处理模块的工作过程包含以下步骤：步骤一分别通过GPS定位系统、COMPASS定位系统、Galileo定位系统和GLONASS定位系统观测各自系统内的卫星，各获得一组时间比对数据；步骤二统一时间系统，包括GPS定位系统与COMPASS定位系统时间转换、GPS定位系统与Galileo定位系统时间转换、GPS定位系统与GLONASS定位系统时间转换；步骤三对步骤二得到的统一后的时间数据进行解码和预处理获得GNSS卫星轨道位置，并对获得的GNSS卫星位置坐标进行地球自转效应修正；步骤四统一空间系统；步骤五根据统一的空间系统，计算GNSS卫星与两个GNSS接收机的几何距离；计算卫星与接收机然后计算信号传播过程中的对流层时延；将这些参数代入到由伪距观测方程推导出的地面接收机时间差观测方程中，进而计算出时间差值；步骤六对时间比对结果进行Kalman滤波和RTS事后处理。步骤二中所述的GPS定位系统与COMPASS定位系统时间转换过程为：COMPASS定位系统和GPS定位系统时间的换算公式为：tGPS＝tCOM-ΔtCOM,GPSΔtCOM,GPS＝A0GPS+A1GPS×tCOM式中，tCOM为指定用户计算的COMPASS时间，A0GPS是COMPASS相对于GPS定位系统时间的钟差，A1GPS是COMPASS定位系统相对于GPS定位系统时间的钟速，取周内秒计数部分；步骤二中所述的GPS定位系统与Galileo定位系统时间转换过程为：Galileo导航电文给出Galileo系统时间与GPS时间之间实现转换所需的A0G、A1G、toG、WNoG四个参数，其中，toG、WNoG指出这套参数的参考时间，A0G、A1G为关于GGTO的一线性模型中的两个系数；给定一个GPS时间tGPS及其所属的星期数WNGPS，得此时的Galileo/GPS系统时间偏差ΔtGAL,GPS为：ΔtGAL,GPS＝A0G+A1G(tGPS-toG+604800|WNGPS-WN0G|64)[s]式中，偏差ΔtGAL,GPS定义为相同时刻的Galileo系统时间tGAL减去GPS时间tGPS，即tGPS＝tGAL-ΔtGAL,GPS|i|64代表i对64的模；GGTO的准确度2σ预计为5ns，ΔtGAL,GPS作为一个未知量在Galileo/GPS联合定位、定时计算中；步骤二中所述的GPS定位系统与GLONASS定位系统时间转换过程为：GLONASS-M型卫星在其播发的每一帧导航电文的第5串中提供GLONASS时间tGLO相对于GPS时间tGPS的秒内偏差值τGPS；GPSNAV电文提供tGPS与UTC之间由跳秒引入的整数秒差异值ΔtLS；再加上考虑tGLO相对于UTC的3小时差异，得如下tGLO和tGPS之间的转换关系式：tGLO＝(tGPS-ΔtLS)-τGPS+3×3600[s]GPS和GLONASS两系统时间之间的秒内偏差值τGPS从GLONASS导航电文中解调获得。步骤四中所述的统一空间系统为：GPS定位系统与GLONASS定位系统坐标系转换：设空间一点P在一个直角坐标系S中的位置坐标为(x,y,z)，则该点在另一个不同却几乎平行的直角坐标系S′中的位置坐标(x′,y′,z′)为：式中，坐标平移量(Δx,Δy,Δz)为坐标系S的原点在坐标系S′中的坐标，δε、δψ和δω为坐标系S分别绕X、Y和Z坐标轴旋转而能得到S′相应坐标轴的所需旋转角度，δs体现为坐标尺度因子；式中等号右边(x,y,z)为一个PZ-90坐标值，等号左边(x′,y′,z′)为相应的WGS-84坐标值。