CN110837221B - 一种有效提高授时可靠性与连续性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效提高授时可靠性和连续性的方法，包括：S1：从非易失性存储中获取各项参数信息以及上述各项参数信息有效标识，判断有效性，并根据判断设置系统模式，若系统模式为非记忆模式，直接执行S3；否则执行S2；S2：正常工作，接收卫星电文，将各项参数信息更新到非易失性存储，设置各项参数标识为有效；S3：判断可用卫星颗数，根据判断选择进入相应授时方式；S4：对授时时间进行统计处理，并设置相应标识；S5：根据时间信息合理性标识更新时间信息到非易失性存储中或返回“错误”信息，进行新一轮授时计算的准备。本发明依据不同场景条件采用不同的授时方法，可以自动识别场景进行灵活转换，有效提高授时可靠性与连续性。

Description

一种有效提高授时可靠性与连续性的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航的技术领域，特别涉及一种适有效提高授时可靠性与连续性的方法。

背景技术

时间是与人民大众的日常生活密切相关的基本物理量。随着电子信息及时和互联网的迅猛发展，电子商务、电子政务等高时间约束业务对整个社会的时间信息的准确性和精度要求越来越严格。卫星授时的出现，为解决这些问题提供了一个方向。卫星授时，一般是指利用卫星时间作为时间基准，通过测量卫星测距码的传输时延，通过PVT解算与本地时钟建立时间映射关系，并通过本地时钟系统的计时计算与控制策略形成稳定可靠以及精度较高的时间信息输出，以及提供对时或二次授时应用的秒时刻脉冲信号PPS。卫星授时之所以可靠，主要是因为每颗卫星搭载有高精度的原子钟，同时地面控制站持续接收卫星的广播信号，采用先进的校时、同步、注入等技术使得卫星时间系统具有在信号可靠覆盖范围内为多种通讯设备、电子应用系统、流程控制管理系统、电子商务系统等提供精密的标准时间信号，以保证各项服务的准确执行。目前，卫星授时服务已被广泛应用于IT、金融、石化、政府机关、国防、电力、交通、医疗、教育等领域。然而，在实际应用中，往往无法满足卫星信号的接收持续可靠覆盖。例如，城市峡谷、小区内、林荫道等环境下，或是部分待授时设备在工程安装中的环境要求导致无法持续处于足够多卫星信号的可靠覆盖范围内时，卫星授时的可靠性和连续性就会出现较大误差，极端情况下，可能会因时间偏差造成巨大的经济损失。因此，在卫星授时中，除了保证卫星授时的精确，授时的可靠性与连续性也是非常重要的性能需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术在实际应用中，往往无法满足卫星信号的接收持续可靠覆盖。例如，城市峡谷、小区内、林荫道等环境下，或是部分待授时设备在工程安装中的环境要求导致无法持续处于足够多卫星信号的可靠覆盖范围内时，卫星授时的可靠性和连续性就会出现较大误差，极端情况下，可能会因时间偏差造成巨大的经济损失。在卫星授时中，除了保证卫星授时的精确，授时的可靠性与连续性也是非常重要的性能需求的问题，因此提出一种有效提高授时可靠性和连续性的方法。

本发明提出的一种有效提高授时可靠性和连续性的方法，包括：S1、从非易失性存储中获取历史定位信息、时间信息、卫星电文所含的各项参数信息以及上述各项信息有效标识，判断上述信息的有效性，并根据判断设置系统模式，如果系统模式为非记忆模式，直接执行S3；否则执行S2；S2、正常工作，接收卫星电文，通过解算电文信息获取定位信息、时间信息，将定位信息、时间信息、卫星电文信息更新到非易失性存储，设置各项参数标识为有效，执行S3；S3、判断可用卫星颗数，根据判断选择进入相应授时方式：正常授时方式、少星授时方式、无星授时方式，从非易失性存储中获取授时计算必须参数，根据不同的授时方式对授时时间进行计算，正常授时参考授时原理、少星授时通过收集到的卫星信息计算出钟差，用钟差对时间信息校正、无星授时利用时间推估公式以及前期统计到非易失性存储中的时间统计信息推估出当下的时间信息；S4、对授时时间进行统计处理、判断时间信息的合理性，并设置相应标识，并将统计信息存入非易失性存储中，为未来的无星授时计算提供计算条件，此信息有时效性，当信息无效时，进行删除；统计处理得到可靠的授时时间，并设置可靠性标识；S5，根据时间信息合理性标识更新时间信息到非易失性存储中或返回“错误”信息，进行新一轮授时计算的准备，完成授时工作。

