一种基于全球卫星导航系统GNSS的单线授时和守时方法与流程

一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法
技术领域
1.本发明涉及全球卫星导航系统应用领域，特别涉及一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法。


背景技术：

2.随着卫星导航产业的发展，gnss卫星导航系统已经涵盖了包括gps、beidou、glonass、galileo、qzss、irnss等多种全球或区域性的导航系统。导航、定位和授时是gnss应用的主要研究方向，其中，gnss授时在通信、电力、交通、金融、智慧城市、航天、国防等各个领域都有着广泛的应用。
3.gnss授时是利用gnss接收机，通过接收4颗以上的导航卫星信号，根据同步到的卫星测量值和导航电文信息，进行pvt解算获得gnss接收机的位置和钟差，gnss接收机钟差为gnss接收机时钟时间和gnss时间的偏差，然后把gnss接收机的钟差修正到gnss时间系统下，再转化为utc时间，发送给用户，即可完成授时。
4.目前gnss授时主要为利用gnss接收机的1pps以直接或间接的方法进行授时，1pps授时方法在于，一个串口作为触发源，另一个串口输出时间信息，两个串口结合或增加转发设备的方法完成授时。而本发明涉及到一种更为便捷的授时方法，即基于单个串口的单线授时方法。
5.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种高精度授时系统”，其公告号为“cn107505832b”，本发明涉及一种高精度授时系统，以芯片级铷原子钟、多模授时型gnss定位芯片、gnss天线、arm处理器、fpga芯片、4g网络通信单元为硬件平台，搭建高精度授时系统，相较于现有授时方法提出了自适应频率调整算法、历元间高次差法计算钟差修正值算法，其具有pnt服务鲁棒性高、授时精度高、抗干扰性强的优点，有效的减少了fpga平台对输出的1pps信号较大的调整带来的信号抖动。整套系统包括主站和从站，实现了从站相对主站高精度授时，误差在3ns。适用于对多处设备间需要高精度同步控制场合。但并未涉及具体的授时方法。


