基于PPP的GNSS授时接收机时钟组合调控方法及系统与流程

本发明属于全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)技术领域，特别涉及一种基于精密单点定位技术(precisepointpositioning(ppp))的gnss授时接收机的时钟组合调控技术方案。

背景技术：

全球导航卫星系统(gnss)是一种星基无线电定位系统，主要包括美国全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)、中国的北斗(bds)、俄罗斯的格洛纳斯(glonass)，以及欧洲的伽利略(galileo)四大系统。目前，gnss在测绘、导航和授时都发挥了很关键的作用。在授时领域，利用gnss接收机进行授时具有精度高、成本低和稳定等特点，授时接收机将在授时领域得到越来越广泛的运用。

传统的gnss授时接收机主要使用伪距单点定位技术去估算钟差，其钟差的估计精度在20ns左右，授时精度在20ns～50ns。为了提高授时的精度，现在已经出现了基于ppp技术的gnss授时接收机，其钟差的估计精度在0.2ns左右，授时精度小于2ns，但是这种授时接收机的稳定工作依赖于从服务端接收到的卫星改正数信息(包括卫星轨道、钟差改正数)，当网络或者服务端出现问题，基于ppp技术的gnss授时接收机就无法给出稳定的钟差，会严重影响授时精度。一般授时接收机中装的时钟具有较高的稳定性，在ppp模块正常工作时若能对原子钟的一些特性进行建模，就能在ppp模块无法工作的时段利用建模得到的参数去调控时钟，从而继续提供较稳定的授时服务。

技术实现要素：

针对基于ppp技术的gnss授时接收机授中当ppp模块无法正常工作时，授时接收机无法完成高精度授时工作的情况，本发明提供了一种适用于基于ppp技术的gnss授时接收机的时钟组合调控方法，充分利用ppp估计钟差精度高的特点，对时钟特性进行准确建模，在ppp无法工作的时候利用时钟模型去调控时钟，在ppp模块恢复正常工作时如何将时钟控制权转交给ppp模块。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于ppp的gnss授时接收机时钟组合调控方法，所述gnss授时接收机中包括ppp模块，其特征在于：包括时钟特性建模阶段和时钟调控过程，

时钟特性建模过程，用于在ppp模块正常工作时对时钟特性进行建模，包括以下步骤，

步骤sa1，根据ppp模块所估计的钟差调控时钟，记录每一个历元ppp模块估计的钟差和相应所输出的时钟控制量；

步骤sa2，当授时接收机工作超过预设的第一时间段后，开始进行时钟特性建模，基于时钟控制量拟合时钟频漂；当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模；

