一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統的製作方法

2023-08-03 01:50:41

技術領域

本發明屬於全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）領域，特別涉及一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統。

背景技術：

全球導航衛星系統是一種星基無線電定位、導航和授時系統，主要包括美國的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、中國北鬥系統（BeiDou System，BDS）、歐洲伽利略（Galileo）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）等。GNSS通過衛星播發導航信號，可實現位置和時間的精準傳遞，在諸多領域都有廣泛的應用。在授時/時間同步應用領域，GNSS接收機可以利用導航衛星播發的無線電信號對本機時鐘進行修正，從而使得接收機的時間與GNSS系統時間同步，達到授時或者不同終端之間的時間同步目的。然而，目前常用GNSS接收機的授時精度僅為20ns～100ns，隨著人們對時間精度的要求越來越高，該精度存在明顯的不足，亟待提高。

為了進一步提高授時精度，目前常用原子鐘進行高精度授時。高精度原子鐘授時利用原子能級的躍遷等原理實現對晶振頻率的調控，達到輸出高精度頻標的目的。在眾多應用中，原子鐘授時存在一些技術上的不足：首先，原子鐘僅能提供高精度頻率輸出，而沒有時標輸出，在應用中，往往通過專用線纜或者GNSS接收機等對其進行絕對時間馴服。利用有線線纜同步存在工程大、成本高以及不夠靈活等多種問題，因此這種方式往往用於專用固定設備。利用常規GNSS接收機對原子鐘進行馴服的方式則使得原子鐘的時間精度與GNSS常規時間精度一致（20ns~100ns），仍然不能滿足許多領域對精度的要求。其次，原子鐘往往體積和功耗較大，且成本較高，不適合大眾應用。

另外一種高精度時間同步的方式是通過兩臺GNSS接收機同時觀測相同的衛星信號，利用單差模式進行解算而達到時間同步的目的。這種方式僅能實現流動站與基準站之間的時間同步，而不能對終端進行絕對的時間校準，因此只是一種時間同步系統而不是嚴格意義上的授時系統。另外，相對時間同步方式要求兩臺接收機必須共視相同的衛星，故而受到基線長度的限制，是一種區域性的時間同步系統，不適用於廣域的授時。

技術實現要素：

針對現有技術中高精度授時方法存在的不足，本發明提供了一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統。

為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：

一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統，包括基礎設施系統、基準服務站系統和用戶終端系統，其中：

基礎設施系統包括依次信號連接的地面參考站子系統、數據處理子系統和數據播發子系統，地面參考站子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，數據處理子系統用於集中解算各地面參考站的觀測數據獲得差分數據，數據播發子系統用於廣播差分數據；

基準服務站系統包括依次信號連接的第一通信子系統、第一GNSS接收機終端子系統和時間服務子系統；第一通信子系統用於將數據播發子系統廣播的差分數據傳送至第一GNSS接收機終端子系統；第一GNSS接收機終端子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和差分數據解算出時間信息；時間服務子系統用於根據時間信息產生時間同步信息；

用戶終端子系統包括信號連接的第二通信子系統和第二GNSS接收機終端子系統，第二通信子系統用於將時間服務子系統產生的時間同步信息和區域差分數據發送至第二GNSS接收機終端子系統；第二GNSS接收機終端子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和區域差分數據解算出時標。

另一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統，包括基礎設施系統、基準服務站系統和用戶終端系統，其中：

基礎設施系統包括依次信號連接的地面參考站子系統、數據處理子系統和數據播發子系統，地面參考站子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，數據處理子系統用於集中解算各地面參考站的觀測數據獲得差分數據，數據播發子系統用於廣播差分數據；

基準服務站系統包括依次信號連接的第一通信子系統、第一GNSS接收機終端子系統和時間服務子系統；第一通信子系統用於將數據播發子系統廣播的差分數據傳送至第一GNSS接收機終端子系統；第一GNSS接收機終端子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和差分數據解算出時間信息；時間服務子系統用於根據時間信息產生時間同步信息；

