多级/多阈值/多持久性的gps/gnss原子钟监控的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及全球定位系统（GPS)和全球导航卫星系统（GNSS)，更具体地，本 发明涉及使用多级、多阈值以及多持久性分析的GPS/GNSS原子钟监控。
【背景技术】
[0002] 美国全球定位系统（GPS)是一类GNSS系统，其包括沿地球轨道运行以向GPS/GNSS 接收机或者导航设备提供导航和定位信号的空间飞行器（例如，卫星）的星座。公众和政 府机构使用能够接收和使用GPS/GNSS信号的数百万的GPS/GNSS接收机或者导航设备。
[0003] GPS/GNSS接收机通过精确定时由GPS/GNSS飞行器发送的信号来计算其自身位 置。每个空间飞行器不断地传输包括以下内容的导航消息：（1)消息被传输的时间和（2)在 消息传输时刻空间飞行器的位置。接收机分析从最少四个GPS/GNSS空间飞行器接收的导 航消息。接收机确定每个导航消息的传送时间，并且使用光速计算距离每个空间飞行器的 各自的距离。已知从接收机到每个空间飞行器的距离和每个空间飞行器的相对位置，接收 机以三个绝对空间坐标和一个绝对时间坐标确定自身位置。
[0004] 精确定时对GPS/GNSS系统中的高精度跟踪和导航是关键的。例如，GPS/GNSS空 间飞行器使用高精度原子频标（AFS)用于定时，例如，铷原子钟。AFS可以表现各种时钟异 常，该时钟异常如果在GPS/GNSS导航和跟踪中未被监测到会引入重大错误。
【发明内容】
[0005] 本文公开的示例方法包括建立原子频标（AFS)和监控器件之间的差。该方法还包 括对AFS和监控器件之间的估计的差模型进行建模，并且基于测量的差和估计的差分模型 计算残余信号。此外，该方法包括通过第一检测器在多个阈值处分析残余信号，每个阈值具 有定义在指示相位跳变、速率跳变或者加速度误差中的一个或多个之前超过阈值的次数的 相应的持久性。此外，该方法包括通过第二检测器在多个阈值处分析估计的差分模型的参 数，每个阈值具有定义在指示漂移之前超过漂移阈值的次数的相应的持久性。
[0006] 本文公开的示例装置包括测量仪、估计器、分析器、第一检测器以及第二检测器。 测量仪用于测量原子频标（AFS)和监控器件之间的差。估计器用于对AFS与监控器件之间 的估计的差进行建模。分析器用于基于测量的差和估计的差计算残余信号。第一检测器用 于在多个阈值处分析残余信号，每个阈值具有定义在指示相位跳变、速率跳变或者加速度 误差中的一个或多个之前超过阈值的次数的相应的持久性。第二检测器用于在多个阈值处 分析估计的差的参数，每个阈值具有定义在指示漂移之前超过漂移阈值的次数的相应的持 久性。
[0007] 另一示例方法包括建立原子频标（AFS)和监控器件之间的测量的差，并且对AFS 和监控器件之间的估计的差分模型进行建模。示例方法还包括如果估计的差分模型的参数 超过相应的持久性处的阈值，则通过检测器检测漂移，其中持久性定义在指示漂移之前超 过漂移阈值的次数。
[0008] 本发明可以包含一种方法，该方法可以包括建立原子频标（AFS)和监控器件之间 的测量的差；对AFS和监控器件之间的估计的差分模型进行建模；基于测量的差和估计的 差分模型计算残余信号；通过第一检测器在多个阈值处分析残余信号，每个阈值具有定义 在指示相位跳变、速率跳变或者加速度误差中的一个或多个之前超过阈值的次数的相应的 持久性；以及通过第二检测器在多个阈值处分析估计的差分模型的参数，每个阈值具有定 义在指示漂移之前超过漂移阈值的次数的相应的持久性。该方法还可以包括通过投票结构 确定跳变源或者漂移源以改进性能。参数可以是速率偏差以提高效率。监控器件可以是独 立时钟。独立时钟可以是压控振荡器或者数控振荡器。独立时钟可以是晶体振荡器和压控 振荡器或者数控振荡器。独立时钟可以是晶体振荡器。监控器件可以是AFS的延迟的时钟 信号。延迟的时钟信号使用基于振荡器的延迟机制产生。延迟的时钟信号可以使用延迟线 广生以提尚效率。
[0009] 本发明可以包含一种装置，该装置可以包括用于测量原子频标（AFS)和监控器件 之间的差的测量仪；用于建模AFS与监控器件之间的估计的差的估计器；用于基于测量的 差和估计的差计算残余信号的分析器；第一检测器，其用于在多个阈值处分析残余信号，每 个阈值具有定义在指示相位跳变、速率跳变或者加速度误差中的一个或多个之前超过阈值 的次数的相应的持久性；以及第二检测器，其用于在多个阈值处分析估计的差的参数，每个 阈值具有定义在指示漂移之前超过漂移阈值的次数的相应的持久性。该装置还可以包括用 于确定跳变源或者漂移源的投票结构。参数可以是速率偏差。监控器件可以是独立时钟。 监控器件可以是AFS的延迟的时钟信号。