优选地，步骤S3中，少星授时方式的执行：根据可用卫星数，判断进入少星授时方式；从非易失性存储中获取参数信息；利用非易失性存储中的信息计算伪距、求各类延时；根据传输延时与本地时间的映射关系，通过收集到的卫星信息利用卫星伪距与钟差之间的关系计算出钟差；用钟差对时间信息进行校正，得到授时时间。

优选地，步骤S3中，无星授时方式的执行：从非易失性存储中获取参数信息；直接依赖时间推估公式求得授时时间。

优选地，步骤S4为对三种授时方式得到的时间信息，统计其授时偏差的均值、方差参数，判断各项参数是否在合理范围内，保证授时信息的可靠性，同时为将来授时方式中的无星授时方式提供计算参数。

优选地，步骤S2中授时模式的设置依靠判断非易失性存储中的信息是否有效，非易失性存储中信息有效，设置授时模式为记忆模式，等待有效时间超出且存储中信息没有更新，重新设置授时模式为非记忆模式；非易失性存储中信息无效或全为0，设置授时模式为非记忆模式，等待解算出时间信息并更新到存储中后，重新设置授时模式为记忆模式；其中，记忆模式下，分为开机和正常工作两种场景；开机+记忆模式下，只需要有卫星，可加速时间信息提取初始化的过程；正常工作，只要是时间信息正常，都归属于记忆模式，因为会在记忆信息失效前刷新存储信息从而清除超时计时器；并由此，非记忆模式下，应该是必须有4颗卫星以上，才能获得准确PVT信息，才能进入正常工作和正常授时。

优选地，步骤S5为对于少星授时方式和无星授时方式得到的授时结果，在S4中得到了授时结果的可靠性判断标识，在更新存储信息时，先对可靠性标识进行判断，如果时间结果可靠，才更新到非易失性存储中。

本发明的有益效果包括：在环境变化引入的不同应用场景条件下，采用不同授时方式：卫星颗数在4可及以上时，正常授时，可保证授时精度在20ns内持续正常计时和提供时间信息；卫星颗数不足时采用少星授时方法，可保证在相当长的一段时间内，授时偏差均值保持在20ns左右；当完全被遮挡或信号异常时采用无星授时方法，可在一定时间内，保证授时偏差在200ns以内。依据不同场景条件采用不同的授时方法，并自动识别场景进行灵活转换，保证接收机在各种场景下都能获得或维护本地时间的可靠性，有效提高授时可靠性与连续性。

附图说明

图1是本发明实施例的卫星导航接收机的授时流程图。

图2是本发明实施例的卫星导航接收机少星授时方式的实现流程图。

图3是本发明实施例的卫星导航接收机无星授时方式的实现流程图。

图4是本发明实施例的授时测试设备连接。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明实施例的北斗导航接收机的授时流程图。首先，接收机上电初始化，从非易失性存储中读取接收机的位置信息(接收机坐标)、时间信息、卫星电文信息以及各项信息的有效标识。并根据有效标识设置接收机的运行模式(如果上述信息有效，设置接收机运行模式为非记忆模式，代表接收机的位置信息和时间信息已通过手动进行输入或者已从基站控制台获取，如果上述信息无效或者全为零，设置接收机运行模式为记忆模式，上述信息需要接收机正常工作获得)。上述信息的获得是接收机计算授时的一个前提条件，即上述信息中包含了接收机计算授时所必须的参数，在非记忆模式下，接收机可以在接收到少量卫星的情况下快速进行授时计算；而记忆模式下，接收机依赖于正常工作解算得到上述授时计算条件，如果接收机没有满足解算条件，则等待接收机满足正常工作解算条件后才能进行授时。