用戶終端子系統包括信號連接的第二通信子系統和第二GNSS接收機終端子系統，第二通信子系統用於將時間服務子系統產生的時間同步信息和數據播發子系統廣播的差分數據發送至第二GNSS接收機終端子系統；第二GNSS接收機終端子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和差分數據解算出時標。

再一種基於GNSS高精度增強系統的廣域精密授時系統，包括基礎設施系統、基準服務站系統和用戶終端系統，其中：

基礎設施系統包括依次信號連接的地面參考站子系統、數據處理子系統和數據播發子系統，地面參考站子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，數據處理子系統用於集中解算各地面參考站的觀測數據獲得差分數據，數據播發子系統用於廣播差分數據；

基準服務站系統包括依次信號連接的第一通信子系統、第一GNSS接收機終端子系統和時間服務子系統；第一通信子系統用於將數據播發子系統廣播的差分數據傳送至第一GNSS接收機終端子系統；第一GNSS接收機終端子系統用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和差分數據解算出時間信息；時間服務子系統用於根據時間信息產生時間同步信息；

用戶終端系統包括信號連接的時間伺服器和待授時設備，時間伺服器122用於從時間服務子系統獲取時間同步信息並傳送至待授時設備。

作為優選，基準服務站系統還包括原子鐘，將原子鐘的輸出頻率與第一GNSS接收機終端子系統解算出的時間信息組合，組合後的時間信息傳送至時間服務子系統。

若時間服務子系統產生的區域差分數據和數據播發子系統廣播的差分數據類型相同，第二GNSS接收機終端子系統採用PPP法解算出時標。

若時間服務子系統產生的區域差分數據為基於共視衛星比對的相對時間同步的差分數據，第二GNSS接收機終端子系統採用共視衛星比對方法解算出時標。

本發明系統包括基礎設施系統、基準服務站系統和用戶終端系統三大部分，基礎設施系統主要為授時終端提供衛星信號和高精度數據產品，主要包括地面參考站子系統、數據處理子系統和數據播發子系統；基準服務站系統主要包括高精度授時終端，高精度授時終端通過接收衛星信號和高精度數據產品進行時間基準解算；用戶終端系統為各用戶節點上的低成本終端，可根據需求利用板卡或晶片進行開發，用戶終端系統主要靠高精度北鬥板卡和晶片進行授時，靠時間傳輸協議進行備份守時。

與現有技術相比，本發明的主要優點如下：

（1）可實現全國甚至全球範圍的廣域高精度授時以及時間同步；

（2）可提供比現有基於GNSS的授時系統更高精度的授時時標；

（3）無需鋪設專用線纜，適用於山區等複雜地形的高精度授時，且節約成本，具備大面積推廣的優勢；

（4）能通過伺服器以及播發數據實現大範圍的時間應用的管理服務，具備聯網管理的能力。

附圖說明

圖1是本發明系統的一種具體結構示意圖；

圖2是本發明的系統的另一種具體結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

見圖1，所示廣域精密授時系統包括基礎設施系統101、基準服務站系統102和用戶終端系統103三個部分，其中，基礎設施系統101用來接收衛星信號並提供廣域差分數據，基準服務站系統102用來提供區域差分數據和響應服務，用戶終端系統103用來提供高精度時標。

基礎設施系統101進一步包括地面參考站子系統104、數據處理子系統106和數據播發子系統108，地面參考站子系統104、數據處理子系統106、數據播發子系統108依次信號連接。地面參考站子系統104用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，數據處理子系統106用於集中解算各地面參考站的觀測數據獲得差分數據，數據播發子系統108用於廣播差分數據。

基準服務站系統102包括第一通信子系統111、第一GNSS接收機終端子系統110和時間服務子系統112，第一通信子系統111、第一GNSS接收機終端子系統110、時間服務子系統112依次信號連接。第一通信子系統111用於接收數據播發子系統108廣播的差分數據並傳送至第一GNSS接收機終端子系統110；第一GNSS接收機終端子系統110用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和差分數據進行解算，獲得高精度的時間信息，所述的時間信息可以為日期和時分秒，也可以為任何自定義的時間格式；時間服務子系統112用於根據時間信息產生時間同步信息。

