一种基于GNSS接收机的授时方法及GNSS接收机与流程

本申请涉及但不限于卫星授时技术领域，尤指一种基于全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)接收机的授时方法及gnss接收机。

背景技术：

全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)目前由美国的全球定位系统(gps，globalpositioningsystem)、俄罗斯的glonass，中国的北斗(beidou)以及欧盟的galileo四大系统组成，可以给地球表面和近地空间的用户提供全天时、大范围、长期连续实时高精度的定位、测速和授时服务。用于输出授时秒脉冲(pulsepersecond，pps)的gnss接收机正是使用gnss卫星信号进行位置、速度和时间(positionvelocityandtime，pvt)解算，再通过滤波拟合等方法调整本地的秒脉冲相位，从而精确输出pps信号。

目前用于输出秒脉冲的gnss接收机广泛应用于通信基站、时间基准站以及电力系统等行业。在电力系统中，电网的故障检测及分析要求时间精度达到毫秒级，其电力相位对时间精度的要求达到微秒级。在第四代移动通信技术(4g)网络通信系统中，对gnss接收机输出pps的精度要求为1.5微秒(us)。这样的精度要求目前的主流授时型gnss接收机(例如ubloxm8t(一倍标准差(1σ)为20纳秒(ns))，trimblemini-t(1σ为15ns)等)都可以满足。然而，在未来第五代移动通信技术(5g)移动基站的布局中，要求gnss接收机的pps输出精度峰峰值小于30ns。目前传统的基于gnss接收机的授时方法，输出的pps脉冲精度较低，pps输出精度峰峰值大都在100ns左右。可见目前市场上的主流gnss接收机的pps输出精度是不满足要求的。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种基于gnss接收机的授时方法及gnss接收机，可以提高授时精度。

一方面，本申请实施例提供一种基于gnss接收机的授时方法，包括：通过pvt运算获取一个或多个导航系统的pvt本地时刻以及本地钟飘数据；获取本次pvt运算的pvt运算完成时刻对应的整秒时刻的pps；计算本次pvt运算得到的任一导航系统的pvt本地时刻和所述整秒时刻的pps之间的差值，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对所述差值进行修正，输出下一秒的pps。

另一方面，本申请实施例提供一种基于gnss接收机的授时装置，包括：pvt运算模块，适于通过pvt运算获取一个或多个导航系统的pvt本地时刻以及本地钟飘数据；pps获取模块，适于获取本次pvt运算的pvt运算完成时刻对应的整秒时刻的pps；频率预补偿模块，适于计算本次pvt运算得到的任一导航系统的pvt本地时刻和所述整秒时刻的pps之间的差值，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对所述差值进行修正，输出下一秒的pps。

另一方面，本申请实施例提供一种gnss接收机，包括：接收器、处理器和存储器，所述接收器连接所述处理器，适于接收gnss卫星信号；所述存储器适于存储授时程序，所述授时程序被所述处理器执行时实现上述授时方法的步骤。

另一方面，本申请实施例提供一种计算机可读介质，存储有gnss接收机的授时程序，所述授时程序被处理器执行时实现上述授时方法的步骤。

在本申请实施例中，通过计算pvt运算得到的pvt本地时刻和对应的整秒时刻的pps之间的差值，并采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该差值进行修正，输出下一秒的pps，从而可以实现高精度授时。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为授时gnss接收机的原理示意图；

图2为本申请实施例提供的基于gnss接收机的授时方法的流程图；

图3为采用本申请实施例提供的授时方法输出的pps与国家授时中心的标准pps的对比示意图；

图4为不采用本申请实施例提供的授时方法输出的pps与国家授时中心的标准pps的对比示意图；

图5为采用本申请实施例提供的授时方法的两块板卡输出的pps的对比示意图；

图6为本申请实施例提供的基于gnss接收机的授时装置的示意图；

图7为本申请实施例提供的gnss接收机的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为授时gnss接收机的原理示意图。如图1所示，授时gnss接收机通过天线接收gnss卫星信号后，可以对接收到的卫星信号进行前置放大、下变频以及模数(a/d)转换处理，从而将天线接收到的射频卫星信号转换为数字信号；然后对转换得到的数字信号进行基带处理。在基带处理过程中，通过跟踪通道和信号跟踪环路捕获和跟踪目标卫星的导航信号，根据跟踪到的目标卫星的导航信号，获得观测信息和导航电文。之后，可以通过位置、速度和时间(pvt，positionvelocityandtime)解算得到授时gnss接收机的定位位置、速度、时间等定位结果，然后驱动本地pps时钟输出秒脉冲(pps)信号，通过pps信号实现精确授时。

