一种外差式GNSS卫星授时接收装置及授时方法专利检索-·通过计算由无线电信号表示的时间值[2013.01]专利检索查询-专利查询网

一种外差式GNSS卫星授时接收装置及授时方法
申请号	CN202311376618.3	申请日	2023-10-24	公开(公告)号	CN117369237A	公开(公告)日	2024-01-09
申请人	北京酷鲨科技有限公司;			发明人	于佳亮; 程华; 于天泽;
摘要	本发明涉及基于GNSS卫星授时领域，提出了一种外差式GNSS卫星授时接收装置及授时方法，所述接收装置包括GNSS接收模组A、GNSS接收模组B、星历鉴相处理单元、差分滤波处理单元、本地时钟生成单元、处理器单元ARM及输入、输出接口；GNSS接收模组A和GNSS接收模组B用于获取卫星观测量；星历鉴相处理单元用于处理观测量的秒脉冲物理信号；差分滤波处理单元用于对处理后的秒脉冲物理信号进行模组间的差分运算及滤波处理；本地时钟生成单元在差分滤波处理单元控制下完成高精度定时功能，并通过输出端口输出时频信号。本发明可以显著降低卫星信号的授时误差，通过本地时钟生成单元输出更加精准的时钟信号。
权利要求	1.一种外差式GNSS卫星授时接收装置，其特征在于，包括：GNSS接收模组A、GNSS接收模组B、星历鉴相处理单元、差分滤波处理单元、本地时钟生成单元、处理器单元ARM及输入、输出接口；其中，所述GNSS接收模组A和GNSS接收模组B用于获取卫星观测量；所述星历鉴相处理单元用于处理所述观测量信号；所述差分滤波处理单元用于对处理后的所述卫星观测量信号进行模组间的差分运算及滤波处理；所述本地时钟生成单元在所述差分滤波处理单元控制下完成定时功能，并通过输出端口输出时频信号；处理器单元ARM管理控制外差式GNSS卫星授时接收装置运行，完成设计的功能。 2.根据权利要求1所述的一种外差式GNSS卫星授时接收装置，其特征在于，所述观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号，所述星历数据包括时间报文数据信号。 3.根据权利要求2所述的一种外差式GNSS卫星授时接收装置，其特征在于，所述卫星观测量信号还包括所述信号扩展单元，用于将所述本地时钟生成单元输出的信号扩展为多路时频信号。 4.根据权利要求3所述的一种外差式GNSS卫星授时接收装置，其特征在于，所述接收模组A和B可以采用芯片或者接收机实现，所述星历鉴相处理单元、差分滤波处理单元、本地时钟生成单元采用可编程逻辑门器件(FPGA)和数字频率合成器件(DDS)实现。 5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种外差式GNSS卫星授时接收装置的授时方法，其特征在于，具体步骤如下： S1、通过所述GNSS授时型接收模组A和B分别采集获得卫星观测量，所述观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号； S2、所示星历鉴相处理单元接收所述GNSS授时型接收模组A和B输出的两个秒脉冲物理信号进行处理，同时根据采集到的所述星历数据标记对应采集的卫星的编号为I和J并暂存； S3、通过差分及滤波处理单元对步骤S2处理后的秒脉冲物理信号进行模组间差分运算处理： S31、所述GNSS授时型接收模组A和B同时采集同一颗卫星I或J的秒脉冲物理信号并行差分处理； S32、所述GNSS授时型接收模组A或B同时接收卫星I和J的秒脉冲物理信号进行差分处理；上述步骤S31和S32的两种差分处理方式可以选择一种或者两种进行； S4、经差分处理后的秒脉冲物理信号作为所述本地时钟生成单元的参考信号，并通过所述差分及滤波处理单元调控所述本地时钟生成单元高稳压控振荡器的运行，输出信号为处理后得到的时频信号。 6.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述星历数据包括时间报文数据信号。 7.根据权利要求6所述的授时方法，其特征在于，所述输出信号可扩展为多路时频信号。 8.根据权利要求7所述的授时方法，其特征在于，步骤S3还可以包括：S33采用卫星间和模组间同时进行混合差分处理：所述GNSS授时型接收模组A和B分别接收卫星I和J的观测量信号进行差分处理，所述步骤S31、S32、S33三种差分处理方式选择任意一种，或者两种、三种的组合。
