CN112540389B

CN112540389B - 一种利用卫星历书的时间同步方法和装置

Info

Publication number: CN112540389B
Application number: CN202011557255.XA
Authority: CN
Inventors: 谢淑香; 董思远; 周应强; 谷宇舒; 刘李娟
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112540389A

Abstract

本发明涉及一种利用卫星历书的时间同步方法及装置，包括接收机、原子钟和主控单元，先利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机钟差和接收机位置，并根据接收机钟差和接收机当前的时间得到本地精确时间，利用原子钟对本地精确时间进行锁定。然后根据卫星导航系统用户接口文件对卫星历书进行解析，得到卫星历书信息，根据卫星历书信息计算卫星位置，并根据卫星位置和接收机位置计算接收机与卫星之间的距离。最后根据本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间，从而能够得到1ms精度的卫星同步时间。

Description

一种利用卫星历书的时间同步方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星导航信号处理技术领域，特别是涉及一种利用卫星历书的时间同步方法和装置。

背景技术

卫星导航信号可以用于地面设备的定位、测速和授时。在地面设备得到精确位置和时间之前，首先要对卫星导航信号进行捕获和跟踪，才能从中提取卫星电文信息，进行后续导航计算工作。卫星导航信号的捕获方法有多种，对于伪码周期长的长码信号，通常采用FFT+部分匹配滤波相结合的快速捕获方法，如果能够提供伪码码流对应时间，将使卫星导航信号的捕获时间大大缩短。

GPS或北斗导航卫星轨道高度约为2万至4万公里，对应的信号传输时间为66ms～133ms。在接收机用户能获得准确时间的条件下，要获得卫星精确时间通常要进行66～133次1ms数据的搜索才能完成时间遍历，卫星同步时间的精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用卫星历书的时间同步方法和装置，不依赖于任何外部设备即可以得到1ms精度的卫星同步时间，并可用于卫星长码信号的直捕。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种利用卫星历书的时间同步方法，所述方法包括如下步骤：

利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机钟差和接收机位置；

根据所述接收机钟差和接收机当前的时间得到本地精确时间；

利用原子钟对所述本地精确时间进行锁定；

根据卫星导航系统用户接口文件对卫星历书进行解析，得到卫星历书信息；

根据所述卫星历书信息计算卫星位置；

根据所述卫星位置和所述接收机位置计算接收机与卫星之间的距离；

根据所述本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间。

一种利用卫星历书的时间同步装置，所述装置包括接收机、原子钟和主控单元；

所述主控单元分别与所述接收机和所述原子钟通信连接；所述接收机和所述原子钟通信连接；

所述接收机用于接收至少四颗定位卫星的卫星导航信号，并利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机钟差和接收机位置，根据所述接收机钟差和接收机当前的时间得到本地精确时间，并将所述本地精确时间传输至所述原子钟，将所述接收机位置和所述本地精确时间传输至所述主控单元；

所述原子钟用于对所述本地精确时间进行锁定；

所述接收机还用于在卫星导航信号正常时接收卫星历书；

所述主控单元用于根据卫星导航系统用户接口文件对所述卫星历书进行解析，得到卫星历书信息，根据所述卫星历书信息计算卫星位置，根据所述卫星位置和所述接收机位置计算接收机与卫星之间的距离，根据所述本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间，并将所述卫星精确时间传输至所述原子钟进行输出。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种利用卫星历书的时间同步方法及装置，包括接收机、原子钟和主控单元，先利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机钟差和接收机位置，并根据接收机钟差和接收机当前的时间得到本地精确时间，利用原子钟对本地精确时间进行锁定。然后根据卫星导航系统用户接口文件对卫星历书进行解析，得到卫星历书信息，根据卫星历书信息计算卫星位置，并根据卫星位置和接收机位置计算接收机与卫星之间的距离。最后根据本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间，从而能够得到1ms精度的卫星同步时间。另外，通常卫星长码信号快捕采用外部注入时间和注入星历的方案，对外部设备有依赖性，而利用本发明提出的一种基于卫星历书的时间同步方法及装置，不依赖其他设备，便可以获得与星历计算同等的时间精度，也可用于卫星导航信号的直捕。

