專利名稱：一種高靈敏度北斗輔助授時裝置和授時接收機及授時方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航授時技術領域，特別是涉及一種高靈敏度北斗輔助授時裝置和內嵌有所述高靈敏度輔助授時裝置的高靈敏度北斗導航授時接收機及授時方法。
背景技術：
授時的基本含義就是通過標準或者定制的接口和協議，為其他設備或系統提供時間信息。最初的授時基本都依靠對太陽和恒星等天體規則運動的觀測來實現，稱為天文授時。天文測時所依賴的是地球自轉，而地球自轉的不均勻性使得天文方法所得到的時間(世界時)精度無法滿足二十世紀中葉社會經濟各方面的需求。一種更為精確和穩定的時間標準應運而生，這就是“原子鐘”。目前世界各國都采用原子鐘來產生和保持標準時間，這就是“時間基準”，然后，通過各種手段和媒介將時間信號送達用戶，這些手段包括短波、長波、電話網、互聯網、衛星等。這一整個工序，就稱為“授時系統”。短波授時的基本方法是由無線電臺發播時間信號(簡稱時號)，用戶用無線電接收機接收時號，然后進行本地對時。長波授時利用長波(低頻)進行時間頻率傳遞與校準，是一種覆蓋能力比短波強，校準的準確度更高的授時方法。網絡授時和電話授時，采用用戶詢問方式向用戶提供標準時間信號。衛星授時可以實現發播信號大面積的覆蓋，而且比起前兩種授時方法，它的精度更高。根據衛星在授時中所起的作用衛星授時分為主動式和中轉式。主動式衛星有精密時鐘，可發播標準時間信號；中轉式僅轉發由地面時間基準通過衛星地面站送來的標準時間信號。衛星導航定位的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出，而用戶到衛星的距離則通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到。由于衛星軌道誤差、大氣層電離層的干擾，星鐘與本地時鐘的不同步等原因，這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距。當衛星正常工作時，會不斷地用I和O二進制碼元組成的偽隨機碼發射導航電文。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。用戶接受到導航電文，提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，用戶在大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文，衛星導航電文包含有系統時間、時鐘改正參數、電離層延遲模型參數、衛星星歷及衛星健康狀況信息等，這是為了給用戶提供時間、位置坐標、速度等結果數據，而用于導航衛星信號處理的有關信息。然而，由于用戶接收機使用的時鐘與衛星星載時鐘存在時間差，稱為鐘差，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個At即衛星與接收機之間的時間差作為未知數，然后用4個方程將這4個未知數解出來。所以，如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4顆衛星的信號。利用解算出的本地接收機時鐘與衛星導航系統時的時間差At，可以實現衛星導航接收機本地時鐘與以原子鐘為基礎的導航系統時間的同步。因此，每一個處于定位解算成功狀態的衛星導航接收機都是一個高精度的時鐘。當前，衛星導航授時應用已發展成為全球性的高新技術產業，并且隨著北斗衛星導航系統日趨成熟，基于該系統的授時應用也越來越得到人們的關注。北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星定位與通信系統，是繼美國的全球定位系統(GPS)和俄羅斯的GL0NASS之后第三個成熟的衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，并兼具短報文通信能力，截止2012年5月在軌衛星12顆，已經初步具備區域導航、定位和授時能力。北斗衛星導航系統將在2020年形成全球覆蓋能力。隨著中國北斗衛星系統的發展，覆蓋范圍的擴大，移動終端內部的時鐘可以得到北斗衛星信號的有力輔助。但是由于目前大量移動終端用戶都居住在城市環境中，移動終端在嚴重遮擋的環境下，可能無法保證對衛星連續的跟蹤，任何一顆衛星的信號都可能時斷時續，以致無法保證接收到完整的4顆衛星信號。在衛星信號強度較弱和遮擋的情況下，對北斗衛星導航系統的授時服務靈敏度提出了更高的要求。