技术实现要素：

6.本发明是为解决了gnss接收机输出位置信息和时间信息的时刻与utc标准时间相比有延迟以及传统1pps授时单独占用一个串口的不足的问题，提供一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法，所述方法同时提供gnss导航和授时的功能，gnss接收机的导航、定位信息与授时信息通过同一个串口进行输出播发，让设备在得到定位信息的同时，获得精确的时间信息，并且为设备节省一个串口。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法，包括gnss天线、gnss接收机和rs232/uart接口，包括以下步骤：s1，gnss接收机接收卫星信号；s2，卫星信号进行下变频和a/d转换；
s3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；s4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；s5，进行pvt解算，获取gnss接收机的位置、速度和时间信息；s6，对gnss接收机进行授时和守时处理；s7，gnss接收机输出定位信息和授时信息，定位信息包含接收机的位置、速度和时间信息。
8.本发明中的gnss接收机采用多通道并行的方式接收gnss信号，gnss接收机中射频前端对gnss信号进行下变频和a/d转换处理，在基带上完成信号的捕获、跟踪和电文解调，收集到导航卫星的原始电文信息后，进行解码获取卫星的测量值和导航电文信息。通过gnss接收机的导航定位解算模块完成pvt解算，获得gnss接收机的位置、速度和时间信息。gnss接收机输出定位语句的时刻和标准的utc时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要为定位解算消耗的时间。步骤s6就是为解决这个时间延迟的问题进行授时和守时处理，最后gnss接收机输出定位信息和授时信息。
9.作为优选，所述步骤s6的授时处理方法具体为：s61，设定在t0时刻gnss接收机获得有效定位信息，此时导航卫星的时间为st0，对应的utc时间为ut0，ut0与标准的utc时间是严格对齐的，误差为几纳秒，gnss接收机本地时钟不记录时间信息，其触发和gnss接收机输出频率一致的等间隔信号，所述等间隔信号被gnss接收机内部识别和记录，每当本地时钟产生触发信号时，gnss接收机立刻向串口发送一条授时语句，假设gnss接收机本地时钟在t0时刻触发信号的临近时间为tic0，在t0时刻，tic0与ut0存在一个偏差值δt，即为gnss接收机的时钟偏差：δt＝ut0-tic0在进入下一时刻t1时，gnss接收机对本地时钟信息进行修正，gnss接收机本地时钟新的信号触发时间为:tic1＝tic1 δt等号右边的tic1是未修正的本地时钟信号触发时间，等号左边的tic1是修正后的本地时钟信号触发时间，经过修正后的tic1和gnss接收机时间ut1是对齐的，误差为几纳秒；s62，在t1时刻，当本地高精度时钟信号触发时，gnss接收机立刻向rs232/uart串口发送一条授时信息，由于包含位置和utc时间的定位语句输出有一定的延迟，所以授时语句是提前的，因此，gnss接收机本地时钟触发信号时对应的真实时间ut1为：ut1＝ut0 dt其中，dt是根据gnss接收机定位语句或授时语句输出频率确定的时间间隔，t1时刻以后，gnss接收机时钟信号触发的时间tic和gnss计算出的卫星时间是对齐的；s63，对于gnss接收机的本地高精度时钟，当gnss接收机持续输出定位信息后，gnss接收机的本地时钟会估计出本地时钟的偏移信息，并根据需要进行调整，当偏移积累到设定的阈值后，gnss接收机会再次把偏移信息校正给tic，从而完成连续的高精度授时。
10.作为优选，所述步骤s6中的守时处理方法为：gnss接收机内部除了记录本地时钟的偏移信息δt，同时还会估计出gnss接收机时钟的频偏信息df，当gnss卫星信号消失，gnss接收机不能获得定位信息时，gnss接收机本地时钟的偏移信息为：
δt＝δt0 df
·
δtδt0为卫星信号消失时或时钟调整后的时钟偏移信息，δt为gnss接收机失去信号或时钟调整后的运行时间，通过对δt的调整，估算出标准时间，从而在一定时间内保持高精度授时信息的输出，即完成守时的功能。
11.作为优选，所述gnss接收机包括射频、基带、导航定位解算模块、高精度时钟，所述gnss接收机用于接收卫星信号，所述射频用于信号的下变频和a/d转换，所述基带用于信号的捕获、跟踪和解调，所述导航定位解算模块用于pvt解算。
12.作为优选，所述步骤s7中的gnss接收机输出定位信息和授时信息具体方法为gnss接收机通过同一个串口输出定位语句和授时语句，所述串口即为rs232/uart接口。
13.作为优选，所述授时语句与定位语句的输出频率一致，通过配置命令修改gnss接收机定位语句和授时语句的输出频率。
14.作为优选，所述gnss接收机支持单频/多频、单模/多模的工作模式，所述工作模式通过发送配置命令进行切换。
15.作为优选，所述接收卫星信号的具体方式为采用多通道并行的方式。
16.因此，本发明具有如下的有益效果：gnss接收机的导航、定位信息与授时信息通过同一个串口进行播发，让设备在得到定位信息的同时，获得精确的时间信息，这解决了gnss接收机输出位置信息和时间信息的时刻与标准utc时间相比有延迟的问题，并且摆脱了传统1pps授时单独占用一个串口的不足，为设备节省了一个串口。
附图说明