附图说明

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。

图1为本发明实施例1所提供的利用卫星历书的时间同步方法的方法流程图。

图2为本发明实施例2所提供的利用卫星历书的时间同步装置的结构示意图。

符号说明：

1-接收机；2-原子钟；3-主控单元。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种利用卫星历书的时间同步方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤101：利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机1钟差和接收机1位置；

所述利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位具体包括：利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号，采用伪距模型进行单点定位。

所述伪距模型为：

P＝ρ+C(dt-dT)+d_ion+d_trop； (1)

式1中，P为接收机1测得的伪距；ρ为接收机1到定位卫星的几何距离；C为光速，具体值为2.99792458e⁸；C·dt为接收机1钟差引起的距离偏差；dt为接收机1钟差；C·dT为定位卫星钟差引起的距离偏差；dT为定位卫星钟差；d_ion为电离层效应引起的距离偏差；d_trop为对流层引起的距离偏差。

根据伪距模型，接收机1观测第j颗定位卫星测得的伪距为：

式2中，P^j为接收机1观测第j颗定位卫星测得的伪距；X^j(t)，Y^j(t)和Z^j(t)为第j颗定位卫星在t时刻的三维坐标，可以根据导航电文星历参数计算第j颗定位卫星在t时刻的三维坐标，其为已知值；X_u(t)，Y_u(t)和Z_u(t)为接收机1在t时刻的三维坐标，其为待求解未知数；j＝1，2，......，N；N为定位卫星的个数，N≥4。dt同样为待求解未知数。

该伪距模型存在4个待求解未知数，故至少需要4个方程才能同时求解得到4个未知数，故接收机1至少要接收4颗定位卫星的卫星导航信号，才能通过解方程组得出接收机1位置和接收机1钟差。

步骤102：根据所述接收机1钟差和接收机1当前的时间得到本地精确时间；利用步骤101计算得到接收机1钟差后，再与接收机1当前的时间进行相加，即可得到本地精确时间，利用这种方式得到的本地精确时间，其精度为20ns。

步骤103：利用原子钟2对所述本地精确时间进行锁定；即利用原子钟2对本地精确时间进行保持，地面原子钟2设备在自身电池供电情况下，自主守时时间小于7天，定时偏差可小于200μs。

步骤104：根据卫星导航系统用户接口文件对卫星历书进行解析，得到卫星历书信息并保存；所述卫星历书信息包括历书参考时间toa、卫星轨道长半轴的平方根偏心率e、近地点幅角ω、参考时间的平近点角M₀、升交点经度Ω₀、升交点赤经变化率Ω、轨道参考倾角的改正量δ_i、卫星钟差a₀和卫星钟速a₁。

步骤105：根据所述卫星历书信息计算卫星位置；卫星历书有效时间在7天以内，利用卫星历书计算卫星位置在卫星导航系统用户接口文件有提及。

步骤106：根据所述卫星位置和所述接收机1位置计算接收机1与卫星之间的距离；

所述根据所述卫星位置和所述接收机1位置计算接收机1与卫星之间的距离采用的公式为：

式3中，P^k为接收机1与卫星之间的距离；X^k(t)，Y^k(t)和Z^k(t)为卫星位置。

步骤107：根据所述本地精确时间、接收机1与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间。与星历计算卫星位置相比，利用卫星历书计算得到的卫星精确时间精度小于1ms，由于本地精确时间守时精度小于200μs，故利用本方法最终得到的卫星精确时间精度将小于1ms。

所述根据所述本地精确时间、接收机1与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间采用的公式为：

式4中，T为卫星精确时间；t为本地精确时间；λ为卫星导航信号的波长。

通常卫星长码信号快捕采用外部注入时间和注入星历的方案，对外部设备有依赖性，而利用本实施例提出的一种基于卫星历书的时间同步方法，不依赖其他设备，便可以获得与星历计算同等的时间精度，也可用于卫星导航信号的直捕。

实施例2：

本实施例用于提供一种利用卫星历书的时间同步装置，采用如实施例1所述的方法进行工作，如图2所示，所述装置包括接收机1、原子钟2和主控单元3；

所述主控单元3分别与所述接收机1和所述原子钟2通信连接；所述接收机1和所述原子钟2通信连接；

所述接收机1用于接收至少四颗定位卫星的卫星导航信号，并利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位，得到接收机1钟差和接收机1位置，根据所述接收机1钟差和接收机1当前的时间得到本地精确时间，并将所述本地精确时间传输至所述原子钟2，将所述接收机1位置和所述本地精确时间传输至所述主控单元3；

