一种基于GNSS接收机的授时方法及GNSS接收机
技术领域
本申请涉及但不限于卫星授时技术领域，尤指一种基于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(Global Navigation Satellite System，GNSS)目前由美国的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)、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(PulsePer Second，PPS)的GNSS接收机正是使用GNSS卫星信号进行位置、速度和时间(PositionVelocity and Time，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PPS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30纳秒(ns)。而且，基准站或者电力监测站等需要高精度授时的站点考虑全球布站以及不同季节环境温度的影响，设备的工作温度可能会在零下几十度到零上几十度的范围。整个射频链路的延时特性也会随着温度的变化而变化。
在第四代移动通信技术(4G)通信时由于对授时的要求是百纳秒级别，此时温度的影响并不会显现出来，但5G通信要求峰峰值在30ns以下，若温度变化的影响达到10ns级别，即会对授时的整体性能产生较为恶劣的影响。
发明内容
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，可以提升GNSS接收机在不同温度下的授时性能。
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；获取所述GNSS接收机内部的第一温度数据，确定所述第一温度数据对应的第一时延数据，并采用所述第一时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿；获取本次PVT运算的PVT运算完成时刻对应的整秒时刻的秒脉冲PPS；计算所述补偿后的PVT本地时刻和所述整秒时刻的PPS之间的差值，并根据所述差值输出下一秒的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；第一温度补偿模块，适于获取所述GNSS接收机内部的第一温度数据，确定所述第一温度数据对应的第一时延数据，并采用所述第一时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿；PPS输出模块，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秒脉冲PPS，计算所述补偿后的PVT本地时刻和所述整秒时刻的PPS之间的差值，并根据所述差值输出下一秒的PPS。
另一方面，本申请实施例提供一种GNSS接收机，包括：接收器、温度传感器、处理器以及存储器；所述接收器连接所述处理器，适于接收GNSS卫星信号；所述温度传感器连接所述处理器，适于获取所述GNSS接收机内部的第一温度数据；所述存储器适于存储基于GNSS接收机的授时程序，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，存储有基于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。
本申请实施例中，通过获取GNSS接收机内部的第一温度数据，并采用第一温度数据对应的第一时延数据对PVT本地时刻进行补偿，基于补偿后的PVT本地时刻与PVT运算完成时刻对应的整秒时刻的PPS的差值，输出下一秒的PPS，从而提升GNSS接收机在不同温度下的授时性能。
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-40℃至85℃高低温环境测试中的PPS与常温下PPS的对比示意图；
图4为-40℃至85℃高低温环境测试中经过本申请实施例提供的授时方法进行温度补偿后的PPS与常温下PPS的对比示意图；
图5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6为本申请实施例提供的GNSS接收机的示意图；
图7为本申请实施例提供的GNSS接收机的一种处理示例图。
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，Position Velocity and Time)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。
由于目前授时型的GNSS接收机的PPS授时性能如下：一倍标准差(1σ)为15ns，MTIE(Maximum Time Interval Error，最大时间间隔误差)在100ns级别，这种授时下没有关注由温度引起的各种射频器件的等效时延的影响，从而在不同温度环境下存在PPS抖动，比如在-40℃至85℃的工作范围内会有波浪形抖动，这些抖动是由射频器件的等效时延引起的，如不加以修正则会对整体的PPS输出MTIE造成很大影响(依使用的器件不同而不同)。
