一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备制造技术

本发明专利技术涉及卫星授时及定位技术领域，公开了一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。通过本发明专利技术创造，提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。便于实际应用和推广。便于实际应用和推广。

【技术实现步骤摘要】
一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备


[0001]本专利技术属于卫星授时及定位
，具体地涉及一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。

技术介绍

[0002]卫星授时及定位系统主要包括GPS（Global Positioning System，全球定位系统，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统）系统、北斗卫星导航系统、GLONASS（格洛纳斯，是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写，其作用类似于美国的GPS系统、欧洲的伽利略卫星定位系统和中国的北斗卫星导航系统）系统和伽利略卫星定位系统等，随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。当前，高精度实时卫星定位导航的应用范围越来越广，要求用户接收机的定位精度需要达到分米级甚至厘米级。
[0003]目前的卫星定位技术主要是单点定位技术，该技术在应用时，要获得地面的三维坐标，就必须对至少4颗卫星进行测量。但是，由于卫星时钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差、由传播延迟导致的误差以及各用户接收机的固有误差等，使得单点卫星静态定位的精度很难达到10米以下，因此如何根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准和定位，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有卫星定位技术所存在定位精度低的问题，本专利技术目的在于提供一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。
[0005]本专利技术提供了一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备，包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块；所述卫星天线，用于接收来自卫星的卫星信号；所述网络分配器的输入端连接所述卫星天线，用于根据所述卫星信号，分配输出多路的卫星信号；所述测向接收机的输入端连接所述网络分配器的第一输出端，用于根据所述卫星信号，提取得到卫星导航电文以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码；所述授时接收机的输入端连接所述网络分配器的第二输出端，用于根据所述卫星信号提取得到卫星导航电文，并根据所述卫星导航电文中的卫星系统时间输出第一秒脉冲信号；所述本地时钟模块，用于输出本地时钟信号；所述计数器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于通过对所述本地时钟信号进行的计数，输出第二秒脉冲信号；所述时差测量模块的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器
的输出端，用于测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差；所述滤波器的输入端连接所述时差测量模块的输出端，用于根据多次测量而得的所述时差，先采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差，然后采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值；所述PID控制器的输入端连接所述滤波器的输出端且使输出端连接所述本地时钟模块的受控端，用于根据所述频差滤波值，采用PID控制算法控制所述本地时钟模块的输出，使所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差得以减小；所述多路选择器的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于择一输出所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号；所述计算引擎模块的两输入端分别连接所述测向接收机的输出端和所述多路选择器的输出端，用于按照如下步骤计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置：根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，计算得到当前时间；针对搜索到的各个可用卫星，从对应的卫星导航电文中获取对应的星历数据及卫星系统时间，并根据对应的星历数据及卫星系统时间确定对应的且在三维空间中的卫星实时位置；针对所述各个可用卫星，根据所述当前时间和对应的卫星系统时间，测算得到本地伪随机噪声码与对应的伪随机噪声码的当前延时，并根据该当前延时，校正对应的卫星实时所在位置，得到对应的且消除因地球旋转而造成卫星位置偏差的卫星当前所在位置，以及测定得到对应的且采用对流层折射校正模型和电离层折射校正模型校正的当前伪距；根据至少四颗可用卫星的所述卫星当前所在位置和所述当前伪距，采用定位原理测算得到本地设备在所述三维空间中的当前所在位置。
[0006]基于上述
技术实现思路
，提供了一种可根据卫星信号对本地时钟和所在位置进行高精度的时间校准及定位的新方案，即包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块，并通过前述多个模块的协作，可以在实现高精度时间校准目的的同时，有效提高卫星定位精度，便于实际应用和推广。
