阅读说明：本技术 一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法 (Clock error estimation method for satellite navigation time service type receiver ) 是由 李志强 于永 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法。该方法包括步骤有拟合多项式、模型简化和矩阵求解,其中在模型简化中,引入切比雪夫模型,由于切比雪夫模型的多项式各项组成的矢量满足标准化正交特性,由此可以简化参数估计及其统计特性分析,并可以提高对系数参数的估值精度,可以实现更加精确的钟差估算和钟差预报。该方法适用于对导航接收机常用温补晶振和恒温晶振的钟差进行精确估算,从而提高授时型接收机在卫星导航信号中断情况下继续提供高精度时间服务的能力。(The invention discloses a clock error estimation method for a satellite navigation time service type receiver. The method comprises the steps of fitting a polynomial, model simplification and matrix solution, wherein a Chebyshev model is introduced in the model simplification, and because vectors formed by various items of the polynomial of the Chebyshev model meet the standardized orthogonal characteristic, the parameter estimation and the statistical characteristic analysis can be simplified, the estimation precision of coefficient parameters can be improved, and more accurate clock error estimation and clock error prediction can be realized. The method is suitable for accurately estimating the clock error of the common temperature compensation crystal oscillator and the constant temperature crystal oscillator of the navigation receiver, so that the capability of the time service type receiver for continuously providing high-precision time service under the condition of satellite navigation signal interruption is improved.)

一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法。

背景技术

对卫星导航授时型接收机的钟差进行精密估算和预报，可以提高接收机在卫星信号中断或受干扰情况下持续提供高精度授时服务的能力，是对授时型接收机的基本要求。而目前常用的钟差估算方法是是面向原子钟钟差提出的，而在授时型接收机中主要使用温补晶振和恒温晶振，两类频率源的物理机理及相应的物理特性不同，因此不适合采用完全相同的钟差估算方法。

为此，需要对导航接收机常用温补晶振和恒温晶振的钟差进行精确估算，从而提高授时型接收机的在卫星导航信号中断情况下继续提供高精度时间服务的能力。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法，解决现有技术中的授时型接收机中基于温补晶振和恒温晶振缺乏对应精确估算钟差方法的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法，包括以下步骤：第一步，拟合多项式，在时刻t₀、t₁、t₂、…、t_N-1的钟差数据对应分别为x₀、x₁、x₂、…、x_N-1，则钟差数据拟合为：

其中：a₀、a₁、a₂、…、a_m为拟合多项式系数，m为多项式次数，e_i为模型误差，i＝0,1,2,…,N-1；第二步，模型简化，采用二阶的多项式模型，钟差数据表示为：x_t＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+e_i，其中，多项式系数a₀、a₁、a₂又分别对应称作初始钟差、钟偏以及钟漂；第三步，矩阵求解，进一步用矩阵形式表示为：X＝Ha+e，其中：X为N维观测向量，a为m维系数向量，e为N维误差向量，H为设计矩阵，可表示为：

采用最小二乘法估计，则待估计的系数向量a为：

在本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中，在所述模型简化中，引入切比雪夫模型，设x(t)是采样间隔为τ₀的钟差序列：{x(t₀)，x(t₁),…,x(t_N-1)}，且t_i＝iτ₀，则：

x(t)＝q₀Φ₀(t)+q₁Φ₁(t)+q₂Φ₂(t)+e(t)，

式中：

在本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中，在所述矩阵求解中，定义矢量Φ_i＝[Φ_i(t₀) Φ_i(t₁) … Φ_i(t_N-1)]^T，建立系数矩阵Φ＝(Φ₀ Φ₁Φ₂)，则：

记N维的观测向量为L，V为模型估计的残差向量，则：

V＝Φq-L

式中：观测向量L＝[x(t₀) x(t₁) … x(t_N-1)]^T，残差向量V＝[e(t₀) e(t₁) … e(t_N-1)]^T，q＝[q₁ q₂ q₃]^T为待估计的参数，Φ为系数矩阵；

若观测序列独立且精度相等，采用最小二乘估计，则待估计参数向量q的估算表示为：

q＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TL。

在本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中，由于切比雪夫多项式各项满足标准化的正交特性，即Φ^TΦ＝I₃，I₃为3阶单位阵，则参数q的估计值又可以表示为：

q＝Φ^TL。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法。该方法包括步骤有拟合多项式、模型简化和矩阵求解，其中在模型简化中，引入切比雪夫模型，由于切比雪夫模型的多项式各项组成的矢量满足标准化正交特性，由此可以简化参数估计及其统计特性分析，并可以提高对系数参数的估值精度，可以实现更加精确的钟差估算和钟差预报。该方法适用于对导航接收机常用温补晶振和恒温晶振的钟差进行精确估算，从而提高授时型接收机的在卫星导航信号中断情况下继续提供高精度时间服务的能力。