时钟调控过程，用于在ppp模块无法正常工作时通过时钟特性建模结果去计算接收机钟差，从而继续调控时钟，包括以下步骤，

步骤sb1，当ppp模块无法正常工作时，根据拟合的时钟频漂和长周期误差项估计时钟频偏，估计钟差；

步骤sb2，根据步骤sb1所得钟差计算时钟控制量；

步骤sb3，根据步骤sb2计算的时钟控制量四舍五入为整数，作为最终结果发送给时钟。

而且，步骤sa2，当授时接收机工作超过预设的第一时间段后，开始进行时钟特性建模，实现方式如下，

步骤sa2.1，对记录的时钟控制量进行预处理，剃掉粗差数据和发散数据；

步骤sa2.2，用预处理后时钟控制量对时钟特性进行建模，包括用一个一次函数拟合如下，待拟合参数为时钟频漂drift，

其中，表示k时刻施加到时钟上的时钟控制量，t表示对应的时刻值，表示时钟控制量初始值，设为时钟标称频率对应的时钟控制量，m表示时钟控制量的比例因子。

而且，当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模，采用多项式拟合的方式实现。

而且，步骤sb1的实现包括以下步骤，

步骤sb1.1，设ppp模块在k时刻之后无法正常工作，认为此刻的时钟频偏fk为0，计算k+1时刻的的时钟频偏fk+1如下，

fk+1＝fk+drift×t+wk+1

其中，drift为拟合出的频漂，t为采样间隔，wk+1为长周期误差项；

步骤sb1.2，钟差估计如下，

δtk+1＝δtk+(fk+1+fk)/2×t

其中，δtk+1表示k+1时刻估计的接收机钟差，δtk表示k时刻的接收机钟差。而且，步骤sb2，根据步骤sb1所得钟差计算时钟控制量，通过二阶锁相环实现。

本发明提供一种基于ppp的gnss授时接收机时钟组合调控系统，所述gnss授时接收机中包括ppp模块，设置时钟特性建模模块和时钟调控模块，

时钟特性建模模块，用于在ppp模块正常工作时对时钟特性进行建模，包括以下单元，

单元sa1，用于根据ppp模块所估计的钟差调控时钟，记录每一个历元ppp模块估计的钟差和相应所输出的时钟控制量；

单元sa2，用于当授时接收机工作超过预设的第一时间段后，开始进行时钟特性建模，基于时钟控制量拟合时钟频漂；当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模；

时钟调控模块，用于在ppp模块无法正常工作时通过时钟特性建模结果去计算接收机钟差，从而继续调控时钟，包括以下单元，

单元sb1，用于当ppp模块无法正常工作时，根据拟合的时钟频漂和长周期误差项估计时钟频偏，估计钟差；

单元sb2，用于根据单元sb1所得钟差计算时钟控制量；

单元sb3，用于根据单元sb2计算的时钟控制量四舍五入为整数，作为最终结果发送给时钟。

而且，单元sa2包括以下子单元，

子单元sa2.1，用于对记录的时钟控制量进行预处理，剃掉粗差数据和发散数据；

子单元sa2.2，用于用预处理后时钟控制量对时钟特性进行建模，包括用一个一次函数拟合如下，待拟合参数为时钟频漂drift，

其中，表示k时刻施加到时钟上的时钟控制量，t表示对应的时刻值，表示时钟控制量初始值，设为时钟标称频率对应的时钟控制量，m表示时钟控制量的比例因子。

而且，当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模，采用多项式拟合的方式实现。

而且，单元sb1包括以下子单元，

子单元sb1.1，用于设ppp模块在k时刻之后无法正常工作，认为此刻的时钟频偏fk为0，计算k+1时刻的的时钟频偏fk+1如下，

fk+1＝fk+drift×t+wk+1

其中，drift为拟合出的频漂，t为采样间隔，wk+1为长周期误差项；

子单元sb1.2，用于钟差估计如下，

δtk+1＝δtk+(fk+1+fk)/2×t

其中，δtk+1表示k+1时刻估计的接收机钟差，δtk表示k时刻的接收机钟差。

而且，单元sb2根据单元sb1所得钟差计算时钟控制量，通过二阶锁相环实现。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、无需额外的设备，仅通过增加一个时钟模型拟合模块，可以在网络中断或者播发改正数的服务器崩溃时，继续提供高精度的授时服务，提高了gnss授时接收机的稳定性。

2、当ppp模块的计算结果出现粗差和或者出现重收敛时，可以使用时钟特性计算出的钟差来进行时钟调控，提升了gnss授时接收机高精度授时的连续性。

2、可用于授时领域但不局限于此，还可以用于晶振测试领域，通过ppp模块估计的高精度钟差，来完成时钟稳定性的测试和评估。

附图说明

图1是本发明实施例系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例说明本发明的技术方案。

本发明通过在基于ppp的gnss授时接收机中增加时钟特性拟合模块，在ppp无法给出高精度接收机钟差时，利用拟合得到的时钟模型去计算接收机钟差，形成了ppp模块和时钟特性拟合模块组合调控时钟的模式，从而让gnss授时机具备在改正数中断(网络中断或者服务端崩溃)、信号受到干扰和ppp模块计算结果出现粗差或重收敛情况下仍高精度的授时功能。

实施例提供一种基于ppp的gnss授时接收机时钟组合调控方法，所述gnss授时接收机中包括ppp模块，包括时钟特性建模阶段和时钟调控过程，

时钟特性建模阶段，本发明提出基于ppp技术的gnss授时接收机的时钟拟合方法，用于在ppp模块正常工作时对时钟特性进行建模，包括：

sa1根据ppp模块所估计的钟差去调控时钟，使钟差保持在0附近，记录每一个历元ppp模块估计的钟差和相应所输出的时钟控制量；

具体实施时，ppp模块估计钟差的实现为现有技术，本发明不予赘述。

进一步的，步骤sa1包括：

sa1.1授时接收机刚启动时，接收机钟差较大，需要大步进的调控时钟，让钟差快速收敛到0；

sa1.2ppp模块输出的钟差精度也有一个收敛过程，所以开机前半小时纪录的时钟控制量并不可用；

sa2当授时接收机工作超过预设的第一时间段后，开始进行时钟特性建模，基于时钟控制量拟合时钟频漂；当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模。