[0010] 本发明可以是一种方法，该方法可以包括建立原子频标（AFS)和监控器件之间的 测量的差；建立AFS和监控器件之间的估计的差分模型；以及如果估计的差分模型的参数 超过相应持久性处的阈值，则通过检测器检测漂移，其中持久性定义在指示漂移之前超过 漂移阈值的次数。该方法还可以包括通过检测器在多个阈值处分析估计的差分模型的参 数，每个阈值具有定义在指示漂移之前超过漂移阈值的次数的相应持久性。参数可以是速 率偏差。监控器件可以是独立时钟。监控器件可以是AFS的延迟的时钟信号。这些选择中 的每个可以提尚本发明的性能和精确性。
[0011] 已经讨论的特征、功能以及优点可以在多种示例中独立地实现，或者可以在其他 示例中被合并，其他示例的进一步的细节可以参考以下描述和附图而得知。
【附图说明】
[0012] 图1示出示例原子钟监控系统的框图。
[0013] 图2示出第二示例原子钟监控系统的框图。
[0014] 图3示出包括独立基于时钟监控方法的示例原子钟监控系统。
[0015] 图4示出包括基于延迟方法的示例原子钟监控系统。
[0016] 图5示出使用压控晶体振荡器（VCXO)或者数控晶体振荡器（NCO)的独立基于时 钟监控系统。
[0017] 图6示出使用高性能晶体振荡器（CXO)连同相对低成本的VCXO或者NCO以形成 锁相环的独立的基于时钟的监控系统。
[0018] 图7示出使用高性能CXO而无需应用校正的独立的基于时钟的监控系统。
[0019] 图8示出示例顶级投票体系结构。
[0020] 图9示出代表用于实现时钟监控系统的示例方法的流程图。
[0021] 图10示出原始的残余速率差曲线。
[0022] 图11示出包括跳变校正的原始的残余速率差曲线。
[0023] 图12示出估计的时钟偏差曲线。
[0024] 图13示出包括跳变校正的估计的时钟偏差曲线。
[0025] 图14示出残余速率差曲线。
[0026] 图15示出来自2级检测器的结果。
[0027] 图16是能够执行机器可读指令以实现图9的指令的示例处理平台的框图。
[0028] 在适当的情况下，贯穿附图和随附的书面描述，同一附图标记将被用来指相同或 者相似的部件。
【具体实施方式】
[0029] 全球定位系统（GPS)和全球导航卫星系统（GNSS)使用原子频标（AFS)例如铷原 子钟来维持精确定时。AFS例如铷原子钟遭受各种异常，包括频率跳变、相位跳变、频率速率 跳变以及异常频率漂移。诸如这些的异常如果不能够被正确检测并且处理，可能使得终端 用户确定的他们的位置、速率以及时间带有显著误差。
[0030] 时钟异常的监控、检测以及响应可以被执行在具有与每个位置关联的不同的性能 特征的终端用户的GPS/GNSS接收机、GPS/GNSS地面控制部分或者GPS/GNSS空间飞行器 (例如，卫星）处。
[0031] 本文公开的示例方法和装置使能对空间飞行器机载的GPS/GNSS原子钟异常的监 控、检测以及响应。机载时钟监控提供最有效的及时报警（time-to-alert)、服务可用性以 及连续性。通过识别产生时钟信号的机载的时钟异常，异常可以迅速被检测并且可以立刻 传输警报。在某些示例中，时钟异常可以在错误信号被传送自空间飞行器之前被校正，由此 避免传送误导性信息并且从而提高服务可用性和/或连续性。
[0032] 本文公开的示例方法和装置包括各种时钟监控体系结构。在某些示例中，利用现 有部件以进行时钟监控，而不需要附加的硬件。例如，根据本文所述的示例可以利用现有的 振荡器例如晶体振荡器（CXO)、压控晶体振荡器（VCXO)和/或数控晶体振荡器（NCO)来进 行时钟监控。在某些示例中，诸如这些的部件可以被包括在系统中以进行各种功能，例如， 上变频（frequency up-conversion)。通过利用现有部件进行时钟监控，可以以最小的附加 成本来实现附加的能力。
[0033] 第一示例时钟监控体系结构通过将AFS信号的相位和/或速率与另一时钟诸如 CXO的相位和/或速率进行比较来监控AFS。第二示例时钟监控体系结构通过比较固定延 迟间隔期间的AFS信号的相位变化和/或速率变化来监控AFS。第一和第二示例时钟监控 体系结构中的每个均包括处于各种级别的性能和成本的多种实施方式的变型。
[0034] 所公开的示例方法和装置利用创新的分析技术提供超过已知系统的能力的全面 的原子钟监控能力。在高级别上，这些技术包括多级检测，该多级检测包括针对每个检测级 别的多阈值和多持久性分析。
[0035] 多级检测提供处于各种级别的检测器以检测特定类型的异常。示例包括1级检测 器和2级检测器。1级检测器迅速地检测大异常，而2级检测器检测较长一段时间期间的小 异常。在每个检测级上，多阈值和多持久性分析利用与每个阈值关联的持久性要求包括基 于测量值的预定的阈值。持久性指特定阈值处的测量在检测或者指示异常之前必须被实现 的次数（例如，测量满足或者超过阈值的次数）。
[0036] 在操作中，通过使用具有较小持久性的较大阈值迅速地检测和报告或者校正大的 异常和明显的异常，从而在系统被污染之