步骤六包含以下步骤：步骤一状态变量Xk与其Kalman估计之间的均方误差矩阵称为估计误差的协方差矩阵，用Ck表示；给定C0一个初值，根据下式计算出P1；其中，Pk为状态变量Xk与其在无观测噪声与模型噪声条件下的估计之间的均方误差阵，Qk为1×1阶模型噪声叭的协方差阵；步骤二得到P1后，根据Kalman增益矩阵Gk的表示式求得G1，其中Rk为1×1阶观测噪声Vk的协方差阵；步骤三根据下式得k＝1时刻的状态变量估计值即k＝1时刻钟差Kalman估计值；步骤四将P1带入下式Ck＝(I-GkHk)Pk求得k＝1时刻的1×1阶估计误差的协方差阵C1；然后，进入下次循环；在近实时共视中，对异地钟差X0有初步的估计，用这个值对滤波器进行初始化，使滤波器的收敛速度加快；此时，估计误差的协方差矩阵初值取为：步骤五在卡尔曼滤波的基础上，利用整个时间间隔内所有量测数据得到状态的最小方差估计，对结果进行RTS固定区间最优平滑，平滑解算需要在滤波过程中实时存储数据，所存储的数据为4个矩阵，分别为估计值一步转移阵估计的均方差阵以及一步预测均方差阵平滑公式为：K＝N-1，N-2，……2，1，0；其中式中，为RTS平滑值；Ks,k为滤波增益；Ps,k为协方差阵。一种嵌入多系统融合共视时间比对算法的GNSS时间频率传递接收方法，包含以下步骤：步骤一分别通过GPS定位系统、COMPASS定位系统、Galileo定位系统和GLONASS定位系统观测各自系统内的卫星，各获得一组时间比对数据；步骤二统一时间系统，包括GPS定位系统与COMPASS定位系统时间转换、GPS定位系统与Galileo定位系统时间转换、GPS定位系统与GLONASS定位系统时间转换；步骤三对步骤二得到的统一后的时间数据进行解码和预处理获得GNSS卫星轨道位置，并对获得的GNSS卫星位置坐标进行地球自转效应修正；步骤四统一空间系统；步骤五根据统一的空间系统，计算GNSS卫星与两个GNSS接收机的几何距离；计算卫星与接收机然后计算信号传播过程中的对流层时延；将这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GNSS时间频率传递接收机，包括天线单元、时频单元、射频单元、信号处理单元和监控单元，其特征在于：时频单元产生射频单元和信号处理单元所需要的时频信号，同时输出PPS信号；射频单元把经过天线单元处理的射频信号进行分离，经下变频及低噪声放大、AGC控制后，为信号处理单元提供中频信号；信号接收处理单元完成导航信号的采样、捕获、跟踪、导航电文解调、伪距测量并上报各种观测量；监控单元对观测数据进行传输和对各单元下发控制指令。

【技术特征摘要】
1.一种GNSS时间频率传递接收机，包括天线单元、时频单元、射频单元、信号处理单元和监控单元，其特征在于：时频单元产生射频单元和信号处理单元所需要的时频信号，同时输出PPS信号；射频单元把经过天线单元处理的射频信号进行分离，经下变频及低噪声放大、AGC控制后，为信号处理单元提供中频信号；信号接收处理单元完成导航信号的采样、捕获、跟踪、导航电文解调、伪距测量并上报各种观测量；监控单元对观测数据进行传输和对各单元下发控制指令。2.根据权利要求1所述的一种GNSS时间频率传递接收机，其特征在于，信号处理单元包括信号捕获模块、通道跟踪模块和信息处理模块；信号捕获模块接收用户配置参数；跟踪通道组包含伪码发生器、载波NCO、码NCO和累加器；信息处理模块的工作过程包含以下步骤：步骤一分别通过GPS定位系统、COMPASS定位系统、Galileo定位系统和GLONASS定位系统观测各自系统内的卫星，各获得一组时间比对数据；步骤二统一时间系统，包括GPS定位系统与COMPASS定位系统时间转换、GPS定位系统与Galileo定位系统时间转换、GPS定位系统与GLONASS定位系统时间转换；步骤三对步骤二得到的统一后的时间数据进行解码和预处理获得GNSS卫星轨道位置，并对获得的GNSS卫星位置坐标进行地球自转效应修正；步骤四统一空间系统；步骤五根据统一的空间系统，计算GNSS卫星与两个GNSS接收机的几何距离；计算卫星与接收机然后计算信号传播过程中的对流层时延；将这些参数代入到由伪距观测方程推导出的地面接收机时间差观测方程中，进而计算出时间差值；步骤六对时间比对结果进行Kalman滤波和RTS事后处理。3.