17.图1是本发明实施例的gnss接收机授时工作流程图；图2是本发明实施例的gnss接收机时钟校正示意图。
具体实施方式
18.实施例1本实施例提出一种基于全球卫星导航系统gnss的单线授时和守时方法，参考图1和图2，包括gnss天线、gnss接收机和rs232/uart接口，包括以下步骤：s1，gnss接收机接收卫星信号；接收卫星信号的具体方式为采用多通道并行的方式；s2，卫星信号进行下变频和a/d转换；具体在射频前端进行；s3，对卫星信号进行捕获、跟踪和解调，得到原始电文信息；具体的，gnss接收机中的基带对卫星信号进行捕获、跟踪和解调；s4，解码获取卫星的测量值和导航电文信息；s5，进行pvt解算，获取gnss接收机的位置、速度和时间信息；具体的，gnss接收机中的导航定位解算模块进行pvt结算，gnss接收机输出的时间和标准的utc时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要来自于定位解算消耗的时间；s6，对gnss接收机进行授时和守时处理；s61，设定在t0时刻gnss接收机获得有效定位信息，此时导航卫星的时间为st0，对应的utc时间为ut0，ut0与标准的utc时间是严格对齐的，误差为几纳秒，gnss接收机本地时
钟不记录时间信息，其触发和gnss接收机输出频率一致的等间隔信号，所述等间隔信号被gnss接收机内部识别和记录，每当本地时钟产生触发信号时，gnss接收机立刻向串口发送一条授时语句，假设gnss接收机本地时钟在t0时刻触发信号的临近时间为tic0，在t0时刻，tic0与ut0存在一个偏差值δt，即为gnss接收机的时钟偏差：δt＝ut0-tic0在进入下一时刻t1时，gnss接收机对本地时钟信息进行修正，gnss接收机本地时钟新的信号触发时间为:tic1＝tic1 δt等号右边的tic1是未修正的本地时钟信号触发时间，等号左边的tic1是修正后的本地时钟信号触发时间，经过修正后的tic1和gnss接收机时间ut1是对齐的，误差为几纳秒；s62，在t1时刻，当本地高精度时钟信号触发时，gnss接收机立刻向rs232/uart串口发送一条授时信息，由于包含utc时间的定位语句输出有一定的延迟，所以授时语句是提前的，因此，gnss接收机本地时钟触发时对应的真实时间ut1为：ut1＝ut0 dt其中，dt是根据gnss接收机定位语句或授时语句输出频率确定的时间间隔，t1时刻以后，gnss接收机时钟信号触发的时间tic和gnss计算出的卫星时间是对齐的；s63，对于gnss接收机的本地高精度时钟，当gnss接收机持续输出定位信息后，gnss接收机的本地时钟会估计出本地时钟的偏移信息，并根据需要进行调整，当偏移积累到设定的阈值后，gnss接收机会再次把偏移信息校正给tic，从而完成连续的高精度授时；s7，gnss接收机输出定位信息和授时信息。
19.步骤s6中的守时处理方法为：gnss接收机内部除了记录本地时钟的偏移信息δt，同时还会估计出gnss接收机时钟的频偏信息df，当gnss卫星信号消失，gnss接收机不能获得定位信息时，gnss接收机本地时钟的偏移信息为：δt＝δt0 df
·
δtδt0为卫星信号消失时或时钟调整后的时钟偏移信息，δt为gnss接收机失去信号或时钟调整后的运行时间，通过对δt的调整，估算出标准时间，从而在一定时间内保持高精度授时信息的输出，即完成守时的功能。
20.gnss接收机包括射频、基带、导航定位解算模块、高精度时钟，所述gnss接收机用于接收卫星信号，所述射频用于信号的下变频和a/d转换，所述基带用于信号的捕获、跟踪和解调，所述导航定位解算模块用于pvt解算，所述的高精度时钟用于触发等间隔信号。
21.步骤s7中的gnss接收机输出定位信息和授时信息具体方法为gnss接收机通过同一个串口输出定位语句和授时语句，所述串口即为rs232/uart接口。授时语句与定位语句的输出频率一致，通过配置命令修改gnss接收机定位语句和授时语句的输出频率。gnss接收机支持单频/多频、单模/多模的工作模式，工作模式通过发送配置命令进行切换。
22.gnss接收机采用多通道并行的方式接收gnss信号，gnss接收机中射频前端对gnss信号进行下变频和a/d转换处理，在基带上完成信号的捕获、跟踪和电文解调，收集到导航卫星的原始电文信息后，进行解码获取卫星的测量值和导航电文信息。通过gnss接收机的导航定位解算模块完成pvt解算，获得gnss接收机的位置、速度和时间信息。gnss接收机输
出位置信息和时间信息的时刻和标准的utc时间相比会有一定时间的延迟，这个延迟主要为定位解算消耗的时间。步骤s6就是为解决这个时间延迟的问题进行授时和守时处理，最后gnss接收机输出定位信息和授时信息。
23.本发明的方法简述为gnss接收机接收卫星信号，进行pvt解算，获得gnss接收机的位置信息和时间信息。gnss接收机本地时钟可以发出等间隔的时钟信号，并被gnss接收机内部记录。gnss接收机内部计算出信号触发时间和gnss时间的偏差，并将偏差校正给gnss接收机时钟，改正信号的触发时间，这样本地时钟信号触发的时间和标准时间就是严格对齐的。随后，当本地时钟再次触发信号时，gnss接收机立刻向rs232/uart接口发送一条授时语句。由于gnss接收机发送包含时间的定位语句时是有一定延迟的，因此当被授时设备收到授时语句时，其对应的时刻为上一次gnss接收机的输出时间加一个时刻，该时刻与卫星时间是对齐的，一般优于100ns。
24.显然，本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。