北斗广域高精度时间服务原型系统
发布时间：2021-10-24 18:19
基于精密单点定位（precise point positioning,PPP）的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的优点成为性能最优的GNSS时间传递方法之一。随着广域差分产品时效性的提高,实时PPP时间传递开始应用于精密授时的研究。本文在PPP时间传递技术的基础上,结合实时卫星钟差估计、接收机时钟调控及硬件延迟标校技术,建立了基于北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的广域高精度时间服务（wide-area precise timing,WPT）系统,可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准,并提供广域实时差分改正数;用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异,并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能,本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明,该系统零基线、短基线时间同步精度优于0.5 ns,广域条件下单天的授时精度均优于1 ns,为基于北斗系统的精密授时技...
【文章来源】：测绘学报. 2020,49(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
WPT系统架构
当时间基准被传递到接收机后,接收机需要通过时频调控技术和硬件延迟标校技术来保持自身时间与时间基准的一致性。高精度授时接收机结构如图2所示。射频模块由时钟模块给出的时钟信号来驱动,完成下变频、滤波和采样,基带信号处理模块对数字中频信号进行处理获取观测值和星历等信息。钟差估计模块根据接收到的观测值、星历以及实时卫星轨道、钟差产品,对接收机的位置和钟差进行估计。接收机时钟模块根据接收机的钟差来调整输出到基带处理模块和射频模块的时间信号和频率信号,并对外界提供标准的时频信息。为保证接收机所复现出的卫星时间与真实卫星时间保持同步,接收机需要对时频信号进行调控,并对由于硬件电路造成的时间延迟进行标校。3.1 精密时钟调控技术
由于PPP技术使用了载波相位观测值,为了充分发挥载波相位精度高的优势,接收机时钟调控精度需要达到0.1 ns的精度。时钟调控方法主要可以分为两类:一是调相法,接收机只在钟差超过阈值时,调整本地时间下一秒的秒长,这种方法的调控步进受系统时钟频率的限制,存在分辨率的影响,这种方法只适合接收机刚启动时对本地时间的粗略调控;二是调频法,接收机通过调整晶振频率来补偿晶振自身的频偏,从而防止本地时间因晶振频率偏差而发散。通过计算可知对于自身频率为10 MHz的晶振,若需要达到每秒调整0.1 ns的精度,最小频率调整步进需要达到10-3 Hz。为此,本研究使用一个压控恒温晶振(voltage control oven controlled crystal oscillator,VCOCXO)结合数模转换模块来进行晶振频率的精细调整,该晶振的秒级频率稳定度接近10-12。时钟调控原理见图3。PPP解算出的高精度钟差经过时钟调控算法中的滤波处理转换为该时刻的晶振频率调整量,该调整量被送入数模转换模块生成电压变换量, 用以调控VCOCXO,从而改变晶振频率。相对于常规的时钟调控方式,该方法更适用于基于PPP的高精度授时接收机,能充分发挥载波相位高精度的优势。图4(a)给出了接收机在使用时钟调控算法后的接收机钟差序列图,图4(b)为OCXO的时钟控制量。可以看到,在接收机启动后,接收机钟差有一段收敛过程,在该过程中输入OCXO的时钟控制量,接收机钟差变化较剧烈,然后逐步趋于平稳。收敛后,频率变得稳定,接收机钟差的值也基本保持在0.3 ns以内,而调控中的频率精度可达10-4 Hz,证明该方法能根据PPP给出的精密钟差进行精细调控来保证1 PPS输出的稳定度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于北斗的时间传递方法及其精度分析[J]. 张鹏飞,涂锐,高玉平,广伟,蔡宏兵. 仪器仪表学报. 2017(11)
[2]GNSS单站授时系统性偏差分析[J]. 于合理,郝金明,田英国,宋超,李伟杰. 大地测量与地球动力学. 2017(01)
