一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法及装置 |
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| 申请号 | CN202311808708.5 | 申请日 | 2023-12-26 | 公开(公告)号 | CN117452436A | 公开(公告)日 | 2024-01-26 |
| 申请人 | 中国科学院国家授时中心; | 发明人 | 冯国栋; 荆文芳; 张柯; 卢晓春; 武建锋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法及装置，该方法包括：根据本地时间 频率 参考 信号 产生内部频率信号，利用时码信息同步得到本地时间；获取 卫星星历数据 ，计算得到卫星到模拟 位置 的星地距离，利用星地距离得到时延；根据时延调整模拟 卫星信号 的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹；采用修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，发播电文信息经过中频调制、射频变频和功率放大后得到授时信号，通过发射天线将授时信号发射到用户端以使得用户端完成授时功能。本发明的授时方法，可在局部区域内保障GNSS卫星授时用户时间服务的连续性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法及装置技术领域背景技术[0002] 高精度的授时方法在经济社会的运行中起着基础性的支撑作用。由于GNSS的快速发展，给授时带来的极大的便利，当前的授时手段主要依赖于GNSS，GNSS在特殊情况下可能会被干扰，如何保证拒止条件的授时性能是当前很大的一个挑战。在利用GNSS进行卫星授时服务时，一旦出现GNSS信号拒止的情况，则无法保证拒止区域内GNSS卫星授时用户时间获取的连续性。 发明内容[0003] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本发明提供了一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法，包括： 根据本地时间频率参考信号产生内部频率信号，利用时码信息同步得到本地时间； 获取卫星星历数据，根据模拟位置、所述本地时间和所述卫星星历数据的时间信息计算得到卫星到所述模拟位置的星地距离，利用所述星地距离得到时延； 根据所述时延调整模拟卫星信号的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现对所述卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹； 采用所述修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，所述发播电文信息经过中频调制、射频变频和功率放大后得到授时信号，通过发射天线将所述授时信号发射到用户端； 所述用户端根据接收的所述授时信号完成授时功能。 [0004] 本发明提供了一种GNSS拒止情景下L频段的授时装置，包括：发播监控单元，用于获取卫星星历数据以及用于对射频信号的载波比、频点和时延信息进行闭环监测； 时频信号产生与调制变频单元，用于根据本地时间频率参考信号产生内部频率信号，利用时码信息同步得到本地时间，根据模拟位置、所述本地时间和所述卫星星历数据的时间信息计算得到卫星到所述模拟位置的星地距离，利用所述星地距离得到时延；根据所述时延调整模拟卫星信号的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现所述卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹；采用所述修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，对所述发播电文信息进行中频调制和射频变频； 功率放大器单元，用于对中频调制和射频变频后得到的所述射频信号进行功率放大，得到授时信号； 发射天线，用于将所述授时信号发射到用户端，以使所述用户端根据接收的所述授时信号完成授时功能。 [0005] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的GNSS拒止情景下L频段的授时方法，在GNSS卫星信号拒止情况下，可以提供一种基于地面的时频信号无线播发手段，补充拒止卫星的授时信号，可在局部区域内保障GNSS卫星授时用户时间服务的连续性。 附图说明 [0006] 图1是本发明实施例提供的一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法的示意图；图2是本发明实施例提供的一种卫星与模拟位置的位置示意图； 图3是本发明实施例提供的一种GNSS拒止情景下L频段的授时装置的结构框图； 图4是本发明实施例提供的一种时频信号产生与调制变频单元的结构框图； 图5是本发明实施例提供的一种发播监控单元的结构框图； 图6是本发明实施例提供的一种上位机单元的结构框图。 具体实施方式[0007] 第一方面，本发明实施例提供了一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种GNSS拒止情景下L频段的授时方法的示意图，如图1所示，本发明实施例的GNSS拒止情景下L频段的授时方法，包括： 步骤1：根据本地时间频率参考信号产生内部频率信号，利用时码信息同步得到本地时间； 在一个可选的实施例中，本地时间频率参考信号包括1PPS（包每秒）和10MHz信号。 以本地时间频率参考信号作为参考，以此产生装置内部所需的各类频率信号，与时码信息做同步之后得到准确的本地时间。 [0008] 可选地，本地时间频率参考信号可以由外部输入。 [0009] 在一个可选的实施例中，时码信息包括NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）时码信息或PTP（Precision Time Protocol，精确时间协议）时码信息。 [0010] 时码信息是用来使网络中的各个计算机时间同步的一种协议，它的用途是把计算机的时钟同步到世界协调时，即为标准UTC（Coordinated Universal Time，协调世界时间）。 [0011] 步骤2：获取卫星星历数据，根据模拟位置、本地时间和卫星星历数据的时间信息计算得到卫星到模拟位置的星地距离，利用星地距离得到时延；其中，卫星星历数据包括：根据GNSS天线实时接收的电文信息所解算得到的卫星星历数据，以及推算得到的卫星星历数据。 [0012] 可选地，以可视北斗卫星为例，卫星星历数据包括：根据GNSS天线实时接收的可视北斗卫星的电文信息解算得到的卫星星历数据，以及推算得到的卫星星历数据。 [0013] 可选地，模拟位置可以是本地真实位置也可以是设置的虚假的虚拟位置。 [0014] 在一个可选的实施例中，根据本地时间、模拟位置和星历数据的时间信息计算得到可视北斗卫星到模拟位置的星地距离，即，首先通过获取的可视北斗卫星星历数据的时间信息和本地时间，计算出可视北斗卫星此刻的位置，再根据可视北斗卫星的位置以及模拟位置计算得到视北斗卫星到模拟位置的星地距离，然后利用得到的星地距离除以光速可得到其时延。 [0015] 步骤3：根据时延调整模拟卫星信号的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹；在本实施例中，根据计算得到的时延对模拟卫星信号的发射时间进行调整，然后利用时延调整后的发射时间对卫星星历数据中的时间信息进行修正。根据修正后的卫星星历数据以及本地时间即可推算得到卫星的实时位置信息，模拟得到其运动轨迹。 [0016] 在一个可选的实施例中，以可视北斗卫星为例，模拟的卫星可以为4颗或4颗以上，具体由当时的可视北斗卫星个数和本地设置的通道数决定，本地的通道数即为最多可播发的卫星数。 [0017] 步骤4：采用修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，发播电文信息经过中频调制、射频变频和功率放大后得到授时信号，通过发射天线将授时信号发射到用户端；其中，卫星星历数据用于描述卫星运行状态参数，包括：时间信息、表示卫星精确位置的轨道参数、表示所有在轨卫星的粗略轨道参数、表示其他服务参数的卫星标识符、数据期号、导航数据有效性、信号健康状态等参数。发播电文信息即是以二进制码流形式发送的卫星星历数据。 [0018] 可选地，中频调制即按照相应的频点和调制方式将发播电文信息调制为基带信号。以北斗信号为例，对应的频点为B1I和B3I频点，B1I频点信号采用BPSK（2）调制方式，B3I频点信号采用BPSK（10）调制方式。 [0019] 可选地，射频变频即为将调制完成的基带信号上变频到L频段，也即将调制完成的基带信号上变频到1.1GHz‑1.7GHz。功率放大通过功率放大器实现，其功率调节范围为30dB。发射天线用于将授时信号实现电磁信号转换，以无线方式播发至用户端。 [0020] 示例性地，发射天线可以是为全向无线天线，输出信号功率可以为：17dBW，覆盖范围可以为：10km；天线覆盖范围可以为：水平0°360°，俯仰‑30°30°。在其他实施例中，发射~ ~天线的具体参数根据实际应用确定，在此不做限制。 [0021] 进一步地，请参加图2所示的本发明实施例提供的一种卫星与模拟位置的位置示意图，对本实施例授时信号的产生进行具体说明如下：通过获取的卫星星历数据和本地时间，可以计算出卫星此刻的位置，再根据模拟位置，即可计算各个卫星的位置与模拟位置间的实时星地距离（实时更新）。假设当前模拟的卫星为S1、S2、S3、S4四颗卫星，那么根据四颗卫星的卫星星历数据的时间信息和本地时间，计算出的卫星的位置分别为 、 、 和 ，假设模 拟位置为 ，那么可以计算出四个卫星的位置到模拟位置的星地距离分别为： 、、 和 ，其中， ，利用4个星 地距离除以光速得到四个卫星到模拟位置的时延分别为 、 、 和 。那么，就可得到信号接收时刻 对应的各卫星信号的发射时刻分为： 、 、 和 ，其中， ，根据 利用CA（Conditional Access）码生成方法即可算出各 卫星信号的CA码码相位，然后即可组装电文和调制CA码，产生中频信号，再经上变频到射频信号、功率放大后即可得到授时信号。 [0022] 步骤5：用户端根据接收的授时信号完成授时功能。 [0023] 在一个可选的实施例中，步骤5包括：步骤5.1：用户端根据接收的授时信号，解算得到用户端与至少4颗卫星的伪距测量值，根据伪距测量值得到模拟位置； 这里，根据授时信号解算伪距测量值的具体实现方式可参见相关现有技术，本发明实施例不再赘述。得到伪距测量值后，用户端根据自身位置和该伪距测量值即可得到模拟位置。 [0024] 步骤5.2：将用户端的自身位置与模拟位置的距离作为钟差，从利用授时信号解算得到的解算钟差结果中扣除，得到用户端本地时钟与模拟源参考时钟的钟差，从而调整用户端本地时钟完成授时。 [0025] 在本实施例中，在用户端的接收机静态工作，其位置已知的情况下，会定位出信号源发射的位置，即模拟位置，再根据用户端接收机的自身位置，即可计算得到用户端接收机与模拟位置之间的距离dtr。将该距离dtr作为钟差从接收机根据授时信号解算得到的解算钟差结果中扣除，可以得到接收机的钟差，即用户端本地时钟与模拟源参考时钟的钟差，再根据接收机的钟差调整用户端本地时钟完成授时。 [0026] 需要说明的是，由于发播电文信息依旧为卫星电文信息，为用户端的接收机可识别的格式，故用户端无需定制专用接收机，可延用现有接收机。 [0027] 本发明实施的GNSS拒止情景下L频段的授时方法，在GNSS卫星信号拒止情况下，可以提供一种基于地面的时频信号无线播发手段，补充拒止卫星的授时信号，可在局部区域内保障GNSS卫星授时用户时间服务的连续性。 [0028] 第二方面，本发明实施例提供了一种GNSS拒止情景下L频段的授时装置，请结合参见图3，图3是本发明实施例提供的一种GNSS拒止情景下L频段的授时装置的结构框图。 [0029] 如图3所示，本发明实施例的GNSS拒止情景下L频段的授时装置， 包括：发播监控单元、时频信号产生与调制变频单元、功率放大器单元和发射天线。其中，发播监控单元用于获取卫星星历数据，还用于对射频信号的载波比、频点和时延信息进行闭环监测；时频信号产生与调制变频单元用于根据本地时间频率参考信号产生内部频率信号，利用时码信息同步得到本地时间，根据模拟位置、本地时间和卫星星历数据的时间信息计算得到卫星到模拟位置的星地距离，利用星地距离得到时延；根据时延调整模拟卫星信号的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹；采用修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，对发播电文信息进行中频调制和射频变频；功率放大器单元用于对中频调制和射频变频后得到的射频信号进行功率放大，得到授时信号；发射天线用于将授时信号发射到用户端，以使用户端根据接收的授时信号完成授时功能。 [0030] 可选地，可以通过升降机构将发射天线设置在授时装置上，以实现发射天线的升降。 [0031] 请继续参见图3，在一个可选的实施例中，GNSS拒止情景下L频段的授时装置还包括上位机单元和GNSS天线，其中，GNSS天线用于实时接收卫星的电文信息，将卫星的电文信息发送至发播监控单元；上位机单元用于控制时频信号产生与调制变频单元、功率放大器单元和发播监控单元实现数据交互和处理。 [0032] 进一步地，以可视北斗卫星为例，对本实施例的GNSS拒止情景下L频段的授时装置的各个模块进行详细说明。 [0033] 请结合参见图4，图4是本发明实施例提供的一种时频信号产生与调制变频单元的结构框图，以北斗GNSS信号为例，对时频信号产生与调制变频单元的工作过程进行说明。发播电文信息生成模块首先根据本地时间频率参考信号和NTP/PTP时码信息获取本地时间，再根据本地时间、模拟位置和卫星星历数据的时间信息计算可视北斗卫星到模拟位置的星地距离，该星地距离除以光速可得到其时延，然后根据时延调整模拟北斗卫星信号的发射时间，利用时延调整后的发射时间实现卫星星历数据的修正，根据修正的卫星星历数据，模拟产生卫星的运动轨迹；采用修正的卫星星历数据编制成发播电文信息，再输出B1I：1561.098MHz和B3I：1268.52MHz信号，然后通过合路器再经过耦合器实现射频（RF）输出和耦合输出，其中RF输出连接到功率放大器单元，耦合输出连接到发播监控单元上。同时，外部会提供一个1PPS和10MHz信号作为本地时间频率参考信号，该时频信号产生与调制变频单元也会输出一个1PPS和10MHz信号供给发播监控单元。 [0034] 请结合参见图5，图5是本发明实施例提供的一种发播监控单元的结构框图，如图5所示，可选地，发播监控单元包括：通信模块、GNSS接收机监测模块和时间测量模块。其中，通信模块用于实现与时频信号产生与调制变频和上位机单元之间的数据传输；时间测量模块用于获取时延；GNSS接收机监测模块用于对GNSS天线接收的可视北斗卫星的电文信息进行解算得到卫星星历数据，还用于对射频信号的载波比、频点和时延信息进行闭环监测。 [0035] 请结合参见图6，图6是本发明实施例提供的一种上位机单元的结构框图。如图6所示，可选地，上位机单元包括：时间同步模块、监测数据处理与显示模块、状态监测与控制模块、数据交互接口管理模块和数据存储模块。 [0036] 其中，时间同步模块用于实现与时频信号产生与调制变频单元的时间同步，可选地，可通过本地时间频率参考信号实现与时频信号产生与调制变频单元的时间同步；监测数据处理与显示模块用于监测并显示发播监控单元的工作状态；状态监测与控制模块用于监测功率放大器单元的工作状态，并在不同情景下实现功率放大器单元的切换控制；数据交互接口管理模块用于实现时频信号产生与调制变频单元、功率放大器单元和发播监控单元之间的数据交互；数据存储模块用于存储卫星星历数据和可视北斗卫星的电文信息。 [0037] 在一个可选的实施例中，监测数据处理与显示模块一方面在GNSS正常情景下，用于对GNSS天线接收的可视北斗卫星的电文信息进行采集、显示与数据转换等，另一方面在GNSS拒止情景下，用于对发播监控单元获取的射频信号的载噪比、频率、时延观测量实时变化曲线进行显示。 [0038] 可选地，上位机单元可以具备远程、本地两种监控工作模式。 [0039] 进一步地，对本实施例的GNSS拒止情景下L频段的授时装置的具体操作步骤进行说明。首先，利用上位机单元下打开时频信号产生与调制变频单元，点击状态查询默认显示当天时频信号产生与调制变频单元的历史记录，支持根据开始时间和结束时间进行查询。并设置通道时延数值，功率衰减值，开启/关闭历史星历，切换载波模式和设置初始位置，启用B1I和B3I；然后，设置功率放大器单元的输出功率和恒定增益模式值，选择恒定输出功率或者增益模式，按照实用场景设置不同的功率增强范围。设置完毕后开启功率放大器单元，授时信号即发送到发射天线进行发播，同时将产生的射频信号以另一路的方式发送给发播监控单元；最后，通过界面配置发播监控单元指令，然后通过网口发送指令配置命令到发播监控单元，发播监控单元接收到命令后，运用配置的指令。 [0040] 关于该GNSS拒止情景下L频段的授时装置的有益效果，请参见第一方面提供的GNSS拒止情景下L频段的授时方法的相关内容，在此不做赘述。 [0041] 应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0042] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 |
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