专利名称：一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航授时技术领域，特别是涉及一种高灵敏度北斗辅助授时装置和内嵌有所述高灵敏度辅助授时装置的高灵敏度北斗导航授时接收机及授时方法。
背景技术：
授时的基本含义就是通过标准或者定制的接口和协议，为其他设备或系统提供时间信息。最初的授时基本都依靠对太阳和恒星等天体规则运动的观测来实现，称为天文授时。天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度无法满足二十世纪中叶社会经济各方面的需求。一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子钟”。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整个工序，就称为“授时系统”。短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号(简称时号)，用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。长波授时利用长波(低频)进行时间频率传递与校准，是一种覆盖能力比短波强，校准的准确度更高的授时方法。网络授时和电话授时，采用用户询问方式向用户提供标准时间信号。卫星授时可以实现发播信号大面积的覆盖，而且比起前两种授时方法，它的精度更高。根据卫星在授时中所起的作用卫星授时分为主动式和中转式。主动式卫星有精密时钟，可发播标准时间信号；中转式仅转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号。卫星导航定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于卫星轨道误差、大气层电离层的干扰，星钟与本地时钟的不同步等原因，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距。当卫星正常工作时，会不断地用I和O二进制码元组成的伪随机码发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。用户接受到导航电文，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文，卫星导航电文包含有系统时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况信息等，这是为了给用户提供时间、位置坐标、速度等结果数据，而用于导航卫星信号处理的有关信息。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟存在时间差，称为钟差，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个At即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以，如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4颗卫星的信号。利用解算出的本地接收机时钟与卫星导航系统时的时间差At，可以实现卫星导航接收机本地时钟与以原子钟为基础的导航系统时间的同步。因此，每一个处于定位解算成功状态的卫星导航接收机都是一个高精度的时钟。当前，卫星导航授时应用已发展成为全球性的高新技术产业，并且随着北斗卫星导航系统日趋成熟，基于该系统的授时应用也越来越得到人们的关注。北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯的GL0NASS之后第三个成熟的卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力，截止2012年5月在轨卫星12颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。随着中国北斗卫星系统的发展，覆盖范围的扩大，移动终端内部的时钟可以得到北斗卫星信号的有力辅助。但是由于目前大量移动终端用户都居住在城市环境中，移动终端在严重遮挡的环境下，可能无法保证对卫星连续的跟踪，任何一颗卫星的信号都可能时断时续，以致无法保证接收到完整的4颗卫星信号。在卫星信号强度较弱和遮挡的情况下，对北斗卫星导航系统的授时服务灵敏度提出了更高的要求。
发明内容
本发明公开了一种高灵敏度北斗辅助授时装置和内嵌有所述高灵敏度辅助授时装置的高灵敏度北斗导航授时接收机及授时方法，在恶劣的信号遮挡和衰减条件下，即便只跟踪到一颗卫星，在不能完成位置、速度和时间的定位解算情况下，依靠从接收到的导航信号中提取的周内时信息，仍然能够 完成对北斗系统时间的同步，提供高灵敏度的授时服务。本发明的技术方案是一种高灵敏度北斗辅助授时装置，其特征在于，包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，所述帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；所述帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，将截取接收到的基带信号片段Sjn+m)和本地复现信号^化)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过帧头搜索门限判决模块进行计算和比较，确定北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；所述周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块，当接收到确定的帧头位置信号后，将截取的固定位置上的一段基带信号&(!11)和本地复现信号311(!11)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过周内时门限判决模块进行计算和比较，提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。一种低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及所述高灵敏度辅助授时装置，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端连接所述高灵敏度辅助授时装置；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。