时钟稳定度评估方法、装置及介质 |
|||||||
申请号 | CN202311733968.0 | 申请日 | 2023-12-15 | 公开(公告)号 | CN117706902A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
申请人 | 北京航空航天大学; | 发明人 | 郑福; 宋伟; 施闯; | ||||
摘要 | 本 发明 公开一种时钟稳定度评估方法、装置及介质,所述方法包括:将待测晶振作为第一接收机的内部时钟,通过捕获 跟踪 卫星 信号 获得观测数据,所述观测数据反映待测晶振的时钟特性;将第二接收机外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据;将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及 广播星历 进行时间传递解算,得到接收机钟差;通过偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振 频率 稳定度。本发明可仅使用差分精密时间传递技术通过 数据处理 统计分析实现,不需要高 精度 的时间频率检测分析设备;通过差分精密时间传递技术与修正的Allan偏差组合,即可获得待测 原子 钟/晶振时钟的时间基准稳定度。 | ||||||
权利要求 | 1.一种时钟稳定度评估方法,其特征在于,所述方法包括: |
||||||
说明书全文 | 时钟稳定度评估方法、装置及介质技术领域背景技术[0002] 原子钟和晶振时钟以其高精度的特性,在通信、导航以及时间同步等多个领域得到广泛应用。原子钟和晶振时钟的频率稳定度是评估其适用场景的重要指标,这取决于其产生的信号频率在各种环境条件下是否保持稳定。随着科技的不断进步,一些高精度的时频应用场景对晶振时钟的频率稳定度等性能指标提出更严格的要求。 [0003] 全球导航卫星系统(GNSS)是一种星基无线电定位系统,主要包括美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、中国的北斗(BDS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS),以及欧洲的伽利略(Galileo)四大系统。在授时领域,利用GNSS接收机进行授时具有精度高、成本低和稳定等特点,授时接收机将在授时领域得到越来越广泛的运用。当GNSS授时接收机在高精度时频应用时,需要对时钟频率稳定度进行分析,其目的是利用时钟驯服模型对晶振进行精准控制。此外,在卫星导航信号中断情况下,为了更准确地模拟和预测晶振时钟状态,精确了解晶振时钟的频率稳定度等特性是必要的。 [0004] GNSS授时接收机进行单向授时,其精度取决于卫星星历产品的精度。对于伪距单点定位技术,利用广播星历解算的接收机钟差的精度约为20纳秒。结合载波相位观测的精密单点定位技术,利用精密卫星轨道和钟差解算的接收机钟差的精度在0.2纳秒左右。在高精度数据处理中,通过载波相位差分观测不仅可消除星历残差和大气残差等误差,而且恢复了双差整周模糊度的整数特性,可以快速实现百皮秒级的时频服务。利用载波相位差分时间传递,接收机从网络端接收参考站的观测值信息,避免了依赖精密卫星轨道和钟差产品的缺点。 发明内容[0005] 提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此,需要一种时钟稳定度评估方法、装置及介质,以进一步提升原子钟和晶振时钟稳定度的评估精度,本发明提供了一种基于差分精密时间传递的时钟稳定度评估方法,该方法将待测晶振OCXO作为GNSS接收机A的内部时钟,然后通过捕获跟踪卫星信号获得观测数据,该观测数据反映待测晶振OCXO的时钟特性。另一方面,GNSS接收机B外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据。然后将两台接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,该钟差结果反映了待测晶振表征时间相对于时频参考源的差异。最后,通过Allan偏差评估分析待测晶振频率稳定度的测量。 [0006] 与伪距单点定位技术和结合载波相位观测的精密单点定位技术进行时间传递来评估时钟稳定度评估相比,本发明通过站间单差载波相位模糊度固定,进一步提升时钟稳定度的评估精度,使得到的结果更具参考性。 [0007] 根据本发明的第一方案,提供了一种时钟稳定度评估方法,所述方法包括: [0008] 将待测晶振作为第一接收机的内部时钟,通过捕获跟踪卫星信号获得观测数据,所述观测数据反映待测晶振的时钟特性; [0009] 将第二接收机外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据; [0010] 将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,所述接收机钟差反映待测晶振表征时间相对于时频参考源的差异; [0011] 通过偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振频率稳定度。 [0012] 进一步地,所述第一接收机和所述第二接收机均为GNSS接收机。 [0013] 进一步地,所述时频参考源为UTC(k)或高精度的原子钟。 [0014] 进一步地,将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,包括: [0015] 对任一频率f的单差伪距和载波相位观测如式(1)所示: [0016] [0017] 其中 表示时频参考站与用户站的接收机钟差,c为光速,根据伪距和载波相位观测来计算式(1)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(2)获得其他可见星j的载波相位单差模糊度 [0018] [0019] 结合式(2)中的单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(3)所示: [0020] [0021] 确定单差伪距和载波相位双频IF组合观测如式(4)所示: [0022] [0023] 通过无电离层组合双差伪距观测与载波相位观测作差,获得无电离层组合的双差浮点模糊度: [0024] [0025] 使用式(5)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(6)获得其他可见星j的单差载波相位模糊度 [0026] [0027] 根据单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(7)所示: [0028] [0029] 进一步地,将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,还包括: [0030] 通过式(3)的单频解算或者式(7)双频IF组合解算,获得每颗可见卫星的站间时差结果。 [0031] 进一步地,将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,还包括: [0032] 在设置卫星截止高度角的同时,采用Wj=θj/90°定权法来得到时间传递结果如式(8)所示: [0033] [0034] 其中Tf表示差分单频载波相位时频传递结果,TIF表示差分双频IF组合载波相位时频传递结果。 [0035] 进一步地,基于修正的阿伦偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振频率稳定度: [0036] 根据本发明的第二技术方案,提供一种时钟稳定度评估装置,所述装置包括: [0037] 第一观测模块,被配置为将待测晶振作为第一接收机的内部时钟,通过捕获跟踪卫星信号获得观测数据,所述观测数据反映待测晶振的时钟特性; [0038] 第二观测模块,被配置为将第二接收机外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据; [0039] 接收机钟差计算模块,被配置为将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,所述接收机钟差反映待测晶振表征时间相对于时频参考源的差异; [0040] 稳定度评估模块,被配置为通过偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振频率稳定度。 [0041] 进一步地,所述接收机钟差计算模块被进一步配置为: [0042] 对任一频率f的单差伪距和载波相位观测如式(1)所示: [0043] [0044] 其中 表示时频参考站与用户站的接收机钟差,c为光速; [0045] 根据伪距和载波相位观测来计算式(1)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度并通过式(2)获得其他可见星j的载波相位单差模糊度 [0046] [0047] 结合式(2)中的单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(3)所示: [0048] [0049] 确定单差伪距和载波相位双频IF组合观测如式(4)所示: [0050] [0051] 通过无电离层组合双差伪距观测与载波相位观测作差,获得无电离层组合的双差浮点模糊度: [0052] [0053] 使用式(5)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(6)获得其他可见星j的单差载波相位模糊度 [0054] [0055] 根据单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(7)所示: [0056] [0057] 根据本发明的第三技术方案,提供一种可读存储介质,所述可读存储介质存储有一个或者多个程序,所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行,以实现如上所述的方法。 [0058] 本发明至少具有以下有益效果: [0059] (1)本发明具有良好的可用性:通过载波相位站间单差的方式实现百皮秒级时间传递,可以进一步评估晶振时钟与原子钟的频率稳定度性能; [0060] (2)实时性:本发明可以在接收机进行实时站间钟差的准确估计,并且能实时评估时钟的频率稳定度结果; [0063] 图2示出了根据本发明实施例的一种时钟稳定度评估装置的结构图。 具体实施方式[0064] 为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述,但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤,如果彼此之间没有前后关系的必要性,则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制,本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整,只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。 [0065] 图1示出了根据本发明实施例的一种时钟稳定度评估方法的整体流程图,如图1所示,本发明实施例提供一种时钟稳定度评估方法,该方法包括步骤1‑步骤5,详细介绍如下: [0066] 步骤1: [0067] 将待测晶振OCXO作为GNSS接收机A的内部时钟,然后通过捕获跟踪卫星信号获得观测数据,该观测数据反映待测晶振OCXO的时钟特性,注意,此时的晶振OCXO处于时钟自由振荡状态。 [0068] 步骤2: [0069] GNSS接收机B外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据。时频参考源可以选择UTC(k)或高精度的原子钟。 [0070] 步骤3:差分精密时间传递方法 [0071] 对伪距和载波相位观测量进行站间单差解算。对任一频率f的单差伪距和载波相位观测如式(1)所示。 [0072] [0073] 其中 表示时频参考站与用户站的接收机钟差。 [0074] 在通过RTK技术固定双差载波相位模糊度之后,使用伪距和载波相位观测来计算式(1)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(2)获得其他可见星j的载波相位单差模糊度 [0075] [0076] 为了获得两个站之间的精确时差,结合式(2)中的单差模糊度 和单差载波相位观测方程,站间接收机钟差如式(3)所示。 [0077] [0078] 对于几公里的短基线,忽略单差星历误差残差、单差对流层延迟残差和单差电离层延迟残差等误差。