附图说明

图1是根据本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法一实施例的流程图；

图2是根据本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中的温补晶振的相差预测精度分析仿真图；

图3是根据本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中的温补晶振的频差预测精度分析仿真图；

图4是根据本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中的恒温晶振的相差预测精度分析仿真图；

图5是根据本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法另一实施例中的恒温晶振的频差预测精度分析仿真图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法一实施例的流程图。在图1中，包括以下步骤：

第一步S101，拟合多项式，在时刻t₀、t₁、t₂、…、t_N-1的钟差数据对应分别为x₀、x₁、x₂、…、x_N-1，则钟差数据拟合为：

其中：a₀、a₁、a₂、…、a_m为拟合多项式系数，m为多项式次数，e_i为模型误差，i＝0,1,2,…,N-1；

第二步S102，模型简化，采用二阶的多项式模型，钟差数据表示为：

x_t＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+e_i,其中多项式系数a₀、a₁、a₂又分别对应称作初始钟差、钟偏以及钟漂；

第三步S103，矩阵求解，进一步用矩阵形式表示为：

X＝Ha+e，其中：X为N维观测向量，a为m维系数向量，e为N维误差向量，H为设计矩阵，可表示为：

采用最小二乘估计，则待估计的系数向量a为：

优选的，在所述模型简化S102中，引入切比雪夫模型，设x(t)是采样间隔为τ₀的钟差序列：{x(t₀),x(t₁),…,x(t_N-1)}，且t_i＝iτ₀，则：

x(t)＝q₀Φ₀(t)+q₁Φ₁(t)+q₂Φ₂(t)+e(t)，

式中：

优选的，在所述矩阵求解S103中，定义矢量Φ_i＝[Φ_i(t₀) Φ_i(t₁) … Φ_i(t_N-1)]^T，建立系数矩阵Φ＝(Φ₀ Φ₁ Φ₂)，则：

记N维的观测向量为L，V为模型估计的残差向量，则：

V＝Φq-L，

式中：观测向量L＝[x(t₀) x(t₁) … x(t_N-1)]^T，残差向量V＝[e(t₀) e(t₁) … e(t_N-1)]^T，q＝[q₁ q₂ q₃]^T为待估计的参数，Φ为系数矩阵；若观测序列独立且精度相等，采用最小二乘估计，则待估计参数向量q的估算表示为：

q＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TL。

进一步优选的，由于切比雪夫多项式各项满足标准化的正交特性，即Φ^TΦ＝I₃，I₃为3阶单位阵，则参数q的估计值又可以表示为：

q＝Φ^TL。

进一步的，分别给出了利用本申请步骤S102中引入的切比雪夫模型拟合温补晶振以及恒温晶振的钟差以及频差后的残余误差结果。仿真利用1小时的共3600个测量数据进行多项式拟合，获得模型的系数参数，然后利用参数进行钟差的预测。

假设数据测量误差为零，则仿真结果显示，切比雪夫模型的短期拟合以及钟差、频差预报结果较好，随着预测时间的延长，模型的预测精度会降低。

如图2和图3所示，对于温补晶振，其短期(1小时以内)的相位数据的预测残留误差在10^-7量级，频率数据的残留误差在10^-9量级，长期的(1小时以后)的相位数据的预测残留随预测时间的增大而增大，频率数据的残留误差在10^-8量级，其最长预测时间为2261秒。

如图4和图5所示，对于恒温晶振，其短期(1小时以内)的相位数据的预测残留误差在10^-9量级，频率数据的残留误差在10^-11量级，长期的(1小时以后)的相位数据的预测残留随预测时间的增大而增大，频率数据的残留误差在10^-10量级，对于导航接收机要求预测误差不大于1微秒，其最长预测时间为13122秒。

由此可见，本发明公开了一种用于卫星导航授时型接收机的钟差估算方法。该方法包括步骤有拟合多项式、模型简化和矩阵求解，其中在模型简化中，引入切比雪夫模型，由于切比雪夫模型的多项式各项组成的矢量满足标准化正交特性，由此可以简化参数估计及其统计特性分析，并可以提高对系数参数的估值精度，可以实现更加精确的钟差估算和钟差预报。本发明主要针对卫星导航授时型接收机的钟差建模问题，接收机通过对本地时钟钟差的精确建模和预报可以在卫星信号中断或受干扰时，利用时钟模型而转入高精度守时模式，继续为用户提供高精度时间和频率服务。该方法适用于对导航接收机常用温补晶振和恒温晶振的钟差进行精确估算，从而提高授时型接收机的在卫星导航信号中断情况下继续提供高精度时间服务的能力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。