说明书全文	一种外差式GNSS卫星授时接收装置及授时方法技术领域 [0001] 本发明涉及基于GNSS卫星授时领域，具体涉及一种外差式GNSS卫星授时接收装置及授时方法。背景技术 [0002] GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星授时精度受到卫星轨道、卫星钟差、伪距观测值噪声、电离层、对流层等误差及接收机钟差和周边环境等十几项因素影响，普通GNSS接收机一般能达到几十纳秒的授时精度。 [0003] 共视法是一种精度较高的时间传递方法，于1980年由美国国家标准局提出后被国内外研究者们不断扩展和改进。目前卫星共视法是远距离时间比对的主要方法之一，精度达到纳秒量级。卫星共视法的基本原理是：位于不同地点的两个用户A和B，分别同时接收卫星S的信号，可以获得卫星S与本地时间的时差。此时差包括来自卫星信号传播路径和接收机端的各项误差。A和B通过实时或事后数据交换得到两地之间的时差。共视法中，两地数据交换求差的过程可以完全抵消星钟误差，抵消大部分的星历误差及对流层和电离层的时延误差，大大提高两地时间比对精度。在新一代基于GNSS的卫星共视授时系统中，单个基准站通常配置多个基准终端。这些基准终端同时观测GNSS卫星群，通过测算伪距得到本地时间与卫星钟之间的偏差，即星站钟差。由于观测位置和角度不同等原因，不同的基准终端在同一时刻观测到的卫星及其数量不尽相同。因此，星站钟差通常具有以下特点：①每个基准终端的观测数据通常包含多颗卫星的星站钟差数据；②每一颗卫星的钟差观测数据中不可避免会含有奇异值和空缺值，且空缺位置和长度均是随机的；③多个基准终端观测数据中的同一颗卫星的钟差才可以进行数据融合处理。 [0004] 采用卫星共视技术CV，可以实现优于10ns的授时及远程时频比对精度。CV一般需要依赖于国家级时频中心或类似装置(基准站)提供基准时频信号，同时需要在共视站点间(如基准站与共视从站)建立专用数据通道用以交换共视数据等。此外，共视方式对于基准站与共视从站之间的距离有限制，基线长度一般不能超过3000km。 [0005] 采用精密单点定位PPP技术可以实现纳秒级授时，但是这种方式需要PPP服务平台支持，由该平台采集、处理GNSS观测数据，获得每颗卫星钟差等修正值并传送到PPP接收机，这种方式自然也需要在PPP服务平台与接收机之间建立数据链路传送修正数据。 [0006] 采用卫星双向技术也可以实现高精度授时，该方式需要通信卫星及信道的支持，而且卫星天线体积相对GNSS天线比较庞大。 [0007] 综上所述，卫星双向、卫星共视技术CV和精密单点定位技术PPP技术目前布设成本均较高，在一定程度限制了普遍应用。发明内容 [0008] 本发明的目的是为解决上述问题，提出一种外差式GNSS卫星授时接收装置，利用两个独立的短基线GNSS信号接收单元输出的定时信号，通过选取星历数据及对应的授时信号，进一步进行GNSS卫星的星间差分处理和GNSS授时信号接收模组间差分处理，还进行卫星与接收模组间混合差分等运算处理，可以显著降低卫星信号的授时误差，获得精准的时频信号并校准本地时钟生成单元，通过本地时钟生成单元输出的相对于单一GNSS接收模组更加精准的时钟信号。 [0009] 采用的技术方案如下： [0010] 一种外差式GNSS卫星授时接收装置，其特征在于，包括：GNSS接收模组A、GNSS接收模组B、星历鉴相处理单元、差分滤波处理单元、本地时钟生成单元、处理器单元ARM及输入、输出接口； [0011] 其中，所述GNSS接收模组A和GNSS接收模组B用于获取卫星观测量；所述星历鉴相处理单元用于处理所述观测量信号；所述差分滤波处理单元用于对处理后的所述卫星观测量信号进行模组间的差分运算及滤波处理；所述本地时钟生成单元在所述差分滤波处理单元控制下完成定时功能，并通过输出端口输出时频信号；处理器单元ARM管理控制外差式GNSS卫星授时接收装置运行，完成设计的功能。 [0012] 进一步，所述观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号，所述星历数据包括时间报文数据信号。 [0013] 进一步，所述卫星观测量信号还包括所述信号扩展单元，用于将所述本地时钟生成单元输出的信号扩展为多路时频信号。 [0014] 进一步，所述接收模组A和B可以采用芯片或者接收机实现，所述星历鉴相处理单元、差分滤波处理单元、本地时钟生成单元采用可编程逻辑门器件(FPGA)和数字频率合成器件(DDS)实现。 [0015] 一种外差式GNSS卫星授时接收装置的授时方法，具体步骤如下： [0016] S1、通过所述GNSS授时型接收模组A和B分别采集获得卫星的观测量，所述观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号； [0017] S2、所示星历鉴相处理单元接收所述GNSS授时型接收模组A和B输出的两个秒脉冲物理信号进行处理，同时根据采集到的所述星历数据标记对应采集的卫星的编号为I和J并暂存； [0018] S3、通过差分及滤波处理单元对步骤S2处理后的所述秒脉冲物理信号进行模组间差分运算处理： [0019] S31、所述GNSS授时型接收模组A和B同时采集同一颗卫星I或J的秒脉冲物理信号并行差分处理； [0020] S32、所述GNSS授时型接收模组A或B同时接收卫星I和J的秒脉冲物理信号进行差分处理； [0021] 上述步骤S31和S32的两种差分处理方式可以选择一种或者两种进行； [0022] S4、经差分处理后的秒脉冲物理信号作为所述本地时钟生成单元的参考信号，并通过所述差分及滤波处理单元调控所述本地时钟生成单元高稳压控振荡器的运行，输出信号为处理后得到的时频信号。 [0023] 进一步，所述星历数据包括时间报文数据信号。 [0024] 进一步，所述输出信号可扩展为多路时频信号。 [0025] 进一步，步骤S3还可以包括：S33采用卫星间和模组间同时进行混合差分处理：所述GNSS授时型接收模组A和B分别接收卫星I和J的观测量信号进行差分处理，所述步骤S31、S32、S33三种差分处理方式选择任意一种，或者两种、三种的组合。 [0026] 本发明与现有技术相比所具有的有益效果： [0027] 1、本发明不需要目前常用的高精度授时或时间传递的方式必须设CV基准站或PPP专用服务平台，可以在GNSS支持下，相对独立获得高精度的时频信号；不需要通常方式必须配置长距离数据链路，不受基线长度的限制； [0028] 2、本发明能够减小卫星相关的授时误差，包括卫星钟差、星历误差、天线相位中心误差、相对论效应等，以及授时信号传播的误差，包括电离层、对流层、多径和接收机误差； [0029] 3、本发明实施本发明所需的单机费用相对于CV或PPP方式，可极大的降低成本，有利于普遍推广运用。附图说明 [0030] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。 [0031] 图1为本发明的外差式GNSS卫星授时接收装置组成示意图 [0032] 图2本发明的两个接收模组A和B同时接收同一卫星授时信号的示意[0033] 图3本发明的一个接收模组同时接收两个卫星授时信号的示意图 [0034] 图4本发明的两个接收模组同时接收两颗卫星授时信号的示意图 [0035] 附图标记说明如下： [0036] 1‑GNSS接收模组A，2‑GNSS接收模组B，3‑星历鉴相处理单元，4‑差分滤波处理单元，5‑本地时钟生成单元，6‑电源，7‑卫星I，8‑卫星J。