技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）領(lǐng)域，特別涉及一種GNSS高精度授時(shí)終端系統(tǒng)及授時(shí)方法。

背景技術(shù)：

“授時(shí)（time service）”是指利用無(wú)線(xiàn)電波發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的工作，根據(jù)授時(shí)手段的不同分為短波授時(shí)、長(zhǎng)波授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)、互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)和電話(huà)授時(shí)等。衛(wèi)星授時(shí)是依靠GNSS系統(tǒng)進(jìn)行的大面積覆蓋的授時(shí)技術(shù)，與其他授時(shí)方法相比，它的授時(shí)精度最高。根據(jù)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星測(cè)量值的不同運(yùn)作方式，GNSS授時(shí)大致可分為單向測(cè)量、公式測(cè)量和載波相位技術(shù)三種。利用GNSS授時(shí)接收機(jī)來(lái)進(jìn)行時(shí)間同步在通信、電力等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

GNSS授時(shí)系統(tǒng)使用性能穩(wěn)定的接收機(jī)，通過(guò)接收4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，提取對(duì)應(yīng)的觀(guān)測(cè)值，然后結(jié)合衛(wèi)星播發(fā)電文中的衛(wèi)星位置參數(shù)、修正參數(shù)進(jìn)行PVT解算求出接收機(jī)鐘差，此鐘差值代表接收機(jī)內(nèi)置鐘的鐘面時(shí)刻和GNSS時(shí)間系統(tǒng)的偏差，得知這一信息后，即可把接收機(jī)的鐘面時(shí)刻修正到GNSS時(shí)間系統(tǒng)下，再轉(zhuǎn)化為用戶(hù)所處的時(shí)間系統(tǒng)，從而完成授時(shí)。

利用衛(wèi)星授時(shí)得到的高精度時(shí)鐘對(duì)本地晶振進(jìn)行鎖定，能輸出高精度的本地頻率信號(hào)。當(dāng)本地晶振和衛(wèi)星晶振同步時(shí)，本地晶振的頻漂被消除，從而解決了本地晶振長(zhǎng)期穩(wěn)定性差和誤差容易累積的問(wèn)題。另外，GNSS系統(tǒng)中衛(wèi)星攜帶的銫原子鐘和銣原子鐘不斷的受到地面監(jiān)控站的修正，能夠向地面授時(shí)接收機(jī)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的高精度時(shí)鐘。所以，將GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘與本地晶振的同步鎖定的技術(shù)可以用于對(duì)時(shí)間精度要求苛刻的場(chǎng)所，滿(mǎn)足高精度的時(shí)間要求。

目前，基于GNSS的單向授時(shí)方法的最高授時(shí)精度是在幾十納秒的范圍。隨著GNSS授時(shí)技術(shù)的發(fā)展和演變，以及對(duì)精確時(shí)鐘和時(shí)間同步研究的加深，一種能產(chǎn)生高精度的GNSS授時(shí)系統(tǒng)就顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，為了使授時(shí)接收機(jī)能輸出更加精準(zhǔn)的本地時(shí)鐘信號(hào)，本發(fā)明提供了一種GNSS高精度授時(shí)終端系統(tǒng)及授時(shí)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種GNSS高精度授時(shí)終端系統(tǒng)，包括：

天線(xiàn)、射頻前端、基帶信號(hào)處理單元、環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器和外部通訊接口；天線(xiàn)、射頻前端、基帶信號(hào)處理單元、環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器依次信號(hào)連接，本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器的輸出連接射頻前端和基帶信號(hào)處理單元，外部通訊接口連接基帶信號(hào)處理單元；所述的基帶信號(hào)處理單元用來(lái)對(duì)射頻前端輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行PPP解算，獲得接收機(jī)鐘差；所述的本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器包括相連的D/A轉(zhuǎn)換模塊和本地壓控晶振。

上述射頻前端、基帶信號(hào)處理單元和外部通訊接口采用GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)。

所述的GNSS接收機(jī)優(yōu)選為雙頻GNSS接收機(jī)。

所述的GNSS接收機(jī)采用多通道并行方式接收GNSS信號(hào)。

上述本地壓控晶振為可調(diào)節(jié)式的壓控晶振。

上述環(huán)路濾波器為一階環(huán)路濾波器、二階環(huán)路濾波器、三階環(huán)路濾波器或卡爾曼濾波器。

采用上述GNSS高精度授時(shí)終端系統(tǒng)的授時(shí)方法，包括：

根據(jù)收斂速度需求設(shè)置鐘差門(mén)限，將基帶信號(hào)處理單元解算出的接收機(jī)鐘差與鐘差門(mén)限比較，若接收機(jī)鐘差大于鐘差門(mén)限，由GNSS接收機(jī)調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘；否則，通過(guò)環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘。

本發(fā)明以GNSS系統(tǒng)時(shí)間為參考，借鑒鎖相環(huán)思路對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行鎖定，并通過(guò)不斷的時(shí)鐘修正，逐漸減小本地時(shí)鐘與衛(wèi)星信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的偏差，最終獲得標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明系統(tǒng)對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)周期性地進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算，得到接收機(jī)鐘差；本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器基于接收機(jī)鐘差來(lái)調(diào)節(jié)本地時(shí)間，再反饋給射頻前端和基帶信號(hào)處理單元。該環(huán)路可將本地時(shí)間和GNSS系統(tǒng)時(shí)間鎖定，并不斷調(diào)整本地壓控晶振的輸出頻率，從而獲得高精度的本地時(shí)鐘。

