一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法

摘要

本发明公开了一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，包括如下步骤：1）卫星接收机跟踪控制量获取；2）控制量数据相关匹配处理，在卫星接收机丢失信号时刻采用丢失卫星信号前一段控制量数据与历史控制量数据进行滑动相关计算，找到与丢失卫星信号前控制量曲线形态最为相似的历史控制量曲线；3）保持控制处理，在确定了形态匹配的历史控制量曲线后，沿用历史控制量的变化趋势进行授时信号的调整控制。本发明在卫星接收机丢失卫星信号后对历史控制量数据曲线进行形态匹配的相关计算，以晶振老化特性曲线特征对授时信号进行保持控制处理，以提高卫星接收机授时信号的保持性能。

权利要求

1.一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、接收机接收卫星信号，根据跟踪控制算法和卫星时标信号生成控制量来调整授时脉冲信号，并将控制量存储到控制量数据序列(X1，X2，…，Xn)中；

步骤2、当卫星接收机接收不到卫星信号时，判断已存储的控制量数据序列长度n是否大于预设的控制量最低长度m的2倍,若是，转到步骤3；若否，转到步骤7；

步骤3、定义源匹配数据序列如下：

Z1＝{X1，X2，X3，...，Xm-1，Xm}Z2＝{X2，X3，X4，...，Xm，Xm+1}…

Zn-2m+1＝{Xn-2m+1，Xn-2m+2，Xn-2m+3，...，Xn-m-1，Xn-m}定义目标匹配数据序列如下：

Zn-m+1＝{Xn-m+1，Xn-m+2，Xn-m+3...Xn-1，Xn}；

将目标匹配数据序列Zn-m+1与源匹配数据序列Z1、Z2、…Zn-2m+1依次进行相关运算，选取相关运算结果值最大的源匹配数据序列Zk＝{Xk，Xk+1，Xk+2...Xk+m-2，Xk+m-1}作为晶振老化特性曲线；

步骤4、基于晶振老化特性曲线之后的控制量数据组成的数据序列S＝{Xk+m，Xk+m+1，Xk+m+2，...，Xn}生成保持控制量数据序列H：步骤5、依次使用保持控制量数据序列H中的元素来调整授时脉冲信号；

步骤6、检测接收机是否接收到卫星信号，若是，转到步骤1；若否，检测接收机接收不到卫星信号的持续时间t是否大于n-k-m+1秒，若是，转到步骤7；若否，转到步骤5；

步骤7、接收机作出无法进行授时脉冲调整的错误提示，无授时信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：步骤3具体包括如下步骤：

步骤301、将目标匹配数据序列Zn-m+1与源匹配数据序列Zi，i＝1、2、…、(n-2m+1)，依次进行如下相关运算：…

步骤302、在所得的相关运算结果数据序列P＝{P1，P2，...，Pn-2m+1}中选取相关运算结果最大值Pk，设置对应的源匹配数据序列Zk＝{Xk，Xk+1，Xk+2，...，Xk+m-2，Xk+m-1}作为晶振老化特性曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：步骤1中跟踪控制算法为比例积分控制算法。

4.根据权利要求1所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：步骤1中只有当跟踪卫星数大于预设的最少卫星数M及跟踪卫星DOP值小于预设的最大卫星DOP值N时，将控制量存储到控制量数据序列(X1，X2，…，Xn)中。

5.根据权利要求4所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：最少卫星数M取值范围为[6，10]。

6.根据权利要求4所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：最大卫星DOP值N取值范围为[2，4]。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，其特征在于：接收卫星为单模、双模或多模。

说明书

一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星导航系统应用技术领域，具体涉及一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法。

背景技术

[0002] 目前全球卫星导航系统发展迅速，主要包括美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统、欧洲的GALILEO卫星导航系统及中国的BDS卫星导航系统，授时型卫星接收机的授时信号通常作为时间同步系统的时间基准，在卫星接收机的工作过程中，由于存在突发干扰信号或卫星信号被遮挡等各种因素会造成丢失卫星信号情况，因此提高接收机的保持性能有重要的应用价值。保持性能是指在卫星接收机接收不到卫星信号情况下授时信号在单位时间内的漂移量。

[0003] 通常授时型卫星接收机基于体积和成本考虑通常采用精度小于0.1PPM的普通晶振作为时钟源，目前基于普通晶振的卫星接收机在卫星信号丢失情况下的保持控制算法研究成果较少，主要以下两种处理方法，其一，以补偿控制量量化误差的方法进行保持控制处理，以减少授时脉冲信号的漂移以提高保持性能；其二，在卫星信号正常情况下以跟踪控制量数据建立数学模型的方式进行保持控制处理，以提高授时信号保持性能，其中采用补偿控制量量化误差的方法未考虑晶振的老化漂移因素，未从本质上解决授时信号的漂移问题；采用建立数学模型的保持控制算法由于普通晶振中的老化曲线不稳定，使得数学模型建立的比较复杂且效果不理想。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，本发明解决了传统的保持控制算法未从本质上解决授时信号的漂移问题或者算法复杂且效果不理想的技术问题。