第二时间段大于第一时间段，用于得到长周期误差项的建模数据。

实施例中，第一时间段取一天，第二时间段取三天。

当授时接收机工作超过一天后，开始进行时钟特性建模；

进一步的，步骤sa2包括：

sa2.1对步骤sa1记录的时钟控制量进行预处理，剃掉明显的有粗差的数据和发散的数据；

sa2.2用预处理后时钟控制量对时钟特性进行建模，时钟控制量的值可以用来表征每个历元的粗略频偏。所以可以用一个一次函数去拟合，待拟合参数为时钟频漂drift，拟合函数为公式(1)

其中，表示k时刻施加到时钟上的时钟控制量(该值为整数)，可采用步骤sa1中记录的结果；t表示对应的时刻值，表示时钟控制量初始值，设为时钟标称频率对应的时钟控制量，m表示时钟控制量的比例因子，表示控制量最小步进1所对应的频率偏差。具体实施时，将计算出来的时钟控制量施加到时钟上通常采用da模块(数字模拟转换模块)实现，m值可以由所选时钟的电调范围长度除以da位数进行计算。

当授时接收机工作超过3天后，可以使用时钟控制量对环境因素导致的长周期误差项进行建模。

具体实施时，可采用多项式拟合的方式实现长周期误差项建模，例如三次多项式。

具体实施时，可采用软件模块化方式实现以上时钟拟合方法，提供时钟特性拟合模块。

实时钟调控过程，本发明提出一种利用时钟模型估计钟差的时钟调控技术，可采用时钟特性拟合模块，用于进一步在ppp模块无法正常工作时通过时钟特性建模所得结果时钟模型去计算接收机钟差，从而去继续调控时钟，包括步骤：

sb1当ppp模块无法正常工作时，时钟特性拟合模块开始估算钟差；

进一步的，步骤sb1包括：

sb1.1设ppp模块在某个k时刻之后无法正常工作，认为此刻的时钟频偏fk为0，根据时钟特性拟合模块估计出的时钟的频漂还有环境因素导致的长周期误差项等信息，可以算出k+1时刻的时钟频偏fk+1；

fk+1＝fk+drift×t+wk+1(2)

其中，drift为时钟特性拟合模块按式(1)拟合出的频漂，t为采样间隔，

wk+1为长周期误差项，如果授时接收机工作超过3天，可采用在根据sa2.3建模估计的长周期误差项，否则取值为0。

sb1.2计算出时钟频率偏差后，由于频率偏差的积分等于相位误差，这里用平均频偏(fk+1+fk)/2乘以时间来求解频率偏差的积分，所以k+1时刻的钟差的计算公式如下：

δtk+1＝δtk+(fk+1+fk)/2×t(3)

其中，δtk+1表示k+1时刻估计的接收机钟差，δtk表示k时刻的接收机钟差。第一次执行步骤sb1时，δtk采用实施例一中时钟特性拟合模块在步骤sa1记录的ppp模块所估计的钟差，后续迭代执行时δtk采用上一时刻采用式(3)计算的结果。

sb2根据步骤sb1时钟特性拟合模块估算出的钟差δtk+1，去计算k+1时刻的时钟控制量可采用现有技术，例如通过一个二阶锁相环(pll)来实现。

sb3将s2计算所得k+1时刻的时钟控制量四舍五入为整数，作为最终结果发送给时钟，同时更新此时刻的频率偏差，公式如下：

如果ppp模块还未恢复正常工作时，令k＝k+1，根据更新的频偏迭代执行步骤sb1～sb3，计算下一时刻的时钟控制量。

以上步骤根据拟合出的时钟的频偏和长周期误差项来计算接收机钟差，在短时间内，具有较高的精度。

具体实施时，以上技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行流程，也可以采用模块化方式提供相应系统。例如提供一种基于ppp的gnss授时接收机时钟组合调控系统，所述gnss授时接收机中包括ppp模块，设置时钟特性建模模块和时钟调控模块，