一种标准型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及所述高灵敏度辅助授时装置和授时模式选择模块，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端分别连接定位授时模块和所述高灵敏度辅助授时装置，定位授时模块和高灵敏度辅助授时装置的输出端分别连接授时模式选择模块；当信号捕获模块捕获四颗或四颗以上卫星信号时，由定位授时模块完成定位解算，通过授时模式选择模块输出定位结果及IPPS秒脉冲信号；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。一种基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，包括以下步骤1)在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，得到PRN码相位和多普勒频率信息；截取接收到的基带信号片段Sjn+m)，与本地复现信号S1(Hi)进行点积运算，进行相参积累，再将所述点积运算结果取绝对值，进行非相参积累，所述非相参积累值
权利要求
1.一种高灵敏度北斗辅助授时装置，其特征在于，包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，所述帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；所述帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，将截取接收到的基带信号片段&01+!11)和本地复现信号S1(Hl)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过帧头搜索门限判决模块进行计算和比较，确定北斗导航电文数据帧的子帧帧头所处位置；所述周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块，当接收到确定的帧头位置信号后，将截取的固定位置上的一段基带信号Sr(m)和本地复现信号Sn(m)先进行相参积累再进行非相参积累，将得到的非相参积累值通过周内时门限判决模块进行计算和比较，提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。
2.一种低成本型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块以及所述高灵敏度辅助授时装置，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端连接所述高灵敏度辅助授时装置；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。
3.—种标准型高灵敏度北斗导航授时接收机，其特征在于，包括与天线连接的射频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位授时模块以及所述高灵敏度辅助授时装置和授时模式选择模块，所述射频模块分别连接信号捕获模块和信号跟踪模块的输入端，信号捕获模块的输出端连接信号跟踪模块的输入端，所述信号跟踪模块的输出端分别连接定位授时模块和所述高灵敏度辅助授时装置，定位授时模块和高灵敏度辅助授时装置的输出端分别连接授时模式选择模块；当信号捕获模块捕获四颗或四颗以上卫星信号时，由定位授时模块完成定位解算，通过授时模式选择模块输出定位结果及IPPS秒脉冲信号；当信号捕获模块只捕获一颗或少于四颗卫星信号时，由所述高灵敏度辅助授时装置从接收到的卫星信号中提取导航电文的周内时信息，输出IPPS秒脉冲信号，完成对北斗系统时间的同步。
4.一种基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，包括以下步骤1)在完成对北斗卫星信号的捕获和跟踪的基础上，根据捕获和跟踪到的至少一颗的北斗卫星信号，得到PRN码相位和多普勒频率信息；截取接收到的基带信号片段S Jn+m)，与本地复现信号S1On)进行点积运算，进行相参积累，再将所述点积运算结果取绝对值，进行非相参积累，所述非相参积累值
5.根据权利要求4所述的基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，所述步骤2)中，对于没有关于时间先验知识的首次提取，求取所有可能的二进制序列Sn(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成首次周内时的提取；对于获得了先验知识的非首次提取，先估算非相参积累值的搜索范围，在估算的非相参积累值的搜索范围内，求取所有可能的二进制序列Sn(m)对应的非相参积累值，搜索非相参积累最大值，完成周内时的提取。
6.根据权利要求4所述的基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，所述步骤U中，所述非相参积累值按下式计算
7.根据权利要求4或6所述的基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，所述步骤I)中，所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量，Acc2nd (n) =Acc (n) +Acc (n+Psf), Psf是子巾贞长度或周期。
8.根据权利要求4所述的基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述非相参积累值按下式计算
9.根据权利要求4或8所述的基于所述高灵敏度辅助授时装置的授时方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述非相参积累值为多个子帧所对应的非相参积累值进行二次累加得到的最终统计量，
全文摘要
本发明公开了一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法，在恶劣信号条件下，即便只跟踪到一颗卫星，在不能完成定位解算的情况下，依靠从接收到的导航信号中提取的周内时信息，仍然能够完成对北斗系统时间的同步,提供了高灵敏度的授时服务。高灵敏度北斗辅助授时装置包括顺次连接的帧头搜索相关器、帧头搜索门限判决模块、周内时提取相关器以及周内时门限判决模块，帧头搜索门限判决模块的输出端和周内时门限判决模块的输出端还和帧头搜索相关器的输入端连接；帧头搜索相关器包括相互连接的帧头相参积累模块和帧头非相参积累模块，周内时提取相关器包括相互连接的周内时相参积累模块和周内时非相参积累模块。
文档编号G01S19/27GK103033828SQ20121054382
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者不公告发明人 申请人:北京东方联星科技有限公司