[0005] 本发明通过以下技术方案实现：

[0006] 一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤1、接收机接收卫星信号，根据跟踪控制算法和卫星时标信号生成控制量来调整授时脉冲信号，并将控制量存储到控制量数据序列(X1，X2，…，Xn)中；

[0008] 步骤2、当卫星接收机接收不到卫星信号时，判断已存储的控制量数据序列长度n是否大于预设的控制量最低长度m的2倍,若是，转到步骤3；若否，转到步骤7；

[0009] 步骤3、定义源匹配数据序列如下：

[0010] Z1＝{X1，X2，X3，…，Xm-1，Xm}

[0011] Z2＝{X2，X3，X4，…，Xm，Xm+1}

[0012] …

[0013] Zn-2m+1＝{Xn-2m+1，Xn-2m+2，Xn-2m+3，…，Xn-m-1，Xn-m}

[0014] 定义目标匹配数据序列如下：

[0015] Zn-m+1＝{Xn-m+1，Xn-m+2，Xn-m+3…Xn-1，Xn}；

[0016] 将目标匹配数据序列Zn-m+1与源匹配数据序列Z1、Z2、…Z n-2m+1依次进行相关运算，选取相关运算结果值最大的源匹配数据序列Zk＝{Xk，Xk+1，Xk+2…Xk+m-2，Xk+m-1}作为晶振老化特性曲线；

[0017] 步骤4、基于晶振老化特性曲线之后的控制量数据组成的数据序列S＝{Xk+m，Xk+m+1，Xk+m+2，…，Xn}生成保持控制量数据序列H：

[0018]

[0019] 步骤5、依次使用保持控制量数据序列H中的元素来调整授时脉冲信号；

[0020] 步骤6、检测接收机是否接收到卫星信号，若是，转到步骤1；若否，检测接收机接收不到卫星信号的持续时间t是否大于n-k-m+1秒，若是，转到步骤7；若否，转到步骤5；

[0021] 步骤7、接收机作出无法进行授时脉冲调整的错误提示，无授时信号输出。

[0022] 其中步骤3具体包括如下步骤：

[0023] 步骤301、将目标匹配数据序列Zn-m+1与源匹配数据序列Zi，i＝1、2、…、(n-2m+1)，依次进行如下相关运算：

[0024]

[0025]

[0026] …

[0027]

[0028] 步骤302、在所得的相关运算结果数据序列P＝{P1，P2，…，Pn-2m+1}中选取相关运算结果最大值Pk，设置对应的源匹配数据序列Zk＝{Xk，Xk+1，Xk+2，…，Xk+m-2，Xk+m-1}作为晶振老化特性曲线。

[0029] 步骤1中跟踪控制算法为比例积分控制算法。

[0030] 步骤1中只有当跟踪卫星数大于预设的最少卫星数M及跟踪卫星DOP值小于预设的最大卫星DOP值N时，将控制量存储到控制量数据序列(X1，X2，…，Xn)中。

[0031] 最少卫星数M取值范围为[6，10]。

[0032] 最大卫星DOP值N取值范围为[2，4]。

[0033] 接收卫星为单模、双模或多模。

[0034] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0035] 本发明基于形态匹配的保持控制算法以普通晶振的老化特征曲线进行保持控制处理，在丢失卫星信号后，对历史控制量数据曲线进行形态匹配的相关计算，以晶振老化特性曲线特征对授时信号进行保持控制处理，由于采用晶振“真实”的历史老化漂移特征，因此授时信号的保持性能得到显著提升。

附图说明

[0036] 图1为本发明的处理框图。

[0037] 图2为本发明的步骤流程图。

具体实施方式

[0038] 如图1所示，一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，包含丢失卫星信号前的跟踪控制量获取、丢失卫星信号时刻的数据相关匹配处理、丢失卫星信号后的保持控制处理。

[0039] 1)卫星接收机跟踪控制处理

[0040] 卫星接收机在正常接收卫星信号情况下，经过射频及基带处理解调出卫星时标及电文信息，其中卫星时标信号经过卫星钟差、星地传输延时、电离层等时延校正恢复出卫星导航系统的系统时标，卫星接收机以本地晶振为时钟源生成授时信号，此授时信号和系统时标的时差作为跟踪控制算法的输入量，经过比例积分跟踪控制算法的处理生成控制量来调整控制授时信号，从而使授时信号和系统时的偏差趋近于0，由于卫星导航系统的系统时标信号的长期高稳特性，因此跟踪控制量的变化特征反映了接收机晶振的老化特性。

[0041] 在接收机实际工作环境中，由于恢复的系统时标的性能跟接收到的卫星数量及卫星的几何分布结构有关，为了提高控制量反映晶振老化特征的准确性，在跟踪控制阶段，在满足跟踪卫星数量大于M颗及跟踪卫星DOP值小于N的情况时进行控制量的择优存储,存储的控制量采用Xk(k＝1，2，3，…，n)来表示，其中k为以按时间先后顺序记录控制量的序号，以控制量数据形成的曲线特征反应了晶振的老化曲线特征。