然而，由于目前授时型的gnss接收机受限于成本、功耗以及体积限制，不能够大规模使用价格高昂并且体积较大的恒温型晶振，一般都使用带有温度补偿的tcxo，而tcxo易受环境、温度等影响导致秒稳值比较差，这在应用于授时技术时会对计算所得的时间精度影响较大。

本申请实施例提供一种基于gnss接收机的授时方法及gnss接收机，在gnss接收机的基础上运用基于秒内的频率预补偿方式对本地pss进行修正，从而显著提高pps的精度，实现高精度授时。本实施例提供的基于gnss接收机的授时方法可以给诸多应用提供用作时间基准的pps。比如，可以应用在4g、5g移动通信中进行时间校准、基站的时间同步、电力系统的时间同步等诸多需要时间基准的场景中。

图2为本申请实施例提供的基于gnss接收机的授时方法的示意图。如图2所示，本实施例提供的基于gnss接收机的授时方法，包括以下步骤：

步骤201、通过pvt运算获取一个或多个导航系统的pvt本地时刻以及本地钟飘数据；

步骤202、获取本次pvt运算的pvt运算完成时刻对应的整秒时刻的pps；

步骤203、计算本次pvt运算得到的pvt本地时刻和对应的整秒时刻的pps之间的差值，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该差值进行修正，输出下一秒的pps。

其中，导航系统可以包括以下至少之一：gps、glonass、beidou、galileo。在一示例性实施例中，全系统多频点的gnss接收机可以同时接收全部四个导航系统的多个频点信号，从而得到全部导航系统的多频钟差数据。然而，本申请对此并不限定。在实际应用中，gnss接收机可以根据实际情况接收一个或多个导航系统的卫星信号。

在一示例性实施例中，步骤201可以包括：获取pvt运算得到的pvt解算时刻以及至少一个导航系统的钟差数据；针对任一导航系统，根据pvt解算时刻以及该导航系统的钟差数据，确定本次pvt运算对应的pvt本地时刻。比如，根据本次pvt运算得到的pvt解算时刻以及gps系统的钟差数据之和，可以确定本次pvt运算得到的gps系统的pvt本地时刻。

在一示例性实施例中，步骤202可以包括：获取本地pps计数器维护的pps；利用本地pps计算器维护的pps减去该整秒时刻到本次pvt运算的pvt运算完成时刻之间的差值，得到该整秒时刻的pps的计算值；采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该计算值进行修正，得到修正后的该整秒时刻的pps。

在本示例性实施例中，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该计算值进行修正，得到修正后的该整秒时刻的pps，可以包括：基于本次pvt计算得到的本地钟飘数据，根据以下式子得到修正后的整秒时刻的pps：

tpps(n)＝tpps(n+tp)-tpvt(n+tp)×(1+fd(n))；

其中，tpps(n)表示第n秒的pps；tpvt(n+tp)表示n+tp时刻对应的pvt本地时刻；tpps(n+tp)表示n+tp时刻对应的pps；fd(n)表示第n秒的pvt运算得到的本地钟飘数据；tp表示第n秒对应的pvt运算完成时刻；n为正整数。

在一示例性实施例中，在步骤203中，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该差值进行修正，输出下一秒的pps，可以包括：

根据以下式子对第n秒的pvt运算得到的pvt本地时刻和第n秒时刻的pps之间的差值进行修正：

δt(n)＝tpvt(n)-tpps(n)＝tpvt(n)-(tpps(n+tp)-tpvt(n+tp)×(1+fd(n)))；

其中，tpvt(n)表示第n秒的pvt运算得到的pvt本地时刻；tpps(n)表示第n秒时刻的pps；tpvt(n+tp)表示n+tp时刻对应的pvt本地时刻；tpps(n+tp)表示n+tp时刻对应的pps；fd(n)表示第n秒的pvt运算得到的本地钟飘数据；tp表示第n秒对应的pvt运算完成时刻；n为正整数；

其中，基于修正后的差值，根据以下式子输出第n+1秒的pps：

在一示例性实施例中，在采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对差值进行修正之前，本实施例的授时方法还可以包括：通过以下方式对差值进行滤波：当差值大于设定门限值，采用第一带宽对该差值进行滤波；当差值小于或等于设定门限值，采用第二带宽对该差值进行滤波；其中，第一带宽大于第二带宽。示例性地，第一带宽可以为0.4赫兹(hz)，第二带宽可以为0.13hz。本示例性实施例中，通过采用动态带宽调整方式对差值进行滤波，可以加速收敛，并提高后续处理的精度。