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，通过对PVT运算得到的PVT本地时刻补偿温度数据对应的时延数据，从而提升授时型GNSS在不同温度下的授时性能。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；
步骤202、获取GNSS接收机内部的第一温度数据，确定第一温度数据对应的第一时延数据，并采用第一时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿；
步骤203、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204、计算补偿后的PVT本地时刻和整秒时刻的PPS之间的差值，并根据该差值输出下一秒的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，在步骤202中，第一温度数据可以包括：在本次PVT运算完成时刻获得的GNSS接收机内部的温度数据；或者，在以本次PVT运算完成时刻确定的设定时间范围内获取的GNSS接收机内部的温度数据(比如，设定时间范围内的平均温度数据)。其中，设定时间范围可以根据实际情况确定，本申请对此并不限定。
在一示例性实施例中，在步骤202中，确定第一温度数据对应的第一时延数据，可以包括：根据GNSS接收机内部的第一温度数据，查询GNSS接收机内预存的第一温度与时延对照表，确定第一温度数据对应的第一时延数据。其中，第一温度与时延对照表可以根据在高低温循环测试得到的GNSS接收机上的各种射频器件的整体等效时延得到。然而，本申请对此并不限定。
在一示例性实施例中，本实施例的授时方法还可以包括：获取GNSS接收机的外部器件(比如，天线等)的第二温度数据，确定外部器件的第二温度数据对应的第二时延数据；采用第二时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿。在本示例性实施例中，在获取第一温度数据和第二温度数据后，可以根据第一温度数据对应的第一时延数据和第二温度数据对应的第二时延数据对PVT本地时刻进行补偿。
在本示例性实施例中，获取GNSS接收机的外部器件的第二温度数据，可以包括：通过预留的接口接收GNSS接收机的外部器件的第二温度数据。
示例性地，可以根据外部器件的第二温度数据，查询GNSS接收机内存储的第二温度与时延对照表，确定第二温度数据对应的第二时延数据。其中，第二温度与时延对照表可以通过预留的接口写入GNSS接收机。
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。在本示例性实施例中，基于GNSS接收机对GPS、GLONASS、BeiDou以及Galileo四大系统的全部或其中至少一种信号进行捕获跟踪，并得到其播发的电文信息进行PVT定位得到GNSS接收机的定位结果以及钟差、钟飘等数据，从而驱动本地PPS进行输出。其中，在使用钟差和钟飘等数据驱动PPS输出之前，需要对钟差、钟飘等数据进行滤波、补偿等操作，并且由于从天线相位中心经过线缆、射频器件等到达实际板卡采集数据的模数转换器(ADC)或者数字采样接口这些器件对射频信号的传输存在时延，需要将经过这些器件的延时补偿回来。本示例性实施例中，在上述延时补偿阶段，将由于温度变化导致的等效时延补偿回来。
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，任一导航系统的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，得到不同导航系统间的钟差差值数据。
步骤三、对四个导航系统的钟差数据的有效性进行判断，若所使用的导航系统的钟差数据无效，则使用上一时刻的该导航系统和即将使用的有效的导航系统之间的钟差差值数据补偿到即将使用的导航系统的钟差数据，得到所使用的导航系统的钟差数据；否则置PPS输出标志无效，返回步骤一等待下一次的PVT运算。
其中，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的PVT本地时刻，可以通过以下步骤实现高精度授时。
步骤四、获取GNSS接收机内的温度传感器传入的温度数据(即对应上述的第一温度数据)。
在本步骤中，获得当前GNSS接收机内部的温度数据可以包括：在当前PVT运算完成时刻获取当前GNSS接收机内部的温度数据。然而，本申请对此并不限定。在其他实施例中，可以将在当前PVT运算完成时刻对应的整秒时刻之内，或者前后一段时间内获得的温度数据作为后续的时延补偿依据。
步骤五、通过获得的温度数据查找GNSS接收机内预存的第一温度和时延对照表，确定补偿当前温度下的射频器件引起的时延数据(即对应上述的第一时延数据)，并采用该时延数据对本次PVT运算得到的PVT本地时刻进行补偿。其中，第一温度和时延对照表可以由先验信息(比如，高低温循环测试得到的GNSS接收机上的各种射频器件的整体等效时延)得到的数据确定。然而，本申请对此并不限定。
步骤六、判断是否配置了外部器件的温度数据(即对应上述的第二温度数据)；若没有，则直接进行步骤七，否则通过查询第二温度和时延对照表确定补偿该温度数据下的外部器件引起的时延数据(即对应上述的第二时延数据)，并采用该时延数据对步骤五处理后的PVT本地时刻进行补偿。
其中，外部器件的温度数据可以包括但不限于：GNSS接收机的天线所处环境的温度数据。而且，用户可以通过GNSS接收机预留的接口配置第二温度和时延对照表，从而将可工作的温度区间内的天线由于温度引起的射频时延值写入GNSS接收机。然而，本申请对此并不限定。用户还可以通过预留的接口向GNSS接收机配置其他的温度补偿数据。