设置接收机模式后，接收机通过判断可用卫星颗数，进行不同方式的授时。在接收机长时间的工作下，由于卫星位置的不断变化、接收机所处环境的变化可能导致卫星信号被遮蔽，因此，接收机的授时方式可能各种变化，发生如：由正常授时变换到少星授时、少星授时变换到无星授时等，在不同环境条件下，接收机在各种授时方式之间灵活切换，保证持续、可靠的授时。对于接收机授时方式的切换，依赖于判断可用卫星的颗数，当可用卫星颗数大于4颗时，接收机正常授时，当可用卫星颗数在1到3颗之间，接收机进行少星授时，当可用卫星颗数为0，接收机进行无星授时。

当接收机进行正常授时时，即接收机正常工作，利用卫星电文，解算接收机位置信息以及钟差，参考公式(1)，再利用钟差校正本地时间，参考公式(2)、公式(3)，完成时间合理性判断后，完成授时。最后，将接收机位置信息、时间信息、卫星电文信息存入非易失性存储中。

卫星定位原理：

T_现＝T_历+t_PVT-interval+f(δ_PVT(t))+δ(tu)+f(δ(tu)) (2)

其中T_现为接收机现在的时间，T_历为接收机在上一时刻的时间，t_PVT-interval为PVT间隔，f(δ_PVT(t))为接收机内部时钟计数所带来的统计补偿，δ(tu)为接收机上一时刻的钟差，f(δ(tu))为接收机钟差的统计补偿。f(δ(tu)，δ′(tu)，εi)定义为：

f(δ(tu))＝f(δ(tu)，δ′(tu)，εi) (3)

其中，δ′(tu)为接收机钟漂，εi为其余参与计算参数。

当接收机进行少星授时时，接收机再次读取非易失性存储中的接收机位置信息、时间信息、卫星电文信息，此时上述信息有效(接收机进行少星授时之前有两种状态，开机或者正常工作，开机时判断了存储信息的有效性，信息有效才能进行授时计算，正常工作时，信息保持更新，也保持了信息有效)，接收机进行少星授时计算流程如图2所示，接收机从非易失性存储中读取接收机坐标(x_u，y_u，z_u)、接收机时间T_RX、接收机钟差δtu以及卫星电文各项参数等信息，通过接收机和卫星之间的伪距与接收机钟差之间的关系计算出接收机钟差，参考公式(4)，对于计算钟差的精确性，由于参与计算的参数中，接收机的位置无论是解算获得还是手动输入或基站控制台获得，都为精确坐标，又由于其余时间信息、卫星参数(钟差、卫星坐标)信息有效(计算前在从非易失性存储中获取信息时保证了此信息没有超出有效时长)，计算得到的钟差精确度能够得到保证。计算出接收机钟差后，利用钟差校正本地时间，参考公式(2)，公式(3)，完成时间合理性判断后，完成授时。并将接收机的时间信息更新到非易失性存储中。在少星情况中，不同的卫星会解算出不同的接收机钟差，例如，解算出接收机钟差σtu1，σtu2，σ tu3，在计算接收机时间时，用到的钟差为计算出的多个钟差值求平均，即：

然后求其方差：

其中0＜n＜4。

伪距与钟差的关系如下：

其中，ρ表示接收机与卫星之间的伪距，(x_i，y_i，z_i)表示卫星坐标，(x_u，y_u，z_u)表示接收机坐标，σtu表示接收机钟差，σti表示卫星钟差，εi表示传播过程中的各种时延；