[0007]在一个可能的设计中，采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值，包括有如下依次执行的步骤S201～S205：S201.计算与第次测量时差对应的状态量：式中，表示不小于2的自然数，表示第次测量而得的所述时差，表示与第次测量时差对应的频差，表示与第次测量时差对应的频差变化率，表示与第次测量时差对应的状态量，表示状态转移矩阵且有；
S202.计算所述状态量的协方差：式中，表示滤波输出量的协方差且有初始化量，表示矩阵转置符号，表示系统噪声协方差且有；S203.计算与第次测量时差对应的滤波中间量：式中，表示连接矩阵且有，表示观测噪声方差矩阵且有，的初始取值为1且在小于1e
‑
13后取值为100；S204.计算与第次测量时差对应的滤波输出量：式中，表示与第次测量时差对应的观测量且有，表示与第次测量时差对应的观测噪声且服从均值为0及方差为的正态分布，中第二项即为所需得到的频差滤波值；S205.计算所述滤波输出量的协方差，然后在下一次测量得到新的时差时，返回执行步骤S201。
[0008]在一个可能的设计中，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的频率变化，获取得到当前伪距变化率；所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的当前伪距变化率，解算得到本地设备在所述三维空间中的当前运动速度。
[0009]在一个可能的设计中，所述测向接收机还用于根据所述卫星信号捕获和跟踪到所述卫星信号的载波信号，并通过测量所述载波信号的相位变化，获取得到载波相位观测值；所述计算引擎模块，还用于根据多颗可用卫星的载波相位观测值，校正本地设备的所述当前所在位置。
[0010]在一个可能的设计中，还包括有秒脉冲分配器，其中，所述秒脉冲分配器的输入端连接所述多路选择器的输出端，用于根据择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，分配输出多路的秒脉冲信号，以便供多个后续系统使用。
[0011]在一个可能的设计中，还包括有时间码生成器，其中，所述时间码生成器的输入端
分别连接所述计算引擎模块的输出端、所述多路选择器的输出端和所述秒脉冲分配器的输出端，用于将来自所述计算引擎模块、所述多路选择器和所述秒脉冲分配器的多路时间信号转换成多路时间码并进行输出，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备，其特征在于，包括有卫星天线、网络分配器、测向接收机、授时接收机、本地时钟模块、计数器、时差测量模块、滤波器、PID控制器、多路选择器和计算引擎模块；所述卫星天线，用于接收来自卫星的卫星信号；所述网络分配器的输入端连接所述卫星天线，用于根据所述卫星信号，分配输出多路的卫星信号；所述测向接收机的输入端连接所述网络分配器的第一输出端，用于根据所述卫星信号，提取得到卫星导航电文以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码；所述授时接收机的输入端连接所述网络分配器的第二输出端，用于根据所述卫星信号提取得到卫星导航电文，并根据所述卫星导航电文中的卫星系统时间输出第一秒脉冲信号；所述本地时钟模块，用于输出本地时钟信号；所述计数器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端，用于通过对所述本地时钟信号进行的计数，输出第二秒脉冲信号；所述时差测量模块的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差；所述滤波器的输入端连接所述时差测量模块的输出端，用于根据多次测量而得的所述时差，先采用最小二乘法预估得到所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差，然后采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值；所述PID控制器的输入端连接所述滤波器的输出端且使输出端连接所述本地时钟模块的受控端，用于根据所述频差滤波值，采用PID控制算法控制所述本地时钟模块的输出，使所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的频差得以减小；所述多路选择器的两输入端分别连接所述授时接收机的输出端和所述计数器的输出端，用于择一输出所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号；所述计算引擎模块的两输入端分别连接所述测向接收机的输出端和所述多路选择器的输出端，用于按照如下步骤计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置：根据来自所述多路选择器的且择一输出的所述第一秒脉冲信号或所述第二秒脉冲信号，通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿，计算得到当前时间；针对搜索到的各个可用卫星，从对应的卫星导航电文中获取对应的星历数据及卫星系统时间，并根据对应的星历数据及卫星系统时间确定对应的且在三维空间中的卫星实时位置；针对所述各个可用卫星，根据所述当前时间和对应的卫星系统时间，测算得到本地伪随机噪声码与对应的伪随机噪声码的当前延时，并根据该当前延时，校正对应的卫星实时所在位置，得到对应的且消除因地球旋转而造成卫星位置偏差的卫星当前所在位置，以及测定得到对应的且采用对流层折射校正模型和电离层折射校正模型校正的当前伪距；根据至少四颗可用卫星的所述卫星当前所在位置和所述当前伪距，采用定位原理测算得到本地设备在所述三维空间中的当前所在位置。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，采用卡尔曼滤波法对所述频差进行滤波处理，得到频差滤波值，包括有如下依次执行的步骤S201～S205：
S201.计算与第次测量时差对应的状态量：式中，表示不小于2的自然数，表示第次测量而得的所述时差，表示与第次测量时差对应的频差，表示与第次测...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：成都迅翼卫通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：