步骤七、获取本地的PPS，反推回整秒时刻的PPS，计算步骤六经过补偿后的PVT本地时刻与整秒时刻的PPS的差值DeltaT，对DeltaT进行环路滤波，将求取的结果补偿到下一秒的PPS中，从而整体上提高温度变化下的PPS输出精确性。
本示例性实施例中，通过补偿GNSS接收机的内部温度和外部器件的温度引起的时延，大大提高不同温度下的PPS输出准确性。
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Alilent53230A时间间隔计数器进行脉冲间的比对。
其中，高低温实验环境下两块板卡间的秒脉冲进行对比，可以设定不同的温度阶梯以及保持温度，以模拟实际的不同温度环境下的授时脉冲性能。
在一示例性实施例中，在某一时刻，GNSS接收机所处的温度为85℃，此时PPS偏差相距常温下的PPS为14ns，较均值PPS偏差为8ns。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量为4.5ns，距离均值的偏差为1.5ns。
在一示例性实施例中，采用常温下的参考GNSS接收机与高低温实验箱内的未做温度补偿的GNSS接收机进行对比。其中，测试62000秒的GNSS接收机输出的PPS与标准PPS之间的差值，对比结果如图3所示。
在一示例性实施例中，采用常温下的参考GNSS接收机与高低温实验箱内的基于温度补偿等效时延的GNSS接收机进行对比。其中，测试62000秒的GNSS接收机输出的PPS与标准PPS之间的差值，对比结果如图4所示。
根据图3和图4可以看出，在其他条件都相同时，使用本申请实施例提供的授时方法能够将输出的PPS脉冲精度的MTIE从17.3ns降低到10.5ns，1σ从2.546ns降低到1.4891ns。
图5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5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501、第一温度补偿模块502以及PPS输出模块503；其中，PVT运算模块501，适于通过PVT运算获取一个或多个导航系统的PVT本地时刻；第一温度补偿模块502，适于获取GNSS接收机内部的第一温度数据，确定第一温度数据对应的第一时延数据，并采用第一时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿；PPS输出模块503，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，计算补偿后的PVT本地时刻和整秒时刻的PPS之间的差值，并根据该差值输出下一秒的PPS。
在一示例性实施例中，本实施例提供的授时装置还可以包括：第二温度补偿模块，适于获取GNSS接收机的外部器件的第二温度数据，确定外部器件的第二温度数据对应的第二时延数据；采用第二时延数据对任一导航系统的PVT本地时刻进行补偿。
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6为本申请实施例提供的GNSS接收机的示意图。如图6所示，本实施例提供的GNSS接收机600，包括：温度传感器604、接收器603、存储器601和处理器602；接收器603连接处理器602，适于接收GNSS卫星信号；温度传感器604连接处理器602，适于获取GNSS接收机内部的第一温度数据；存储器601适于存储授时程序，该授时程序被处理器602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6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600的限定，GNSS接收机600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602可以包括但不限于微处理器(MCU，Microcontroller Unit)或可编程逻辑器件(FPGA，Field Programmable Gate Array)等的处理装置。存储器601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602通过运行存储在存储器601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601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601可包括相对于处理器602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600。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。
图7为本申请实施例提供的GNSS接收机的一种处理示例图。如图7所示，处理器可以为GNSS接收机处理芯片。GNSS接收机还可以包括接口，连接处理芯片，适于接收GNSS接收机的外部器件(比如，天线)的第二温度数据。
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。