下面通过一个示例对本申请实施例提供的授时方法进行举例说明。本示例性实施例中，以全系统多频点gnss接收机为例进行说明。

本示例性实施例提供的授时方法包括以下过程：

步骤一、gnss接收机在本地进行pvt运算后，得到本地定位坐标、pvt解算时刻、四个系统钟差、本地钟飘数据。其中，gnss接收机可以同时接收全部四个导航系统的多个频点信号，从而得到四个导航系统的多频钟差数据。其中，针对任一次pvt运算，任一个导航系统的pvt本地时刻可以根据本次pvt运算得到的pvt解算时刻和该导航系统的钟差数据确定，例如，导航系统的pvt本地时刻等于pvt解算时刻和该导航系统的钟差数据之和。

步骤二、对四个导航系统的钟差数据两两作差，得到不同导航系统之间的钟差差值数据。

步骤三、通过算法优选或者用户配置使用的导航系统频点，选取相应导航系统的钟差数据。其中，钟差数据的选取无论采用算法优选或者用户配置，在所选导航系统频点的钟差数据由于干扰等原因不存在时，可以轮询选取其他导航系统的钟差数据，并使用步骤二中的钟差差值数据进行补偿，得到相应导航系统的钟差数据。如此，本示例性实施例可以支持自动优化选择和用户配置选择导航系统进行高精度授时。

在选定导航系统之后，根据选定的导航系统对应的pvt本地时刻以及本地钟飘数据，可以通过以下步骤实现高精度授时。

步骤四、对步骤一中pvt运算得到的本地定位坐标及pvt解算时刻的标志状态进行判断，若标志状态显示结果无效，则返回步骤一进行下一秒pvt运算，否则继续以下步骤。

步骤五、对步骤一得到的pvt本地时刻补偿本地时延和用户设置时延。其中，本地时延和用户设置时延可以根据实际应用确定，本申请对此并不限定。

步骤六、获取本地维护的本地pps，并使用本次pvt运算完成时刻的pps反推回整秒时刻的pps。

在本步骤中，在反推回整秒时刻(比如，第n秒时刻，n为正整数)的pps时，可以使用本地pps计数器维护的pps减去该整秒时刻(第n秒)到pvt运算完成时刻tp之间的差值得到。

其中，由于本地晶振频率漂移的影响，可以使用频率预补偿方式对整秒时刻(第n秒)的pps进行修正。设本次(比如第n秒时刻)pvt求得的本地晶振频率漂移引起的本地钟飘数据为fd(n)，则整秒时刻(第n秒)的pps的修正值可以为：

tpps(n)＝tpps(n+tp)-tpvt(n+tp)×(1+fd(n))；

其中，tpps(n)表示第n秒时刻的pps；tpvt(n+tp)表示n+tp时刻对应的pvt本地时刻；tpps(n+tp)表示n+tp时刻对应的pps；tp表示第n秒对应的pvt运算完成时刻。

步骤七、求取步骤五中补偿时延后的pvt本地时刻与步骤六中得到的整秒时刻(第n秒)的pps之间的差值，即δt(n)＝tpvt(n)-tpps(n)。

步骤八、对步骤七求得的第n秒时刻的差值δt(n)进行环路滤波以滤除噪声，并使用频率预补偿方式进行修正，从而得到精确的第n+1秒时刻的pps，进而输出精确的第n+1秒时刻的pps。

其中，通过环路滤波进行噪声滤除时，滤波器的带宽越大，噪声滤除的越少，但时间响应越及时；滤波器的带宽越小，滤除噪声效果越好，但时间响应越长。因此，本步骤中，可以采用基于输出结果进行反馈采用动态带宽调整方式，当δt(n)大于设定门限值，则采用大带宽(比如，0.4hz)进行滤波，且过滤n次，当δt(n)小于或等于设定门限值，则采用小带宽(比如，0.13hz)进行滤波，且过滤n次；其中，n可以为大于1的整数。换言之，在刚得到或者刚牵引回来时采用大带宽0.4hz进行滤波，当输出的精度达到一定程度时可以采用小带宽0.13hz进行滤波；这样既能加速收敛，后期授时精度也会较高。

本步骤中，基于频率预补偿的修正可以使用本秒(第n秒)所得的本地钟飘数据进行修正。第n+1秒的pps可以为：

其中，tpvt(n)表示第n秒pvt运算得到的pvt本地时刻；tpps(n)表示第n秒时刻的pps；tpvt(n+tp)表示n+tp时刻对应的pvt本地时刻；tpps(n+tp)表示n+tp时刻对应的pps；fd(n)表示第n秒的pvt运算得到的本地钟飘数据；tp表示第n秒对应的pvt运算完成时刻；n为正整数。

