基于GNSS授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法

本发明属于时间频率、仪器计量、卫星导航应用等领域，涉及一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法。

背景技术：

1、全球卫星导航系统(global navigation satellite system,gnss)作为信息时代国家的重要基础设施，能够在全球范围内提供较精确的定位、导航、授时服务，其时间系统是国际标准的时间与频率源。以gnss的时间系统频率源作为参考，采用传递方式实现高精度频率源理论上与工程上都是可行的。

2、目前5g与新一代移动系统基站、广播电视网络系统、国网电力系统、政府金融网络系统等系统需要使用高精度的时间频率产品，并且使用需求数量多，以至于越来越需要低成本的高精度时间频率产品。

3、目前国产的时间频率产品中，频率准确度为5e-11的cpt原子钟价格是2-6万，频率准确度为5e-11的铷原子钟价格是4-10万，频率准确度为5e-12的铯原子钟价格是40万-80万。国外厂商的原子钟产品价格高于国产价格。

4、综上所示，目前许多系统越来越需求低成本的高精度时间频率产品，而作为传统时间频率产品的铯原子钟价格很高，因此，需要设计一种低成本实现的铯原子钟性能级别的高精度频率源产生方法。

技术实现思路

1、为解决达到铯原子钟性能的频率源的低成本实现问题，本发明提出一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，相比于铯原子钟设备的购买成本，本发明的设备只需其百分之一级别的成本。本发明实现的时间频率设备可用于实验室频率源、同步核心网络机房频率源、国网电力系统、电信通讯系统。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明实现铯原子钟性能的频率源产生的核心技术是接收gnss信号进行gnss时间系统溯源，以及驯服本地ocxo((oven controlled crystal oscillator)，恒温晶体振荡器的简称，其是一种常规的低成本的时间频率产品，其价格是80-2000元)，包括：接收双频gnss信号进行高精度的本地ocxo与gnss时间系统的时间偏差的精确求解，根据ocxo频率控制特性进行时钟驯服模型建立，利用精确时间偏差以及使用高分辨率dac芯片进行ocxo驯服控制，最终形成闭环控制以及产生铯原子钟性能级别频率源信号。

4、本发明实现的频率源信号的频率准确度能够达到1e-12(1天时长的平均)、1e-14(1月以上时长的平均)，频率稳定度能够达到5e-11(时间间隔1～10s)、5e-12(时间间隔100～1000s)、1e-12(时间间隔10000s)、2e-13(时间间隔50000s以上)。

5、本发明的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法包括如下步骤：

6、步骤1、gnss信号接收的基带处理；

7、步骤2、gnss授时的观测值误差消除处理；

8、步骤3、gnss授时的时间解算；

9、步骤4、时钟驯服与精确频率源生成处理。

10、进一步地，所述步骤1中，gnss信号接收的基带处理实现对所有可视卫星gnss信号的搜索捕获、稳定跟踪，处理生成原始观测值，以及解调解析卫星导航电文信息。gnss信号的搜索捕获可采用常用的时域二维搜索方法、或者fft捕获方法。gnss信号的稳定跟踪需采用高性能的伪码跟踪环路处理、载波跟踪环路处理，以及载波跟踪环路实时对伪码跟踪环路进行辅助。伪码跟踪环路处理的鉴相器采用medll技术进行伪码鉴相，其对多径误差消除抑制具有较好效果。伪码跟踪环路处理的环路滤波采用二阶滤波器，其具备较好的伪码跟踪特性与较小的跟踪误差，伪码跟踪环路处理的相关积分时间设定为10ms～500ms(默认为100ms)，环路更新率设定为2hz～100hz(默认为10hz)(环路更新率是相关积分时间的倒数，下文是相同含义)，环路滤波器带宽设定为0.05hz～2hz(默认为0.25hz)，以及根据gnss信号强弱等特性进行伪码跟踪环路处理的相关积分时间、环路更新率、环路滤波器带宽的自适应配置。

11、所述载波跟踪环路处理的鉴相器采用二象限反正切函数进行载波鉴相，载波跟踪环路处理的环路滤波采用三阶滤波器，其具备较好的载波跟踪特性与较小的跟踪误差，载波跟踪环路处理的相关积分时间设定为1ms～100ms(默认为10ms)，环路更新率设定为10hz～1000hz(默认为100hz)，环路滤波器带宽设定为1hz～50hz(默认为15hz)，以及根据gnss信号强弱等特性进行载波跟踪环路处理的相关积分时间、环路更新率、环路滤波器带宽的自适应配置。

12、所述原始观测值的生成处理是采用常用方法把伪码跟踪环路处理、载波跟踪环路处理的结果分别解算生成伪码观测值、载波相位观测值。卫星导航电文信息的解调解析是采用常用方法解析获得卫星的星历等导航电文信息，其用于后续的gnss授时的时间解算处理过程中。

13、进一步地，所述步骤2中，对原始观测值进行误差消除处理，获得具备高精度测距性能的原始观测值，其能显著提高后续时间解算的精度性能。首先，使用载波相位观测值进行伪码观测值的平滑处理获得载波相位平滑伪距观测值，然后，对载波相位平滑伪距观测值使用双频组合消除电离层误差，最后，采用常用方法进行对流层误差、地球自转效应误差等误差的消除。