具体实施方式 [0037] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0038] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明： [0039] 如图1所示，一种外差式GNSS卫星授时接收装置，包括：GNSS接收模组A1、GNSS接收模组B2、星历鉴相处理单元3、差分滤波处理单元4、本地时钟生成单元5、微处理器ARM及输入输出接口(未示出)；此外，还包括电源6，用于向所述模组A和模组B以及各个单元供电，还包括天线、馈线(图1未示出)；所述接收模组可以采用芯片或者接收机实现。 [0040] 其中，所述GNSS接收模组A1和GNSS接收模组B2用于获取卫星观测量；所述星历鉴相处理单元3用于处理所述卫星观测量信号；所述差分滤波处理单元4用于对处理后的所述卫星观测量信号进行模组间的差分运算处理；所述本地时钟生成单元5在所述差分滤波处理单元控制下完成高精度定时功能，并通过输出端口输出时频信号。 [0041] 所述观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号，所述星历数据包括时间报文数据信号。 [0042] 所述卫星观测量信号还包括所述信号扩展单元，用于将所述本地时钟生成单元输出的信号扩展为多路时频信号。 [0043] 基于上述一种外差式GNSS卫星授时接收装置的授时方法，具体步骤如下： [0044] S1、通过GNSS授时型接收模组A和B分别采集获得卫星观测量，所述卫星观测量包括秒脉冲物理信号及星历数据信号，所述星历数据包括时间报文数据信号； [0045] S2、星历鉴相处理单元接收所述GNSS授时型接收模组A和B输出的秒脉冲物理信号进行处理，同时根据采集到的所述星历数据标记对应采集卫星的编号为I和J并暂存； [0046] S3、通过差分及滤波处理单元对秒脉冲物理信号进行模组间差分运算处理： [0047] S31、所述GNSS授时型接收模组A和B同时采集的同一颗卫星I或J的秒脉冲物理信号并行差分处理，如图2所示，用于消除接收模组钟差； [0048] S32、所述GNSS授时型接收模组A或B同时接收卫星I和J的秒脉冲物理信号进行差分处理，如图3所示，用于消除卫星钟差； [0049] S33、采用卫星间和模组间同时进行混合差分处理，如图4所示； [0050] 所述步骤S31、S32、S33三种差分处理方式选择任意一种，或者两种、三种的组合； [0051] S4、经差分处理后的秒脉冲物理信号作为本地时钟生成单元的参考信号，并通过所述差分及滤波处理单元调控所述本地时钟生成单元高稳压控振荡器的运行，输出处理后时间和频率信号，即时频信号。输出信号可扩展为多路时频信号。 [0052] 通常意义的差分时钟是指时钟电路设计中的一种技术：将一路输入信号由不平衡方式转换为平衡(相反相位)方式，然后做差分处理，可以有效抑制共模噪声。本发明所述外差式卫星授时接收系统可以提供高精度时间频率信号，利用两个独立的短基线GNSS信号接收单元输出的定时信号，通过选取星历数据及对应的授时信号，进一步进行GNSS卫星的星间差分处理和GNSS授时信号接收模组间差分处理，还可以进行卫星与接收模组间混合差分等运算处理，可以显著降低卫星信号的授时误差，获得精准的时频信号并驯服本地时钟生成单元，本实施例中，通过本地时钟生成单元输出的相对于单一GNSS接收模组更加精准的视频信号为1pps、10Mhz、TOD信号，所获得的的时钟信号是高精度、低成本的时间频率信号，时间偏差<3ns(相对于UTC)，频率稳定度可达E‑14天稳级别。 [0053] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

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