一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备 |
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申请号 | CN202210838628.3 | 申请日 | 2022-07-18 | 公开(公告)号 | CN114994727B | 公开(公告)日 | 2022-12-02 |
申请人 | 成都迅翼卫通科技有限公司; | 发明人 | 不公告发明人; | ||||
摘要 | 本 发明 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。 | ||||||
权利要求 | 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; |
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说明书全文 | 一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备技术领域[0001] 本发明属于卫星授时及定位技术领域,具体地涉及一种实现高精度时间校准及卫星定位的设备。 背景技术[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。 发明内容[0004] 为了解决现有卫星定位技术所存在定位精度低的问题,本发明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] 本发明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; [0006] 所述卫星天线,用于接收来自卫星的卫星信号; [0007] 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; [0008] 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; [0009] 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; [0010] 所述本地时钟模块,用于输出本地时钟信号; [0011] 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; [0012] 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; [0013] 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; [0014] 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; [0015] 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; [0016] 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: [0017] 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; [0018] 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; [0019] 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; [0020] 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。 [0021] 基于上述发明内容,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。 [0022] 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: [0023] S201.计算与第 次测量时差对应的状态量 : [0024] [0025] 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 ; [0026] S202.计算所述状态量 的协方差 : [0027] [0028] 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 ; [0029] S203.计算与第 次测量时差对应的滤波中间量 : [0030] [0031] 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; [0032] S204.计算与第 次测量时差对应的滤波输出量 : [0033] [0034] 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; [0035] 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。 [0036] 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; [0037] 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。 [0038] 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; [0039] 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。 [0040] 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。 [0041] 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,所述多路时间码与所述多路时间信号一一对应。 [0042] 在一个可能的设计中,还包括有时钟分配器,其中,所述时钟分配器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端,用于根据所述本地时钟信号,分配输出多路的本地时钟信号,以便供多个后续系统使用。 [0043] 在一个可能的设计中,所述卫星天线采用双路天线。 [0044] 在一个可能的设计中,针对所述双路天线中的各路天线,还配置有对应的馈电检测模块,其中,所述馈电检测模块包括有馈电单元和限流电阻,所述馈电单元连接所述限流电阻的一端,所述限流电阻的另一端连接对应天线; [0045] 所述馈电检测模块,用于通过检测馈电检测点的信号变化情况对由对应天线接收的卫星信号强度和卫星信号通断进行判断,并根据判断结果调整对应天线的天线角度,以便更好地接收卫星信号,其中,所述馈电检测点位于所述馈电单元与所述限流电阻之间。 [0046] 在一个可能的设计中,所述计算引擎模块采用微控制器MUC芯片、片上系统SoC芯片或处理器CPU芯片。 [0047] 本发明的有益效果为: [0048] (1)本发明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。附图说明 [0049] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0050] 图1是本发明提供的实现高精度时间校准及卫星定位的设备结构示意图。 [0051] 图2是本发明提供的时差测量的示例图。 具体实施方式[0052] 下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是,对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而,可用很多备选的形式来体现本发明,并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。 [0053] 应当理解,尽管本文可能使用术语第一和第二等等来描述各种对象,但是这些对象不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个对象和另一个对象。