当接收机进行无星授时时，接收机的执行流程如图3所示，接收机同样再次读取非易失性存储中的接收机的时间信息，判断此信息是否有效。由于无星授时没有卫星的数据作为参考，而是利用之前的统计时间信息，因此，为保证授时精度可靠，进入无星授时计算前需要判断统计信息是否超过了有效时间，该有效时间根据统计时间信息数据进行设置并调整，如果统计信息失效，停止授时，返回“错误”并重新进行授时方式判断；否则，如果统计时间信息有效，利用无星授时时间推估公式直接推估出接收机的时间信息，如公式(5)、公式(6)，判断接收机时间合理性后，如果时间信息合理，更新到非易失性存储中，完成授时。在计算过程中，由于没有接收到新的可用卫星电文，推估中的钟差信息来源于之前接收机工作时更新到非易失性存储中的时间信息统计，在该时间有效期内，在精度要求不高的情况下，能够继续保证对接收机的授时。

T_现＝T_历+t_PVT-interval+f(δ_PVT(t))+f_k(σtu) (5)

其中T_现为接收机现在的时间，T_历为接收机上一时刻的时间，t_PVT-interval为PVT间隔，f(δPVT(t))为接收机内部时钟计数所带来的统计补偿，f_k(σtu)定义如下：

f_k(σtu)定义为无星情况下根据历史信息统计计算出的无星情况下的钟差以及钟漂等各项时间信息，用于推估接收机时间，式中，E(σtu)为统计钟差期望，δ(σtu)为统计钟差方差，n为统计样本数，εi为其余参与计算参数。

当接收机计算出接收机时间信息后，需要对接收机时间的合理性进行进一步的判断，保证接收机时间的精度在需求范围内，同时，也为后面的授时计算提供条件，特别是对于少星授时和无星授时，其计算过程中所用参数依靠接收机授时结果的统计，在统计、判断合理性步骤中，需要在每个授时时刻对其授时钟差进行统计，求出授时钟差的均值、方差，对其均值、方差进行合理性判断，如果钟差在合理范围内，给接收机授时，并更新非易失性存储中的时间信息。否则，丢弃此结果，返回错误，重新开始下一轮的计算。

经过授时时间信息的合理性判断，根据判断将时间更新到非易失性存储中，即开始进行新一轮的授时计算准备。

通过此上述三种授时方法授时，无论环境发生如何变化，在一定时间内，授时精度能够控制在一定范围内，相应的，用此上述三种方法计算的时间信息进行二次授时，授时精度依然能控制在同样量级范围内。

测量结果方法：

测量授时的精确度：采用与基准时间做差得到授时偏差，再分析授时偏差的合理性的方法判断授时精度是否可靠。授时测试设备连接方式如图4所示，授时测试执行步骤如下：

第一步：按照设备连接方式图将设备连接好；

第二步：被测设备接收机设置为记忆模式，开机15分钟后开始正式测试。接收机完成定位后，实时输出秒脉冲(1PPS)信号至时间间隔计数器；

第三步：利用时间间隔计数器测量被测设备输出的1PPS上升沿时刻与时间基准输出的1PPS上升沿时刻的差值，统计定时精度δ，采样样本不少于3600个；

第四步：被测设备重复S2、S3步骤再次测量；

经过上述步骤后得到被测接收机的授时偏差后，再利用评估方法统计授时偏差的均值以及方差，评估方法参考公式(7)，其中：Xi为时间间隔计数器的相邻时刻测量样本的差值，i为样本序号，n为样本总数减1，将统计结果进行比较分析，判断授时偏差是否在合理范围内。

评估方法：

在本实例中，经过测试，在少星授时中，在较长时间内，授时偏差保持在20ns左右，在无星授时中，在一定周期时间内，授时偏差保持在200ns以内。

根据本发明提供的方法，正常授时时，接收机利用卫星电文信息解算接收机位置、接收机钟差等信息，再利用钟差与接收机时间的关系为接收机授时；少星情况时，接收机通过历史定位、时间、卫星电文信息，利用接收机与卫星之间的伪距与接收机钟差的关系，计算出接收机钟差，再利用接收机钟差与接收机时间的关系，计算出接收机时间，为接收机授时；无星情况时，接收机利用历史信息与接收机时间的关系推估出接收机时间，为接收机授时。利用本发明提供的方法，使接收机能够在不同的环境条件下选择合适的授时方式，在少星甚至无星的条件下，在一定时间周期内，保证授时偏差在合理范围内，实现了在不同环境下进行授时，提高了授时的可靠性与连续性。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (5)