用戶終端子系統103包括第二通信子系統118和第二GNSS接收機終端子系統119，兩者可以採用獨立的硬體模塊連接構成，也可採用集成式的終端硬體。第二通信子系統118用於接收時間服務子系統112發送的時間同步信息和區域差分數據；第二GNSS接收機終端子系統119用於接收GNSS信號並獲取觀測數據，根據接收的觀測數據和區域差分數據進行解算，獲得高精度的時標，從而達到時間同步目的。

具體實施時，基礎設施系統101通過對接收的GNSS衛星信號進行處理獲取差分數據，並將差分數據播發給基準服務站系統102和用戶終端系統103的GNSS接收機。基準服務站系統102利用第一GNSS接收終端子系統110接收衛星播發的GNSS信號，並利用第一通信子系統111接收數據播發子系統108廣播的差分數據，利用接收的GNSS信號和差分數據實現基準服務站與GNSS系統的高精度時間同步，並管理用戶終端系統103的時間服務。

基礎設施系統101中，地面參考站子系統104利用分布在不同地點的各高精度GNSS接收機觀測GNSS衛星信號，以獲得觀測數據105，將觀測數據105通過網絡方式傳送到數據處理子系統106。數據處理子系統106集中處理各地面參考站的觀測數據105，解算出差分數據107，將差分數據107傳送給數據播發子系統108。數據播發子系統108按需要對差分數據107進行編碼，形成差分數據產品109，並通過約定的網絡協議對外播發。這裡差分數據包括衛星軌道、鐘差以及電離層等誤差參數。

基準服務站系統102中，第一通信子系統111通過無線通信或有線通信的方式獲取數據播發子系統108廣播的差分數據產品109，並通過約定的協議對差分數據產品109進行數據格式解碼得到解碼後的差分數據113，將解碼後的差分數據113傳送給第一GNSS接收機終端子系統110。第一GNSS接收機終端子系統110接收並處理GNSS信號以獲得觀測數據，採用解碼後的差分數據113修正和解算該觀測數據，獲得高精度的時間信息114，將時間信息114傳送給時間服務子系統112。時間服務子系統112根據用戶需求，利用時間信息114產生約定協議的時間同步信息116，為用戶提供時間服務。此外，時間服務子系統112還具有管理用戶請求、提供經編碼的區域GNSS系統解算差分數據117的功能。為提高基準服務站系統102時標的穩定性，可通過馴服原子鐘方式將原子鐘115等高穩定晶振的頻率與第一GNSS接收機終端子系統110解算出的時間信息組合，然後將組合後的時間信息114傳送至時間服務子系統112。

用戶終端系統103中，第二通信子系統118從基準服務站系統102獲取區域差分數據產品117，經解碼，將解碼後的區域差分數據120傳送給第二GNSS接收機終端子系統119。第二GNSS接收機終端子系統119接收並處理GNSS信號以獲得觀測數據，利用解碼後的區域差分數據120對觀測數據進行修正和解算，獲得所需的高精度時間信息121。

具體實施時，基準服務站系統102提供的區域差分數據產品117可以是與差分數據產品109類型相同，也可以是基於共視衛星比對的相對時間同步的差分數據產品。若區域差分數據產品117與差分數據產品109類型相同，第二GNSS接收機終端子系統119採用PPP法解算時標。若區域差分數據產品117為基於共視衛星比對的相對時間同步的差分數據產品，第二GNSS接收機終端子系統119採用共視衛星時間比對方法解算出時標。

作為優選，第二通信子系統118直接從數據播發子系統108接收差分數據產品109，直接實現授時，此時，本發明系統退化成為扁平狀的二級結構。

見圖2，用戶終端系統103還可以採用不包括GNSS接收機終端的常規系統，此時，用戶終端系統103包括時間伺服器122以及待授時設備123。實施時，時間伺服器122通過有線通信或者無線通信的方式直接從基準服務站系統102獲取時間同步信息116，並輸出至待授時設備123，實現授時功能。