發明內容
本發明公開了一種高靈敏度北斗輔助授時裝置和內嵌有所述高靈敏度輔助授時裝置的高靈敏度北斗導航授時接收機及授時方法，在惡劣的信號遮擋和衰減條件下，即便只跟蹤到一顆衛星，在不能完成位置、速度和時間的定位解算情況下，依靠從接收到的導航信號中提取的周內時信息，仍然能夠 完成對北斗系統時間的同步，提供高靈敏度的授時服務。本發明的技術方案是一種高靈敏度北斗輔助授時裝置，其特征在于，包括順次連接的幀頭搜索相關器、幀頭搜索門限判決模塊、周內時提取相關器以及周內時門限判決模塊，所述幀頭搜索門限判決模塊的輸出端和周內時門限判決模塊的輸出端還和幀頭搜索相關器的輸入端連接；所述幀頭搜索相關器包括相互連接的幀頭相參積累模塊和幀頭非相參積累模塊，將截取接收到的基帶信號片段Sjn+m)和本地復現信號^化)先進行相參積累再進行非相參積累，將得到的非相參積累值通過幀頭搜索門限判決模塊進行計算和比較，確定北斗導航電文數據幀的子幀幀頭所處位置；所述周內時提取相關器包括相互連接的周內時相參積累模塊和周內時非相參積累模塊，當接收到確定的幀頭位置信號后，將截取的固定位置上的一段基帶信號&(!11)和本地復現信號311(!11)先進行相參積累再進行非相參積累，將得到的非相參積累值通過周內時門限判決模塊進行計算和比較，提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。一種低成本型高靈敏度北斗導航授時接收機，其特征在于，包括與天線連接的射頻模塊、信號捕獲模塊、信號跟蹤模塊以及所述高靈敏度輔助授時裝置，所述射頻模塊分別連接信號捕獲模塊和信號跟蹤模塊的輸入端，信號捕獲模塊的輸出端連接信號跟蹤模塊的輸入端，所述信號跟蹤模塊的輸出端連接所述高靈敏度輔助授時裝置；當信號捕獲模塊只捕獲一顆或少于四顆衛星信號時，由所述高靈敏度輔助授時裝置從接收到的衛星信號中提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。一種標準型高靈敏度北斗導航授時接收機，其特征在于，包括與天線連接的射頻模塊、信號捕獲模塊、信號跟蹤模塊、定位授時模塊以及所述高靈敏度輔助授時裝置和授時模式選擇模塊，所述射頻模塊分別連接信號捕獲模塊和信號跟蹤模塊的輸入端，信號捕獲模塊的輸出端連接信號跟蹤模塊的輸入端，所述信號跟蹤模塊的輸出端分別連接定位授時模塊和所述高靈敏度輔助授時裝置，定位授時模塊和高靈敏度輔助授時裝置的輸出端分別連接授時模式選擇模塊；當信號捕獲模塊捕獲四顆或四顆以上衛星信號時，由定位授時模塊完成定位解算，通過授時模式選擇模塊輸出定位結果及IPPS秒脈沖信號；當信號捕獲模塊只捕獲一顆或少于四顆衛星信號時，由所述高靈敏度輔助授時裝置從接收到的衛星信號中提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。一種基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，包括以下步驟1)在完成對北斗衛星信號的捕獲和跟蹤的基礎上，根據捕獲和跟蹤到的至少一顆的北斗衛星信號，得到PRN碼相位和多普勒頻率信息；截取接收到的基帶信號片段Sjn+m)，與本地復現信號S1(Hi)進行點積運算，進行相參積累，再將所述點積運算結果取絕對值，進行非相參積累，所述非相參積累值
權利要求
1.一種高靈敏度北斗輔助授時裝置，其特征在于，包括順次連接的幀頭搜索相關器、幀頭搜索門限判決模塊、周內時提取相關器以及周內時門限判決模塊，所述幀頭搜索門限判決模塊的輸出端和周內時門限判決模塊的輸出端還和幀頭搜索相關器的輸入端連接；所述幀頭搜索相關器包括相互連接的幀頭相參積累模塊和幀頭非相參積累模塊，將截取接收到的基帶信號片段&01+!11)和本地復現信號S1(Hl)先進行相參積累再進行非相參積累，將得到的非相參積累值通過幀頭搜索門限判決模塊進行計算和比較，確定北斗導航電文數據幀的子幀幀頭所處位置；所述周內時提取相關器包括相互連接的周內時相參積累模塊和周內時非相參積累模塊，當接收到確定的幀頭位置信號后，將截取的固定位置上的一段基帶信號Sr(m)和本地復現信號Sn(m)先進行相參積累再進行非相參積累，將得到的非相參積累值通過周內時門限判決模塊進行計算和比較，提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。