时钟特性建模模块，用于在ppp模块正常工作时对时钟特性进行建模，包括以下单元，

单元sa1，用于根据ppp模块所估计的钟差调控时钟，记录每一个历元ppp模块估计的钟差和相应所输出的时钟控制量；

单元sa2，用于当授时接收机工作超过预设的第一时间段后，开始进行时钟特性建模，基于时钟控制量拟合时钟频漂；当授时接收机工作超过预设的第二时间段后，使用时钟控制量对长周期误差项进行建模；

时钟调控模块，用于在ppp模块无法正常工作时通过时钟特性建模结果去计算接收机钟差，从而继续调控时钟，包括以下单元，

单元sb1，用于当ppp模块无法正常工作时，根据拟合的时钟频漂和长周期误差项估计时钟频偏，估计钟差；

单元sb2，用于根据单元sb1所得钟差计算时钟控制量；

单元sb3，用于根据单元sb2计算的时钟控制量四舍五入为整数，作为最终结果发送给时钟。

具体各模块实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

具体实施时，还可以采用其他方式进行系统模块划分实现，参见图1，实施例提出一种基于ppp技术的gnss授时接收机时钟组合调控系统，用于控制授时接收机运行过程中两种时钟调控方式之间的切换，包括：

第一模块，接收卫星观测值，通过ppp技术来估计接收机的钟差，可利用现有技术中gnss授时接收机的ppp模块实现；

第二模块，依据建模得到的时钟模型来计算接收机钟差，即时钟特性拟合模块；

进一步的，第二模块进一步包括子模块：

第一子模块，用来根据记录的时钟控制量来拟合时钟的频漂还有环境因素导致的长周期误差项；

第二子模块，用来当ppp模块无法正常工作时，根据拟合的时钟频漂等信息进行钟差计算；

第三模块，即ppp结果质量控制模块，用于实时监控ppp模块的工作状态，当ppp模块无法正常工作时，通知第四模块更换第二模块为输入源，当ppp模块可以正常工作时通知第四模块将输入源切换为第一模块；

第四模块，用来根据第一模块或者第二模块输出的接收机钟差来生成时钟控制量，将时钟控制量发送到时钟以完成调控时钟的功能，其具体策略由第三模块来控制；

为便于实施参考起见，提供增加了时钟特性拟合模块的基于ppp技术的gnss授时接收机工作流程如下：

1gnss授时接收机启动时，使用第一模块即ppp模块去估计钟差，用较大的调控步进去控制时钟，使接收机钟差快速逼近0。

2当接收机钟差到0附近后，以接收机钟差为输入，通过一个二阶锁相环去生成时钟控制量，使接收机钟差稳定在0附近。

3记录每个历元生成的时钟控制量。

4当授时接收机工作超过一天时，对纪录的时钟控制量进行预处理，需要剔除掉以下几种数据：接收机刚启动时钟差未收敛时段的数据、ppp模块定位结果还在收敛过程中的数据、ppp模块定位结果出现粗差时的数据。

5按照式(1)建立的模型，由预处理后的数据对时钟频漂进行拟合，可采用的拟合方法为多项式拟合法。

6监控ppp模块的工作状态，当ppp模块无法正常工作时，基于式(3)估计时钟频漂，利用估计得到的时钟频漂去计算钟差，利用该钟差去生成时钟控制量。此时还未取得长周期误差项，设wk取值为0。

7当ppp模块恢复正常工作时，继续由ppp模块来计算钟差，以防止拟合误差导致接收机钟差的误差累积的现象。

8每6个小时更新一次时钟拟合的结果，且拟合时钟模型的时钟控制量必须是ppp模块输出的钟差来生成的。

9当授时接收机工作超过三天时，在采用第6步的方式基础上，还可以通过时钟控制量去拟合环境因素导致的长周期误差项，具体实施时可采用多项式的方式拟合长周期误差项。

具体实施时，可采用软件技术实现以上流程的自动运行。

本发明提供的是一种基于ppp技术的gnss授时接收机的时钟组合驯服方法及系统，也可用于测试和评估时钟稳定性。