例如可以将第一对象称作第二对象,并且类似地可以将第二对象称作第一对象,同时不脱离本发明的示例实施例的范围。 [0054] 应当理解,对于本文中可能出现的术语“和/或”,其仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A、单独存在B或者同时存在A和B等三种情况;对于本文中可能出现的术语“/和”,其是描述另一种关联对象关系,表示可以存在两种关系,例如,A/和B,可以表示:单独存在A或者同时存在A和B等两种情况;另外,对于本文中可能出现的字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”关系。 [0055] 如图1所示,本实施例第一方面提供的且实现高精度时间校准及卫星定位的设备,包括但不限于有卫星天线、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(其是由导航卫星播发给用户的且用于描述导航卫星运行状态参数的电文,包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容)以及捕获和跟踪到所述卫星信号的伪随机噪声码(其用于测量伪距);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。 [0056] 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。如图1所示,虽然由所述授时接收机输出的所述第一秒脉冲信号是一个比较好的秒脉冲,但是它在短期内抖动比较大,因此需要测量所述第一秒脉冲信号与所述第二秒脉冲信号的时差,测完时差以后滤波,完成滤波以后通过PID算法去控制所述本地时钟模块,可以完成闭环输出,最终达到一个稳定的状态。 [0057] 所述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为一个粗捕获过程,即测量两个秒脉冲之间大致的频差是多少,一般可以做到亚纳秒级(或者小于1纳秒);这两个秒脉冲刚开始可能是乱的,粗捕获以后,两者之间就会挨得很近,但还是会有抖动;最后的捕获结果并不是让这两个秒脉冲完全对齐,而是让它们之间的时差控制在一定误差范围内即△t,如图2所示;然后对△t求导数,求导后的结果就是频差,闭环控制目的就是最后让频差趋近于0。所述最小二乘法的具体应用是:每秒钟就可以测到它们两个秒脉冲之间的时差,因此可进行多次测量,一般取40~50次,具体取多少取决于本地时钟的稳定度,本地时钟越稳定,则取的次数就越长;用最小二乘法就可以评估出两者之间大致的频差是多少,通过最小二乘法对频差求出来以后,就可以去控制本地时钟,让本地时钟输出的秒脉冲与接收机输出的秒脉冲之间的频差尽量地减小,但最小二乘法减小的量级一般不会太高,所以称之为粗捕获。 [0058] 所述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为一个估算过程,即具体的,包括但不限于有如下依次执行的步骤S201~S205。 [0059] S201.计算与第 次测量时差对应的状态量 : [0060] [0061] 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(其具体是 的差分), 表示与第 次测量时差对应的频差变化率(其具体是 的差分), 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 。 [0062] S202.计算所述状态量 的协方差 (其为包含有3×3个元素的矩阵): [0063] [0064] 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 。 [0065] S203.计算与第 次测量时差对应的滤波中间量 (其为包含有3×1个元素的矩阵): [0066] [0067] 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。 [0068] S204.计算与第 次测量时差对应的滤波输出量 (其为包含有3×1个元素的矩阵): [0069] [0070] 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。 [0071] 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。 [0072] 所述PID控制算法即是根据滤波值序列对它进行加权计算并控制输出;假如当前的滤波值为a,那么P表示比例系数,I表示积分操作,也就是对a进行积分,D就是对a进行微分,最终的数学表达式即为 ,其中的P、I和D都是系数并可以根据实际情况来进行设置。 [0073] 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。由于本地时钟进入稳定状态需要一定的时间,因此在早期可以先择一输出所述第一秒脉冲信号,而在后期择一输出所述第二秒脉冲信号。 [0074] 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S101~S104计算得到当前时间及本地设备的当前所在位置:S101.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;S102.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;S103.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;S104.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。具体的,所述计算引擎模块可以但不限于采用微控制器MUC芯片、片上系统SoC芯片或中央处理器CPU芯片。由于是先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,并通过加入闰秒和协调世界时UTC时间补偿,可以计算得到精确的所述当前时间,实现高精度的时间校准目的,同时还可确保后续当前延时及当前伪距的精确计算,最终有效提高卫星定位精度,便于实际应用和推广。 [0075] 优选的,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。 [0076] 优选的,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。如此可以进一步提高卫星定位精度。 [0077] 优选的,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。进一步优选的,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,所述多路时间码与所述多路时间信号一一对应。具体的,所述多路时间信号包含有所述当前时间的输出信号、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以及由所述秒脉冲分配器输出的秒脉冲信号。此外,具体转换过程为根据IRIG编码规则将具有该编码规则的信号解码后产生为多路统一的时钟信号,以满足整个机载测试系统中所有需要的授时需求。 [0078] 优选的,还包括有时钟分配器,其中,所述时钟分配器的输入端连接所述本地时钟模块的输出端,用于根据所述本地时钟信号,分配输出多路的本地时钟信号,以便供多个后续系统使用。 [0079] 优选的,所述卫星天线采用双路天线。进一步优选的,针对所述双路天线中的各路天线,还配置有对应的馈电检测模块,其中,所述馈电检测模块包括有馈电单元和限流电阻,所述馈电单元连接所述限流电阻的一端,所述限流电阻的另一端连接对应天线;所述馈电检测模块,用于通过检测馈电检测点的信号变化情况对由对应天线接收的卫星信号强度和卫星信号通断进行判断,并根据判断结果调整对应天线的天线角度,以便更好地接收卫星信号,其中,所述馈电检测点位于所述馈电单元与所述限流电阻之间。 [0080] 综上,采用本实施例所提供的且实现高精度时间校准及卫星定位的设备,具有如下技术效果: [0081] (1)本实施例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。 |