随着基线长度的增加,电离层延迟造成的误差是影响时间传递精度的主要误差之一,由电离层引起的测距误差可以达到米级甚至百米级的误差,倘若不对观测中的电离层延迟进行改正,将会对卫星导航时间传递的结果的准确性和可靠性造成巨大影响。对于较长距离的基线,本文采用双频无电离层组合消除电离层一阶项延迟影响,单差伪距和载波相位双频IF组合观测如式(4)所示。 [0079] [0080] 通过无电离层组合双差伪距观测与载波相位观测作差,获得无电离层组合的双差浮点模糊度。 [0081] [0082] 进一步地,使用式(5)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(6)获得其他可见星j的单差载波相位模糊度 [0083] [0084] 结合上式的单差模糊度 和单差载波相位观测方程,站间接收机钟差如式(7)所示。 [0085] [0086] 通过式(3)的单频解算或者式(7)双频IF组合解算,可以获得每颗可见卫星的站间时差结果。对于多颗卫星的站间时差解,如何合理确定权重是提升单差载波相位时频传递精度的关键。在设置卫星截止高度角的同时,基于卫星高度角定权法来确定单差载波相位时频传递结果。这里采用Wj=θj/90°定权法来得到时间传递结果如下式所示。 [0087] [0088] 其中Tf表示差分单频载波相位时频传递结果,TIF表示差分双频IF组合载波相位时频传递结果。 [0089] 步骤4:将两台接收机的观测数据及广播星历通过步骤3进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,该钟差结果反映了待测晶振表征时间相对于时频参考源的差异。 [0090] 步骤5:通过修正的Allan偏差对接收机钟差处理,评估分析待测晶振频率稳定度的测量。 [0091] 下面本发明实施例将结合具体的算例来进一步说明本发明的可行性和进步性。 [0092] 选用中国计量科学研究院的国家原子时标计量基准UTC(NIM)作为频率参考源,利用DPT方法对晶振OCXO时钟的频率稳定度进行评估分析。具体的实验方案如下: [0093] (1)通过载波相位差分精密时间传递获得晶振OCXO时钟相对于UTC(NIM)的时间传递结果;(2)通过时间间隔计数器获得晶振OCXO时钟相对于UTC(NIM)输出的秒脉冲的结果,并转换为频率误差。 [0094] 两种方案获得的结果通过修正的Allan偏差进行分析,得到晶振OCXO时钟在自由振荡过程中的的频率稳定度的评估结果。 [0095] 本发明实施例提供一种时钟稳定度评估装置,如图2所示,该装置200包括: [0096] 第一观测模块201,被配置为将待测晶振作为第一接收机的内部时钟,通过捕获跟踪卫星信号获得观测数据,所述观测数据反映待测晶振的时钟特性; [0097] 第二观测模块202,被配置为将第二接收机外接时频参考源作为本地时钟,获得观测数据; [0098] 接收机钟差计算模块203,被配置为将所述第一接收机和所述第二接收机的观测数据及广播星历进行DPT时间传递解算,得到接收机钟差,所述接收机钟差反映待测晶振表征时间相对于时频参考源的差异; [0099] 稳定度评估模块204,被配置为通过偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振频率稳定度。 [0100] 在一些实施例中,所述第一接收机和所述第二接收机均为GNSS接收机。 [0101] 在一些实施例中,所述时频参考源为UTC(k)或高精度的原子钟。 [0102] 在一些实施例中,所述接收机钟差计算模块被进一步配置为: [0103] 对任一频率f的单差伪距和载波相位观测如式(1)所示: [0104] [0105] 其中 表示时频参考站与用户站的接收机钟差; [0106] 根据伪距和载波相位观测来计算式(1)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度并通过式(2)获得其他可见星j的载波相位单差模糊度 [0107] [0108] 结合式(2)中的单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(3)所示: [0109] [0110] 确定单差伪距和载波相位双频IF组合观测如式(4)所示: [0111] [0112] 通过无电离层组合双差伪距观测与载波相位观测作差,获得无电离层组合的双差浮点模糊度: [0113] [0114] 使用式(5)中参考卫星i的浮点单差载波相位模糊度 并通过式(6)获得其他可见星j的单差载波相位模糊度 [0115] [0116] 根据单差模糊度 和单差载波相位观测方程,确定站间接收机钟差如式(7)所示: [0117] [0118] 在一些实施例中,所述接收机钟差计算模块被进一步配置为: [0119] 通过式(3)的单频解算或者式(7)双频IF组合解算,获得每颗可见卫星的站间时差结果。 [0120] 在一些实施例中,所述接收机钟差计算模块被进一步配置为: [0121] 在设置卫星截止高度角的同时,采用Wj=θj/90°定权法来得到时间传递结果如式(8)所示: [0122] [0123] 其中Tf表示差分单频载波相位时频传递结果,TIF表示差分双频IF组合载波相位时频传递结果。 [0124] 在一些实施例中,所述稳定度评估模块被进一步配置,并通过修正的阿伦偏差对接收机钟差进行处理,评估分析待测晶振频率稳定度: [0125] 需要说明的是,本实施例所述的装置与在先阐述的方法属于同一技术思路,能够起到的同样的技术效果,此处不赘述。 [0126] 本发明实施例提供一种可读存储介质,所述可读存储介质存储有一个或者多个程序,所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行,以实现如上各个实施例所述的方法。 [0127] 以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如,上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外,在上述具体实施方式中,各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反,本发明的主题可以少于特定的发明的实施例的全部特征。从而,以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中,其中每个权利要求独立地作为单独的实施例,并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。 |