根据权利要求2所述的一种GNSS时间频率传递接收机，其特征在于，步骤二中所述的GPS定位系统与COMPASS定位系统时间转换过程为：COMPASS定位系统和GPS定位系统时间的换算公式为：tGPS＝tCOM-ΔtCOM,GPSΔtCOM,GPS＝A0GPS+A1GPS×tCOM式中，tCOM为指定用户计算的COMPASS时间，A0GPS是COMPASS相对于GPS定位系统时间的钟差，A1GPS是COMPASS定位系统相对于GPS定位系统时间的钟速，取周内秒计数部分；步骤二中所述的GPS定位系统与Galileo定位系统时间转换过程为：Galileo导航电文给出Galileo系统时间与GPS时间之间实现转换所需的A0G、A1G、toG、WNoG四个参数，其中，toG、WNoG指出这套参数的参考时间，A0G、A1G为关于GGTO的一线性模型中的两个系数；给定一个GPS时间tGPS及其所属的星期数WNGPS，得此时的Galileo/GPS系统时间偏差ΔtGAL,GPS为：ΔtGAL,GPS＝A0G+A1G(tGPS-toG+604800|WNGPS-WN0G|64)[s]式中，偏差ΔtGAL,GPS定义为相同时刻的Galileo系统时间tGAL减去GPS时间tGPS，即tGPS＝tGAL-ΔtGAL,GPS|i|64代表i对64的模；GGTO的准确度2σ预计为5ns，ΔtGAL,GPS作为一个未知量在Galileo/GPS联合定位、定时计算中；步骤二中所述的GPS定位系统与GLONASS定位系统时间转换过程为：GLONASS-M型卫星在其播发的每一帧导航电文的第5串中提供GLONASS时间tGLO相对于GPS时间tGPS的秒内偏差值τGPS；GPSNAV电文提供tGPS与UTC之间由跳秒引入的整数秒差异值ΔtLS；再加上考虑tGLO相对于UTC的3小时差异，得如下tGLO和tGPS之间的转换关系式：tGLO＝(tGPS-ΔtLS)-τGPS+3×3600[s]GPS和GLONASS两系统时间之间的秒内偏差值τGPS从GLONASS导航电文中解调获得。4.根据权利要求2所述的一种GNSS时间频率传递接收机，其特征在于，步骤四中所述的统一空间系统为：GPS定位系统与GLONASS定位系统坐标系转换：设空间一点P在一个直角坐标系S中的位置坐标为(x,y,z)，则该点在另一个不同却几乎平行的直角坐标系S′中的位置坐标(x′,y′,z′)为：式中，坐标平移量(Δx,Δy,Δz)为坐标系S的原点在坐标系S′中的坐标，δε、δψ和δω为坐标系S分别绕X、Y和Z坐标轴旋转而能得到S′相应坐标轴的所需旋转角度，δs体现为坐标尺度因子；式中等号右边(x,y,z)为一个PZ-90坐标值，等号左边(x′,y′,z′)为相应的WGS-84坐标值。5.根据权利要求2所述的一种GNSS时间频率传递接收机，其特征在于，步骤六包含以下步骤：步骤一状态变量Xk与其Kalman估计之间的均方误差矩阵称为估计误差的协方差矩阵，用Ck表示；给定C0一个初值，根据下式计算出P1；其中，Pk为状态变量Xk与其在无观测噪声与模型噪声条件下的估计之间的均方误差阵，Qk为1×1阶模型噪声叭的协方差阵；步骤二得到P1后，根据Kalman增益矩阵Gk的表示式求得G1，其中Rk为1×1阶观测噪声Vk的协方差阵；步骤三根据下式得k＝1时刻的状态变量估计值即k＝1时刻钟差Kalman估计值；步骤四将P1带入下式Ck＝(I-GkHk)Pk求得k＝1时刻的1×1阶估计误差的协方差阵C1；然后，进入下次循环；在近实时共视中，对异地钟差X0有初步的估计，用这个值对滤波器进行初始化，使滤波器的收敛速度加快；此时，估计误差的协方差矩阵初值取为：步骤五在卡尔曼滤波的基础上，利用整个时间间隔内...

【专利技术属性】
技术研发人员：程禹，吴限德，白文彬，韩华，田光远，谢亚恩，孙楚琦，路胜卓，陈卫东，倪蜂棋，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23