[3]附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法[J]. 于合理,郝金明,刘伟平,田英国,邓科. 测绘学报. 2016(11)
博士论文
[1]导航卫星实时精密钟差确定及实时精密单点定位理论方法研究[D]. 宋伟伟.武汉大学 2011
[2]基于GPS精密单点定位的时间比对与钟差预报研究[D]. 王继刚.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2010
本文编号：3455752
【文章来源】：测绘学报. 2020,49(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
WPT系统架构
当时间基准被传递到接收机后,接收机需要通过时频调控技术和硬件延迟标校技术来保持自身时间与时间基准的一致性。高精度授时接收机结构如图2所示。射频模块由时钟模块给出的时钟信号来驱动,完成下变频、滤波和采样,基带信号处理模块对数字中频信号进行处理获取观测值和星历等信息。钟差估计模块根据接收到的观测值、星历以及实时卫星轨道、钟差产品,对接收机的位置和钟差进行估计。接收机时钟模块根据接收机的钟差来调整输出到基带处理模块和射频模块的时间信号和频率信号,并对外界提供标准的时频信息。为保证接收机所复现出的卫星时间与真实卫星时间保持同步,接收机需要对时频信号进行调控,并对由于硬件电路造成的时间延迟进行标校。3.1 精密时钟调控技术
由于PPP技术使用了载波相位观测值,为了充分发挥载波相位精度高的优势,接收机时钟调控精度需要达到0.1 ns的精度。时钟调控方法主要可以分为两类:一是调相法,接收机只在钟差超过阈值时,调整本地时间下一秒的秒长,这种方法的调控步进受系统时钟频率的限制,存在分辨率的影响,这种方法只适合接收机刚启动时对本地时间的粗略调控;二是调频法,接收机通过调整晶振频率来补偿晶振自身的频偏,从而防止本地时间因晶振频率偏差而发散。通过计算可知对于自身频率为10 MHz的晶振,若需要达到每秒调整0.1 ns的精度,最小频率调整步进需要达到10-3 Hz。为此,本研究使用一个压控恒温晶振(voltage control oven controlled crystal oscillator,VCOCXO)结合数模转换模块来进行晶振频率的精细调整,该晶振的秒级频率稳定度接近10-12。时钟调控原理见图3。PPP解算出的高精度钟差经过时钟调控算法中的滤波处理转换为该时刻的晶振频率调整量,该调整量被送入数模转换模块生成电压变换量, 用以调控VCOCXO,从而改变晶振频率。相对于常规的时钟调控方式,该方法更适用于基于PPP的高精度授时接收机,能充分发挥载波相位高精度的优势。图4(a)给出了接收机在使用时钟调控算法后的接收机钟差序列图,图4(b)为OCXO的时钟控制量。可以看到,在接收机启动后,接收机钟差有一段收敛过程,在该过程中输入OCXO的时钟控制量,接收机钟差变化较剧烈,然后逐步趋于平稳。收敛后,频率变得稳定,接收机钟差的值也基本保持在0.3 ns以内,而调控中的频率精度可达10-4 Hz,证明该方法能根据PPP给出的精密钟差进行精细调控来保证1 PPS输出的稳定度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于北斗的时间传递方法及其精度分析[J]. 张鹏飞,涂锐,高玉平,广伟,蔡宏兵. 仪器仪表学报. 2017(11)
[2]GNSS单站授时系统性偏差分析[J]. 于合理,郝金明,田英国,宋超,李伟杰. 大地测量与地球动力学. 2017(01)
[3]附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法[J]. 于合理,郝金明,刘伟平,田英国,邓科. 测绘学报. 2016(11)
博士论文
[1]导航卫星实时精密钟差确定及实时精密单点定位理论方法研究[D]. 宋伟伟.武汉大学 2011
[2]基于GPS精密单点定位的时间比对与钟差预报研究[D]. 王继刚.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2010
本文编号：3455752
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dizhicehuilunwen/3455752.html