所述原子钟2用于对所述本地精确时间进行锁定，实现本地精确时间的守时；

所述接收机1还用于在卫星导航信号正常时接收卫星历书；

所述主控单元3用于根据卫星导航系统用户接口文件对所述卫星历书进行解析，得到卫星历书信息，根据所述卫星历书信息计算卫星位置，根据所述卫星位置和所述接收机1位置计算接收机1与卫星之间的距离，根据所述本地精确时间、接收机1与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间，并将所述卫星精确时间传输至所述原子钟2进行输出，从而不仅能够输出实时高精度的秒脉冲(精度小于20ns)和高精度的卫星精确时间数据，还能实现长码快速捕获和定位计算，快速捕获也使得长码星历的获取时间缩短，可以快速获得星历输出，以供其它设备使用。

另外，所述主控单元3还用于在卫星导航信号丢失而接收不到卫星历书时，控制所述原子钟2输出本地精确时间，从而输出守时秒脉冲(精度小于200μs)和本地精确时间数据。

本实施例的卫星历书有效期可为7天，也可延长到10天，在有效期为10天时，仍然可以获得ms级的时间同步精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种利用卫星历书的时间同步方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

利用原子钟对所述本地精确时间进行锁定；

根据所述卫星历书信息计算卫星位置；

根据所述本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间；

所述利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号进行单点定位具体包括：利用至少四颗定位卫星的卫星导航信号，采用伪距模型进行单点定位；

所述伪距模型为：

P＝ρ+C(dt-dT)+d_ion+d_trop；

其中，P为接收机测得的伪距；ρ为接收机到定位卫星的几何距离；C为光速，C＝2.99792458e⁸；C·dt为接收机钟差引起的距离偏差；dt为接收机钟差；C·dT为定位卫星钟差引起的距离偏差；dT为定位卫星钟差；d_ion为电离层效应引起的距离偏差；d_trop为对流层引起的距离偏差；

根据伪距模型，接收机观测第j颗定位卫星测得的伪距为：

其中，P^j为接收机观测第j颗定位卫星测得的伪距；X^j(t)，Y^j(t)和Z^j(t)为第j颗定位卫星在t时刻的三维坐标；X_u(t)，Y_u(t)和Z_u(t)为接收机在t时刻的三维坐标，j＝1，2，......，N；N为定位卫星的个数，N≥4；

所述根据所述本地精确时间、接收机与卫星之间的距离以及卫星导航信号的波长计算卫星精确时间采用的公式为：

其中，T为卫星精确时间；t为本地精确时间；P^k为接收机与卫星之间的距离；λ为卫星导航信号的波长。

2.如权利要求1所述的一种利用卫星历书的时间同步方法，其特征在于，根据导航电文星历参数计算第j颗定位卫星在t时刻的三维坐标。

3.如权利要求1所述的一种利用卫星历书的时间同步方法，其特征在于，所述卫星历书信息包括历书参考时间、卫星轨道长半轴的平方根、偏心率、近地点幅角、参考时间的平近点角、升交点经度、升交点赤经变化率、轨道参考倾角的改正量、卫星钟差和卫星钟速。

4.如权利要求1所述的一种利用卫星历书的时间同步方法，其特征在于，所述根据所述卫星位置和所述接收机位置计算接收机与卫星之间的距离采用的公式为：

其中，P^k为接收机与卫星之间的距离；X^k(t)，Y^k(t)和Z^k(t)为卫星位置。

5.一种利用卫星历书的时间同步装置，采用如权利要求1-4任一项所述的方法进行工作，其特征在于，所述装置包括接收机、原子钟和主控单元；

所述原子钟用于对所述本地精确时间进行锁定；

所述接收机还用于在卫星导航信号正常时接收卫星历书；

6.如权利要求5所述的一种利用卫星历书的时间同步装置，其特征在于，所述主控单元还用于在卫星导航信号丢失而接收不到卫星历书时，控制所述原子钟输出本地精确时间。