基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統及方法

2023-06-01 06:27:21

專利名稱：基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統及方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航領域與通信領域，具體為一種基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統及方法，利用Kalman濾波技術和衛星導航對秒信號發生器的相位誤差以及頻率誤差進行校正，實現高精度的授時功能。
背景技術：
近年來，隨著衛星導航系統的發展，衛星導航系統在日常工作與生活中佔有了越來越重要的地位。衛星導航系統在實現定位以及定速功能的同時，可以將本地接收機的時鐘誤差信息一併解算出來，利用本地誤差信息可以對接收機的秒信號產生電路的相位信息進行修正，實現授時的功能。但是傳統的授時系統受到定位精度的影響，存在較大的抖動。同時傳統的授時方法不考慮晶振誤差對於秒信號造成的影響，近一步降低了授時系統的精度。例如在謝剛的《GPS原理與接收機設計》一書中提到的授時方法就並未涉及對於晶振誤差的估計。

發明內容
要解決的技術問題針對直接利用鐘差信息對秒信號進行校正誤差較大的缺點，以及晶振誤差帶來的時鐘誤差，本發明提出了一種基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統及方法，對鐘差進行Kalman濾波，降低時鐘的抖動，同時利用濾波得到秒信號頻率誤差對秒信號發生器的頻率控制字進行調整，提高授時信號的精度。技術方案本發明的技術方案為:所述基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統，包括衛星接受模塊、定位解算模塊、Kalman濾波器和秒信號發生器；所述衛星接受模塊接受衛星位置信息與偽距信息，並傳遞給定位解算模塊，定位解算模塊根據衛星位置信息與偽距信息得到衛星接受模塊的鐘差信息，並將衛星接受模塊的鐘差信息傳遞給Kalman濾波器，Kalman濾波器對衛星接受模塊的鐘差信息進行Kalman濾波，根據得到鐘差信息以及頻差信息得到秒信號發生器的相位控制字以及頻率控制字，Kalman濾波器將得到的相位控制字以及頻率控制字傳遞給秒信號發生器，實現高精度授時。本發明中的方法包括定位解算、Kalman濾波、時鐘校正三個部分。定位解算採用傳統的最小二乘法對定位結果進行解算，同時得到衛星接收機鐘差信息，通過Kalman濾波器對定位解算得到的鐘差信息進行濾波。利用濾波得到的結果對秒信號發生器進行校正，得到精確的時鐘息。所述基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時方法，採用以下步驟:步驟1:衛星接受模塊接受衛星位置信息與偽距信息，根據衛星位置信息與偽距信息，採用最小二乘法解算衛星接受模塊的鐘差信息S tg ；
步驟2:對衛星接受模塊的鐘差信息進行Kalman濾波，對於第k次濾波具體步驟如下:步驟2.1:Kalman濾波的時間更新過程:
權利要求
1.一種基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統，包括衛星接受模塊、定位解算模塊、Kalman濾波器和秒信號發生器；所述衛星接受模塊接受衛星位置信息與偽距信息，並傳遞給定位解算模塊，定位解算模塊根據衛星位置信息與偽距信息得到衛星接受模塊的鐘差信息，並將衛星接受模塊的鐘差信息傳遞給Kalman濾波器，Kalman濾波器對衛星接受模塊的鐘差信息進行Kalman濾波，根據得到鐘差信息以及頻差信息得到秒信號發生器的相位控制字以及頻率控制字，Kalman濾波器將得到的相位控制字以及頻率控制字傳遞給秒信號發生器，實現高精度授時。
2.一種基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時方法，採用以下步驟: 步驟1:衛星接受模塊接受衛星位置信息與偽距信息，根據衛星位置信息與偽距信息，採用最小二乘法解算衛星接受模塊的鐘差信息δ tg ； 步驟2:對衛星接受模塊的鐘差信息進行Kalman濾波，對於第k次濾波具體步驟如下: 步驟2.1:Kalman濾波的時間更新過程: 對狀態向量Xlri = [ δ V1 δ fk_J進行估計，得到狀態估計值&，其中δ V1為秒信號發生器的鐘差信息、SfV1為秒信號發生器頻差信息，估計式為& —J= i j當~ ^ ^k-1， l_u I」，k=l時，Xlri取值為[O O];根據式為得到協方差陣Plri的預測矩陣K，其中Q為過程噪聲協方差陣； 步驟2.2 =Kalman濾波的量測更新過程: 根據式Kk = >('丨+ R) 1得到增益矩陣Kk，其中C = [I O]，R為量測噪聲協方差陣；根據式1=1,+4.( -C.之)得到濾波後的狀態向量矩陣Xk，根據式得到更新後的協方差矩陣Pk，其中I為二維單位矩陣； 步驟3:利用每一次濾波得到的秒信號發生器的鐘差信息乘以晶振的頻率&得到秒信號發生器的相位控制字Np的調整量ANp，用Np減去調整量ANp得到精確的秒信號發生器的相位控制字；利用每一次濾波得到的秒信號發生器的頻差信息乘以晶振的頻率4得到秒信號發生器的頻率控制字Nf的調整量Λ Nf，用Nf減去調整量Λ Nf得到精確的秒信號發生器的頻率控制字；根據得到的 精確的秒信號發生器的相位控制字和頻率控制字，實現高精度授時。
全文摘要
本發明設計了一種基於衛星導航和Kalman濾波的高精度授時系統及方法，該系統包含數據解算與授時濾波兩部分。數據解算部分採用傳統的最小二乘法解算出北鬥二代接收機的位置信息以及鐘差信息，之後利用Kalman濾波器對鐘差信息進行濾波得到秒信號發生器的相位誤差信息以及頻率誤差信息，最後利用濾波得到秒信號發生器的相位誤差信息以及頻率誤差信息對秒信號發生器的初始相位以及頻率計數字進行調整，實現高精度授時的功能。本發明解決了現有技術條件下授時精度不高，以及秒信號發生器易受晶振頻率誤差影響的問題。
文檔編號G01S19/27GK103176190SQ201310069980
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者何偉, 廉保旺, 唐成凱, 雷浩, 廉偉林, 楊瓊 申請人:西北工業大學