2、普通的授時(shí)系統(tǒng)一般采用提高晶振精度的方法來(lái)確保時(shí)鐘的穩(wěn)定性，但是高精度的晶振價(jià)格昂貴，并且隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，累積誤差逐漸增大，晶振本身的老化也會(huì)造成一定的頻漂。本發(fā)明系統(tǒng)采用GNSS系統(tǒng)高精度的時(shí)鐘與本地壓控晶振的同步鎖定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度、高穩(wěn)定性的授時(shí)，授時(shí)精度可達(dá)到納秒甚至亞納秒級(jí)。

3、本發(fā)明系統(tǒng)中GNSS接收機(jī)采用多通道并行方式接收信號(hào)，可顯著減少多路徑、電離層和對(duì)流層造成的時(shí)間延遲誤差。

4、本發(fā)明方法采用GNSS接收機(jī)內(nèi)部調(diào)節(jié)和外部環(huán)路調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘，可大大提高接收機(jī)鐘差的收斂速度，從而快速高效的產(chǎn)生高精度本地時(shí)鐘。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中利用接收機(jī)鐘差調(diào)整本地時(shí)鐘的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

見(jiàn)圖1，本發(fā)明系統(tǒng)主要包括天線(xiàn)、射頻前端、基帶信號(hào)處理單元、環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器和外部通訊接口，天線(xiàn)、射頻前端、基帶信號(hào)處理單元、環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器依次信號(hào)連接，本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器的輸出連接射頻前端、基帶信號(hào)處理單元，外部通訊接口連接基帶信號(hào)處理單元。

射頻前端包括相連的下變頻模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，天線(xiàn)接收至少4顆衛(wèi)星的信號(hào)，射頻前端對(duì)衛(wèi)星信號(hào)依次進(jìn)行下變頻、A/D轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字信號(hào)，并輸入基帶信號(hào)處理單元。由于GNSS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)為低功率無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，因此，本發(fā)明系統(tǒng)必須安裝室外天線(xiàn)來(lái)接收信號(hào)。

基帶信號(hào)處理單元包括依次相連的捕獲模塊、跟蹤模塊、電文解調(diào)模塊、PPP（精密單點(diǎn)定位）解算模塊，用來(lái)對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)依次進(jìn)行捕獲、跟蹤、電文解調(diào)、精密單點(diǎn)定位解算，獲得時(shí)間信息和接收機(jī)鐘差?；鶐盘?hào)處理單元可通過(guò)外部通訊接口從外部網(wǎng)絡(luò)獲取PPP解算所需的數(shù)據(jù)，例如IGS精密星歷、IGS精密鐘差等。

具體實(shí)施時(shí)，射頻前端、基帶信號(hào)處理單元和外部通訊接口可采用單臺(tái)GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，GNSS接收機(jī)包括射頻前端、基帶信號(hào)處理單元和外部通訊接口。GNSS接收機(jī)利用IGS提供的精密星歷和精密鐘差，基于載波相位觀(guān)測(cè)值進(jìn)行高精度定位，用戶(hù)利用GNSS接收機(jī)可在任意位置獲得高精度、高效的靜態(tài)定位和接收機(jī)鐘差。作為優(yōu)選，GNSS接收機(jī)為雙頻GNSS接收機(jī)。

PPP解算模塊所獲得的時(shí)間信息直接輸出，所獲得的接收機(jī)鐘差經(jīng)環(huán)路濾波器消除抖動(dòng)后輸入本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器。本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器包括相連的D/A轉(zhuǎn)換模塊、本地壓控晶振。D/A轉(zhuǎn)換模塊將接收機(jī)鐘差轉(zhuǎn)換為模擬電壓，模擬電壓用來(lái)控制本地壓控晶振的輸出頻率。這樣，即可彌補(bǔ)本地壓控晶振頻漂對(duì)本地同步時(shí)鐘帶來(lái)的長(zhǎng)期性誤差。因此，即可得到同步于GNSS時(shí)鐘的本地同步時(shí)鐘。本地壓控晶振優(yōu)選為恒溫壓控晶振。

本發(fā)明采用壓控晶振作為本地同步時(shí)鐘的時(shí)鐘源，采用傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)鎖定GNSS時(shí)鐘。PPP解算模塊進(jìn)行周期性解算，采用所獲接收機(jī)鐘差周期性地調(diào)整本地時(shí)鐘，每次調(diào)整可等效與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)。本發(fā)明中PPP解算模塊實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)中鑒相器的功能，本地壓控晶振等效于鎖相環(huán)中壓控振蕩器。和傳統(tǒng)鎖相環(huán)不同的是，PPP解算模塊在任何情況下都能得到準(zhǔn)確的接收機(jī)鐘差，所以該環(huán)路不會(huì)出現(xiàn)失鎖的情況。

本發(fā)明還提供了一種利用接收機(jī)鐘差調(diào)整本地時(shí)鐘的優(yōu)選方案，見(jiàn)圖2。根據(jù)收斂速度要求設(shè)置鐘差門(mén)限（如典型值可設(shè)置為100ns），一般來(lái)說(shuō)，收斂速度要求較高時(shí)，鐘差門(mén)限可設(shè)置為較小值；收斂速度要求較低時(shí)，鐘差門(mén)限可設(shè)置為較大值；鐘差門(mén)限為經(jīng)驗(yàn)值，其值可通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定。將PPP解算模塊解算出的接收機(jī)鐘差與鐘差門(mén)限比較，若接收機(jī)鐘差大于鐘差門(mén)限，由GNSS接收機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘頻率控制NCO（數(shù)控振蕩器）調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘；否則，通過(guò)環(huán)路濾波器、本地時(shí)鐘校準(zhǔn)器調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘。本地時(shí)鐘調(diào)整周期即PPP解算周期。