本示例性实施例中，基于秒内的频率预补偿方式可以对本地pps进行修正，从而提高授时精度。而且，本示例性实施例支持接收全系统多频点信号，支持自动优化选择和用户配置导航系统和频点，进行高精度授时，具有配置灵活、性能稳定可靠等优点。

下面通过多组测试数据对本申请实施例提供的授时方法的效果进行说明。其中，使用测量型天线进行信号接收，接收实际对天信号，并使用应用了本申请实施例的授时方法的ut4b0oem板卡和未应用本申请实施例的授时方法的板卡进行实际效果的测试。其中，可以通过用于时间间隔测量的stanfordsr60时间间隔计数器进行脉冲间的比对。

在一示例性实施例中，在某一时刻，gnss接收机计算出来的此秒时刻的pvt本地时刻与pps之间的差值经滤波后为4.734ns，本地钟飘数据为5.7ns/s。在上述时刻，使用本申请实施例提供的授时方法进行修正后的差值为4.733999973016200ns。

其中，基于未使用本实施例提供的授时方法的板卡，测试24小时的gnss接收机输出的pps与国家授时中心(ntsc，nationaltelevisionstandardscommittee)的标准pps之间的差值，两者之间的对比结果可以参照图4所示。

图4为不采用本申请实施例输出的pps与国家授时中心的标准pps的对比示意图。

在相同的环境下，基于使用本实施例提供的授时方法的板卡，测试24小时的gnss接收机输出的pps与国家授时中心的标准pps之间的差值，两者之间的对比结果可以参照图3所示。图3为采用本申请实施例输出的pps与国家授时中心的标准pps的对比示意图。

参照图3和图4可以看出，其他条件都相同的情况下，使用本示例性实施例的授时方法能够将输出的pps精度偏差mtie(maximumtimeintervalerror，最大时间间隔误差)从17.5ns降低到10.1ns，1σ从2.294ns降低到1.382ns。由此可见，相比于传统的授时型gnss接收机的授时方法，使用本实施例提供的授时方法所得的授时精度大大提高。

图5为采用本申请实施例提供的授时方法的两块板卡输出的pps的对比示意图。如图5所示，两块板卡间的mtie为12ns。由此可见，本实施例提供的授时方法具有性能稳定可靠的优点。

图6为本申请实施例提供的基于gnss接收机的授时装置的示意图。如

图6所示，本实施例提供的基于gnss接收机的授时装置包括：pvt运算模块601、pps获取模块602以及频率预补偿模块603；其中，pvt运算模块601，适于通过pvt运算获取一个或多个导航系统的pvt本地时刻以及本地钟飘数据；pps获取模块602，适于获取本次pvt运算的pvt运算完成时刻对应的整秒时刻的pps；频率预补偿模块603，适于计算本次pvt运算得到的导航系统的pvt本地时刻和该整秒时刻的pps之间的差值，采用本次pvt运算得到的本地钟飘数据对该差值进行修正，输出下一秒的pps。

在一示例性实施例中，频率预补偿模块603还可以适于通过以下方式对差值进行滤波：当差值大于设定门限值，采用第一带宽对该差值进行滤波；当差值小于或等于设定门限值，采用第二带宽对该差值进行滤波；其中，第一带宽大于第二带宽。

关于本实施例提供的授时装置的相关处理流程可以参照上述授时方法的实施例描述，故于此不再赘述。

图7为本申请实施例提供的gnss接收机的示意图。如图7所示，本实施例提供的gnss接收机700，包括：接收器703、存储器701和处理器702；接收器703连接处理器302，适于接收gnss卫星信号；存储器701适于存储授时程序，该授时程序被处理器702执行时实现上述实施例提供的授时方法的步骤，比如图2所示的步骤。本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的示意图，并不构成对本申请方案所应用于其上的gnss接收机700的限定，gnss接收机700可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

其中，处理器702可以包括但不限于微处理器(mcu，microcontrollerunit)或可编程逻辑器件(fpga，fieldprogrammablegatearray)等的处理装置。存储器701可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本实施例中的授时方法对应的程序指令或模块，处理器702通过运行存储在存储器701内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，比如实现本实施例提供的授时方法。存储器701可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些示例中，存储器701可包括相对于处理器702远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至gnss接收机700。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

关于本实施例提供的gnss接收机的相关实施流程可以参照上述方法实施例的描述，故于此不再赘述。

此外，本申请实施例还提供一种计算机可读介质，存储有基于gnss接收机的授时程序，该授时程序被处理器执行时实现上述授时方法的步骤，比如图2所示的步骤。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。