1.一种有效提高授时可靠性与连续性的方法，其特征在于，包括：

S1，获取授时计算所必须的信息，设置系统模式：从非易失性存储中获取历史定位信息、时间信息、卫星电文所含的各项参数信息以及上述各项参数信息有效标识，判断上述信息的有效性，并根据判断设置系统模式，如果系统模式为非记忆模式，直接执行S3；否则执行S2；

S2，解算出授时必须的参数信息：正常工作，接收卫星电文，通过解算电文信息获取定位信息、时间信息，将定位信息、时间信息、卫星电文信息更新到非易失性存储，设置各项参数标识为有效，执行S3；

S3，根据不同的环境条件进入不同的授时方式，计算得到相应的授时时间：判断可用卫星颗数，根据判断选择进入相应授时方式：正常授时方式、少星授时方式、无星授时方式；从非易失性存储中获取授时计算必须参数，根据不同的授时方式对授时时间进行计算；正常授时参考授时原理；少星授时通过收集到的卫星信息计算出钟差，用钟差对时间信息进行校正；无星授时利用时间推估公式以及前期统计到非易失性存储中的时间统计信息推估出当下的时间信息；

S4，完成统计处理得到可靠的授时时间，并设置可靠性标识：对授时时间进行统计处理、判断时间信息的合理性，并设置相应标识，并将统计信息存入非易失性存储中，为未来的无星授时计算提供计算条件，此信息有时效性，当信息无效时，进行删除；

S5，根据时间信息合理性标识更新时间信息到非易失性存储中或返回“错误”信息，进行新一轮授时计算的准备，完成授时工作。

2.如权利要求1所述的有效提高授时可靠性与连续性的方法，其特征在于，步骤S3中，少星授时方式的执行：根据可用卫星数，判断进入少星授时方式；从非易失性存储中获取参数信息；利用非易失性存储中的信息计算伪距、求各类延时；根据传输延时与本地时间的映射关系，通过收集到的卫星信息利用卫星伪距与钟差之间的关系计算出钟差；用钟差对时间信息进行校正，得到授时时间。

3.如权利要求1所述的有效提高授时可靠性与连续性的方法，其特征在于，步骤S4为对三种授时方式得到的时间信息，统计其授时偏差的均值、方差参数，判断各项参数是否在合理范围内，保证授时信息的可靠性，同时为将来授时方式中的无星授时方式提供计算参数。

4.如权利要求1所述的有效提高授时可靠性与连续性的方法，其特征在于，步骤S2中授时模式的设置依靠判断非易失性存储中的信息是否有效，非易失性存储中信息有效，设置授时模式为记忆模式，等待有效时间超出且存储中信息没有更新，重新设置授时模式为非记忆模式；非易失性存储中信息无效或全为0，设置授时模式为非记忆模式，等待解算出时间信息并更新到存储中后，重新设置授时模式为记忆模式；其中，记忆模式下，分为开机和正常工作两种场景；开机+记忆模式下，只需要有卫星，可加速时间信息提取初始化的过程；正常工作，只要是时间信息正常，都归属于记忆模式，因为会在记忆信息失效前刷新存储信息从而清除超时计时器；并由此，非记忆模式下，必须有4颗卫星以上，才能获得准确PVT信息，才能进入正常工作和正常授时。

5.如权利要求1所述的有效提高授时可靠性与连续性的方法，其特征在于，步骤S5为对于少星授时方式和无星授时方式得到的授时结果，在S4中得到了授时结果的可靠性判断标识，在更新存储信息时，先对可靠性标识进行判断，如果时间结果可靠，才更新到非易失性存储中。

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