2.一種低成本型高靈敏度北斗導航授時接收機，其特征在于，包括與天線連接的射頻模塊、信號捕獲模塊、信號跟蹤模塊以及所述高靈敏度輔助授時裝置，所述射頻模塊分別連接信號捕獲模塊和信號跟蹤模塊的輸入端，信號捕獲模塊的輸出端連接信號跟蹤模塊的輸入端，所述信號跟蹤模塊的輸出端連接所述高靈敏度輔助授時裝置；當信號捕獲模塊只捕獲一顆或少于四顆衛星信號時，由所述高靈敏度輔助授時裝置從接收到的衛星信號中提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。
3.—種標準型高靈敏度北斗導航授時接收機，其特征在于，包括與天線連接的射頻模塊、信號捕獲模塊、信號跟蹤模塊、定位授時模塊以及所述高靈敏度輔助授時裝置和授時模式選擇模塊，所述射頻模塊分別連接信號捕獲模塊和信號跟蹤模塊的輸入端，信號捕獲模塊的輸出端連接信號跟蹤模塊的輸入端，所述信號跟蹤模塊的輸出端分別連接定位授時模塊和所述高靈敏度輔助授時裝置，定位授時模塊和高靈敏度輔助授時裝置的輸出端分別連接授時模式選擇模塊；當信號捕獲模塊捕獲四顆或四顆以上衛星信號時，由定位授時模塊完成定位解算，通過授時模式選擇模塊輸出定位結果及IPPS秒脈沖信號；當信號捕獲模塊只捕獲一顆或少于四顆衛星信號時，由所述高靈敏度輔助授時裝置從接收到的衛星信號中提取導航電文的周內時信息，輸出IPPS秒脈沖信號，完成對北斗系統時間的同步。
4.一種基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，包括以下步驟1)在完成對北斗衛星信號的捕獲和跟蹤的基礎上，根據捕獲和跟蹤到的至少一顆的北斗衛星信號，得到PRN碼相位和多普勒頻率信息；截取接收到的基帶信號片段S Jn+m)，與本地復現信號S1On)進行點積運算，進行相參積累，再將所述點積運算結果取絕對值，進行非相參積累，所述非相參積累值
5.根據權利要求4所述的基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，所述步驟2)中，對于沒有關于時間先驗知識的首次提取，求取所有可能的二進制序列Sn(m)對應的非相參積累值，搜索非相參積累最大值，完成首次周內時的提取；對于獲得了先驗知識的非首次提取，先估算非相參積累值的搜索范圍，在估算的非相參積累值的搜索范圍內，求取所有可能的二進制序列Sn(m)對應的非相參積累值，搜索非相參積累最大值，完成周內時的提取。
6.根據權利要求4所述的基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，所述步驟U中，所述非相參積累值按下式計算
7.根據權利要求4或6所述的基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，所述步驟I)中，所述非相參積累值為多個子幀所對應的非相參積累值進行二次累加得到的最終統計量，Acc2nd (n) =Acc (n) +Acc (n+Psf), Psf是子巾貞長度或周期。
8.根據權利要求4所述的基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述非相參積累值按下式計算
9.根據權利要求4或8所述的基于所述高靈敏度輔助授時裝置的授時方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述非相參積累值為多個子幀所對應的非相參積累值進行二次累加得到的最終統計量，
全文摘要
本發明公開了一種高靈敏度北斗輔助授時裝置和授時接收機及授時方法，在惡劣信號條件下，即便只跟蹤到一顆衛星，在不能完成定位解算的情況下，依靠從接收到的導航信號中提取的周內時信息，仍然能夠完成對北斗系統時間的同步,提供了高靈敏度的授時服務。高靈敏度北斗輔助授時裝置包括順次連接的幀頭搜索相關器、幀頭搜索門限判決模塊、周內時提取相關器以及周內時門限判決模塊，幀頭搜索門限判決模塊的輸出端和周內時門限判決模塊的輸出端還和幀頭搜索相關器的輸入端連接；幀頭搜索相關器包括相互連接的幀頭相參積累模塊和幀頭非相參積累模塊，周內時提取相關器包括相互連接的周內時相參積累模塊和周內時非相參積累模塊。
文檔編號G01S19/27GK103033828SQ20121054382
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者不公告發明人 申請人:北京東方聯星科技有限公司