[0042] 2)控制量数据相关匹配处理

[0043] 当卫星接收机接收不到卫星信号时，卫星接收机根据晶振的老化曲线特征进行控制量生成及对授时信号的调整控制。由于普通晶振老化曲线变化较为迅速，为了找到与丢失卫星信号前晶振老化曲线形态最为相似的历史老化曲线，采用数据滑动相关运算的方法进行曲线形态匹配处理。根据步骤一的描述，由于控制量数据序列形成的曲线特征与晶振的老化曲线有相似等价关系，因此对控制量进行曲线形态相关匹配处理即可，找到与丢失卫星信号前控制量曲线形态最为相似的历史控制量曲线。

[0044] 3)保持控制处理

[0045] 在相关匹配到与丢失卫星信号前控制量数据序列最为相似的历史控制量数据序列后，根据匹配到的历史控制量数据序列的后续数据序列生成新的控制量数据序列，使新生成的控制量数据曲线形态与匹配到的历史控制量曲线之后的曲线形态相似，即保持控制方法生成的控制量曲线是晶振历史老化曲线的重现。

[0046] 在确定了形态匹配的历史控制量曲线后，沿用历史控制量的变化趋势进行授时信号的调整控制。

[0047] 如图2所示，一种基于形态匹配的卫星接收机授时保持方法，包括如下步骤：

[0048] 步骤1、接收机接收卫星信号，根据跟踪控制算法和卫星时标信号生成控制量来调整授时脉冲信号，并且当跟踪卫星数大于预设的最少卫星数M及跟踪卫星DOP值小于预设的最大卫星DOP值N时，将控制量存储到控制量数据序列(X1，X2，…，Xn)中。最少卫星数M取值范围为[6，10]，最大卫星DOP值N取值范围为[2，4]。优选地，最少卫星数M取值为8，最大卫星DOP值N取值范围为3.0。

[0049] 步骤2、当卫星接收机接收不到卫星信号时，判断已存储的控制量数据序列长度n是否大于预设的控制量最低长度m的2倍,若是，转到步骤3；若否，转到步骤7；

[0050] 步骤3、定义源匹配数据序列如下，每一组数据序列标示了一段具有一定曲线特征形态的数据：

[0051] Z1＝{X1，X2，X3，…，Xm-1，Xm}

[0052] Z2＝{X2，X3，X4，…Xm，Xm+1}

[0053] …

[0054] Zn-2m+1＝{Xn-2m+1，Xn-2m+2，Xn-2m+3，…，Xn-m-1，Xn-m}

[0055] 选取丢失信号前m个控制量数据形成的曲线作为目标匹配数据序列：

[0056] Zn-m+1＝{Xn-m+1，Xn-m+2，Xn-m+3…Xn-1，Xn}；

[0057] 步骤301、将目标匹配数据序列Zn-m+1与源匹配数据序列Zi，i＝1、2、…、(n-2m+1)，依次进行如下相关运算：

[0058]

[0059]

[0060] …

[0061]

[0062] 步骤302、当数据序列Zn-m+1标示的曲线形态与Zi(i＝1，2，3…(n-2m+1))标示的曲线形态最为相似时，则对应的相关运算结果值最大，因此对相关运算结果数据序列P＝{P1，P2，…，Pn-2m+1}进行排序处理，并找到其最大值所对应的序号k，则数据序列Zk＝{Xk，Xk+1，Xk+2…Xk+m-2，Xk-m-1}对应的历史控制量曲线与丢失卫星信号前控制量序列Zn-m+1所对应的曲线形态最为相似，设置对应的源匹配数据序列Zk作为晶振老化特性曲线；

[0063] 步骤4、已知相关匹配到的控制控制量数据序列为Zk，在步骤一可知数据序列Zk的最后一个控制量元素为Xk+m-1，以匹配数据序列之后的控制量数据组成数据序列S，然后计算数据序列S的第一个元素Xk+m和Xn差值，再把数据序列S中的每个元素增加或减少这样一个偏差生成新的数据序列H，则以数据序列H中的元素即保持控制量对授时脉冲信号进行调整控制，进行授时信号的保持控制处理，其中数据序列S、数据序列H如下：

[0064] S＝{Xk+m，Xk+m+1，Xk+m+2，…，Xn}

[0065]

[0066] 步骤5、依次使用保持控制量数据序列H中的元素来调整授时脉冲信号；

[0067] 步骤6、检测接收机是否接收到卫星信号，若是，转到步骤1；若否，检测接收机接收不到卫星信号的持续时间t是否大于n-k-m+1秒，若是，转到步骤7；若否，转到步骤5；

[0068] 步骤7、接收机作出无法进行授时脉冲调整的错误提示，无授时信号输出。

[0069] 本发明的卫星接收机保持方法不仅适用于单模卫星导航系统卫星接收机，如GPS卫星接收机、北斗卫星接收机等，也适用于多模导航系统接收机，如BD/GPS双模卫星接收机等。此方法以卫星接收机在跟踪控制阶段的控制量数据为基础，以形态匹配的思路在此数据中找到保持控制阶段的晶振的老化特征曲线，并以此老化曲线为基础进行授时信号的保持控制处理从而提高保持性能。

[0070] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。