14、进一步地，所述步骤3中，gnss授时的时间解算处理是每秒解算1次ocxo维持的本地时间与gnss时间系统的时间偏差，并把该时间偏差作为输入提供给时钟驯服与精确频率源生成处理。采用精密定位方法获得精确的三维位置，把多颗gnss卫星解析后的星历、误差消除处理后的载波相位平滑伪距观测值，以及已知的精确三维位置、未知的时间偏差组合成方程，进行方程解算处理，并最终解算出时间偏差。

15、进一步地，所述步骤4中，时钟驯服与精确频率源生成处理是根据每秒1次解算的时间偏差进行ocxo的频率值调整控制，并最终产生铯原子钟性能级别频率源信号。根据时间偏差进行时钟驯服建模，实时生成ocxo频率值的调整数值，使用12bit及以上的dac芯片把该调整数值转换为ocxo频率值控制调整的电压信号，最终形成闭环控制ocxo产生精确的频率源信号，该频率源信号是本发明提出的基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源信号。

16、自此，完成本发明的基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法的实现。

17、有益效果：

18、本方法实现的频率源信号的频率准确度极高，尤其是长时长情况下的频率准确度，其不存在老化现象，即不存在频率漂移造成频率准确度降低。本方法实现的频率源信号的频率准确度能够达到1e-12(1天时长的平均)、1e-14(1月以上时长的平均)。

19、本方法实现成本极低，相比于铯原子钟设备的购买成本，本方法实现的设备只需其百分之一级别的成本。

技术特征：

1.一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，所述步骤1中，gnss信号接收的基带处理实现对所有可视卫星gnss信号的搜索捕获、稳定跟踪，处理生成原始观测值，以及解调解析卫星导航电文信息；gnss信号的搜索捕获采用时域二维搜索方法或者fft捕获方法；gnss信号的稳定跟踪采用高性能的伪码跟踪环路处理、载波跟踪环路处理，以及载波跟踪环路实时对伪码跟踪环路进行辅助；所述原始观测值的生成处理把伪码跟踪环路处理、载波跟踪环路处理的结果分别解算生成伪码观测值、载波相位观测值；所述卫星导航电文信息的解调解析获得卫星的导航电文信息，用于后续的gnss授时的时间解算处理过程中。

3.根据权利要求2所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，伪码跟踪环路处理的鉴相器采用medll技术进行伪码鉴相；伪码跟踪环路处理的环路滤波采用二阶滤波器；伪码跟踪环路处理的相关积分时间设定为10ms～500ms，环路更新率设定为2hz～100hz，环路滤波器带宽设定为0.05hz～2hz，以及根据gnss信号强弱进行伪码跟踪环路处理的相关积分时间、环路更新率、环路滤波器带宽的自适应配置。

4.根据权利要求2所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，载波跟踪环路处理的鉴相器采用二象限反正切函数进行载波鉴相，载波跟踪环路处理的环路滤波采用三阶滤波器，载波跟踪环路处理的相关积分时间设定为1ms～100ms，环路更新率设定为10hz～1000hz，环路滤波器带宽设定为1hz～50hz，以及根据gnss信号强弱进行载波跟踪环路处理的相关积分时间、环路更新率、环路滤波器带宽的自适应配置。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，所述步骤2包括：首先，使用载波相位观测值进行伪码观测值的平滑处理获得载波相位平滑伪距观测值；然后，对载波相位平滑伪距观测值使用双频组合消除电离层误差；最后，进行对流层误差、地球自转效应误差的消除。

6.根据权利要求5所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，所述步骤3中，gnss授时的时间解算处理是每秒解算1次ocxo维持的本地时间与gnss时间系统的时间偏差，并把该时间偏差作为输入提供给时钟驯服与精确频率源生成处理；采用精密定位方法获得精确的三维位置，把多颗gnss卫星解析后的星历、误差消除处理后的载波相位平滑伪距观测值，以及已知的精确三维位置、未知的时间偏差组合成方程，进行方程解算处理，并最终解算出时间偏差。

7.根据权利要求6所述的一种基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，其特征在于，所述步骤4中，时钟驯服与精确频率源生成处理根据每秒1次解算的时间偏差进行ocxo的频率值调整控制，并最终产生铯原子钟性能级别频率源信号；根据时间偏差进行时钟驯服建模，实时生成ocxo频率值的调整数值，使用12bit及以上的dac芯片把该调整数值转换为ocxo频率值控制调整的电压信号，最终形成闭环控制ocxo产生精确的频率源信号，该频率源信号是基于gnss授时的铯原子钟性能级别频率源信号。

技术总结本发明提出一种基于GNSS授时的铯原子钟性能级别频率源产生方法，属于时间频率、仪器计量、卫星导航应用等领域，包括：接收双频GNSS信号进行高精度的本地OCXO与GNSS时间系统的时间偏差的精确求解，根据OCXO频率控制特性建立时钟驯服模型，利用精确时间偏差以及使用高分辨率DAC芯片进行OCXO驯服控制，最终形成闭环控制以及产生铯原子钟性能级别频率源信号。相比于铯原子钟设备的购买成本，本发明只需其百分之一级别的成本。本发明可用于实验室频率源、同步核心网络机房频率源、国网电力系统、电信通讯系统。技术研发人员：袁超,徐颖,袁洪,葛建,陈夏兰,房志博,高铭,商佳乐受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/1/15