[发明专利]一种GNSS授时接收机精密时钟调控方法及系统

说明书

本发明公开了一种GNSS授时接收机精密时钟调控方法及系统，主要包括时钟状态估计部分和时钟调控部分。时钟状态估计部分采用卡尔曼滤波的方法，通过扩充状态方程的维数，利用四个一阶马尔科夫过程的线性组合来近似频率闪烁噪声的特性，得到状态噪声方差阵。观测值和观测噪声的方差则由PPP技术给出。根据建立的状态模型和观测模型，卡尔曼滤波进行更新得到时钟状态和方差阵。时钟调控部分建立控制向量与状态向量的线性关系，通过稳态线性二次高斯控制得到稳态控制律，结合卡尔曼滤波估计得到的时钟状态来计算时钟控制量，并且发送给时钟调控执行器。本发明兼顾了接收机本地时钟的短期稳定度和PPP钟差估计的长期稳定度。

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)精密授时技术领域，特别涉及一种GNSS授时接收机精密时钟调控方法及系统。

背景技术

GNSS单向授时是目前应用最广、精度最高的授时方法，其原理是使用GNSS接收机对卫星进行观测，接收机在完成定位的同时会估计出接收机钟差(本地时间相对于GNSS时间的差值)，接收机根据估计出的接收机钟差可以对本地时钟进行调控来修正本地时间，然后输出时间和频率信号，从而达到将卫星导航系统时间传递到用户端的目的。

接收机本地时钟受自身噪声以及外界环境因素的影响，其频率输出会出现起伏，因此本地时间也将出现漂移，这时需要接收机根据本地解算的接收机钟差作为观测量，对本地时钟进行调控来维持本地时间的稳定，从而保持授时接收机具备准确的时间输出以及稳定的频率输出。时钟调控算法的性能直接影响授时接收机的授时精度和稳定度，是影响授时接收机性能的关键部分。

传统的授时接收机采用伪距单点定位技术去估算接收机钟差，其钟差的估计精度在20ns左右。目前，出现了基于精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术的GNSS授时接收机，其钟差的估计精度在0.2ns左右。PPP钟差估计方法在长期具有较高的稳定度，但受限钟差估计噪声的影响，其在短期内的精度并不高。通过频率稳定度指标来衡量，PPP的频率稳定度在1s时最差约为10^-11，随时间的增加频率稳定度将逐渐提高。而目前性能较好的恒温晶振在1s时的频率稳定度已接近10^-12，比PPP高一个数量级，但其频率稳定度将随时间增加而逐渐下降。若能将本地时钟的短期稳定度和PPP的长期稳定度进行结合，就能使授时接收机的时频输出无论在短期还是长期都具备较高的稳定度。但是任何对时钟物理上的调控都将不可避免地损害时钟的频率稳定度，尤其是调控间隔对应的频率稳定度。因此，同时兼顾接收机本地时钟的短期稳定度和PPP钟差估计的长期稳定度是难以做到的。

发明内容

针对基于PPP技术的GNSS授时接收机很难做到同时兼顾接收机本地时钟的短期稳定度和PPP钟差估计的长期稳定度的情况，本发明提供了基于卡尔曼滤波以及线性二次高斯控制的时钟调控方法，对时钟闪烁噪声的特性建立了模型并且采用卡尔曼滤波进行时钟状态估计，最后通过线性二次高斯控制得到时钟的控制量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种GNSS授时接收机精密时钟调控方法，其特征在于，包括

时钟状态估计步骤：对基于精密单点定位(PPP)给出的接收机钟差进行滤波来降低噪声，具体包括：

步骤SA1，建立卡尔曼滤波的时钟状态模型(时钟状态方程和状态噪声协方差阵)，其中，在建立状态噪声协方差阵时，对频率闪烁噪声做近似建模，具体方法为通过扩充状态方程的维数，利用四个一阶马尔科夫过程的线性组合来近似频率闪烁噪声的特性；

步骤SA2，建立卡尔曼滤波的时钟观测模型，观测值和观测噪声方差由PPP给出，时钟观测模型包括时钟观测方程和观测噪声协方差阵；

步骤SA3，在得到时钟状态方程和观测方程以及两者对应的方差阵之后，通过卡尔曼滤波得到滤波之后的时钟状态和方差阵；