CN104199280B - 一种基于差分gps的时间同步误差测量方法 - Google Patents

一种基于差分gps的时间同步误差测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法。具体方法为：定义各个移动节点，并测量移动节点之间的通道延时补偿值；计算出各个移动节点的差分GPS坐标值；依据传输时间计算出各个移动节点之间的传输时间伪距，依据差分GPS坐标值计算三维坐标伪距；根据所述两个伪距求出移动节点A和B之间的时间同步误差。解决了处于高速机动状态，距离达到百公里量级节点间纳秒级时间同步误差实时测量的问题，保证了时间同步测量精度在2ns之内，可以用于10ns左右同步误差的测量。

Description

一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法
技术领域
本发明涉及一种通信领域中基于差分GPS的时间同步误差测量方法，特别是涉及一种适用于测量机动节点的时间同步误差测量方法。
背景技术
在通信领域，组网通信的各节点之间对时间同步具有较高要求，有时甚至达到几纳秒量级。针对处于高速机动状态，通信距离达到百公里量级的节点，如何实时、高精度测量多节点之间纳秒级的同步误差，是该领域的一个难点。时间同步误差作为时间统一系统的关键指标，其测试方法有多种。
目前，精度较高的时间同步误差测量基本采用GPS辅助技术，利用GPS，并采用复杂可编程逻辑器件实现的时间同步测量系统。该方法主要利用GPS秒脉冲作为基准信号，测试时间统一系统秒脉冲与基准秒脉冲之间的时间差。
该方法的步骤主要包括：
(1)将GPS秒脉冲和时间统一系统秒脉冲做抗干扰处理，使得小于20ns的干扰信号被滤掉；
(2)通过一系列逻辑门操作，得到GPS秒脉冲和时间统一系统秒脉冲前沿之间的误差计数值；
(3)采用D触发器判断GPS秒脉冲与时间统一系统秒脉冲之间的先后关系。
最终得到GPS秒脉冲和时间统一系统秒脉冲时间的误差值。
该方法的测试误差主要为GPS秒脉冲同步误差，当节点之间距离较远(如达到百公里量级)，且处于相对运动时，GPS秒脉冲同步误差仅能达到几十纳秒量级。
差分GPS技术可以获得很高的定位精度，从而得到精度较高的节点间距离，但如何利用这一优势测量机动节点时间同步误差，目前尚无文献给出详细的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于差分GPS的机动点时间同步误差测量方法。
本发明采用的技术方案如下：一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法，其方法步骤为：
步骤一、定义各个移动节点，并测量移动节点之间的通道延时补偿值；
步骤二、计算出各个移动节点的差分GPS坐标值；
步骤三、计算出各个移动节点之间的传输时间伪距和三维坐标伪距；
步骤四、根据所述两个伪距求出移动节点A和B之间的时间同步误差。
作为优选，所述各个移动节点的差分GPS坐标值的计算方法为：基准站与各个移动节点通过各自的GPS接收机同步观测GPS卫星，并得到各自的载波相位；基准站将测算到的载波相位实时发送给各个移动节点，各个移动节点分别将此载波相位与各自测算的载波相位求差分，进而实时解算出各自的差分GPS坐标值。
作为优选，所述传输时间伪距的计算方法为：在所述各个移动节点获得差分GPS坐标值的时间段，按照一定周期重复下述操作：移动节点发送信息到另外一个移动节点，发送信息包含发送时间，所述另外一个移动节点记录到达的本地时间，根据到达的本地时间和发送时间之间的时间间隔计算出传输时间伪距。
作为优选，所述传输时间伪距的计算方法还包括：在进行伪距计算时，对光速进行修正，根据射频通道延迟补偿值对传输时间进行修正。
作为优选，所述三维坐标伪距的计算方法为：将所述各个移动节点的差分GPS坐标转换为大地直角坐标，利用插值算法对各个移动节点的坐标进行插值，并依据大地直角坐标进行距离计算；同时，移动节点实时将获得的差分GPS坐标值发送到另外一个移动节点，实时计算出三维坐标伪距。
作为优选，所述插值算法为均匀插值算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：解决了处于高速机动状态，距离达到百公里量级节点间纳秒级时间同步误差实时测量的问题，保证了时间同步测量精度在2ns之内，可以用于10ns左右同步误差的测量。
附图说明
图1为本发明其中一具体实施例的基准站O原理性结构框图。
图2为图1所示实施例的移动节点原理性结构框图。
图3为本发明其中一具体实施例的误差测量流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本具体实施例中，以移动节点A和移动节点B为例进行具体说明。
如图1和图2所示，在本具体实施例中，将一台GPS接收机设置在位置固定的基准站内，该基准站在WGS-84统一坐标系中拥有已知的精密坐标。同时每个移动节点配备一台GPS差分接收机。基准站和移动节点配置有收发装置，可以实现相互通信。
如图3所示，定义移动节点A、移动节点B，对节点A和B进行时间同步误差测量，其方法步骤为：
步骤一、测量移动节点之间的通道延时补偿值。安装地面辅助测试基准站O，其具有精确的GPS坐标(B,L,H)，节点A和B通道延时补偿值为Δt'。
步骤二、计算出两个移动节点的差分GPS坐标值。在本具体实施例中，所述两个移动节点的GPS坐标值的计算方法为：基准站O与两个移动节点A和B通过各自的GPS接收机同步观测GPS卫星，并从接收的信号中得到各自的载波相位；基准站O将测算到的载波相位实时发送给移动节点A和B，移动节点A和B分别将此载波相位与各自测算的载波相位求差分，进而实时解算出各自的差分GPS坐标值(Ba,La,Ha)和(Bb,Lb,Hb)。
步骤三、计算出移动节点A和B之间的传输时间伪距L2和三维坐标伪距L1。
在本具体实施例中，所述传输时间伪距L2的计算方法为：移动节点A和B获得差分GPS坐标值的时间段，按照一定周期重复下述操作：：移动节点A发送信息到移动节点B，发送信息包含发送时间Nt，移动节点B记录到达的本地时间Nr，根据到达的本地时间和发送时间之间的时间间隔计算出传输时间伪距L2；同时，移动节点A实时将获得的差分GPS坐标值发送到移动节点B，实时计算出三维坐标伪距。
在本具体实施例中，所述三维坐标伪距的计算方法为：将移动节点A和B的差分GPS坐标转换为大地直角坐标，并利用插值算法(在本具体实施例中为均匀插值算法)对移动节点A和B的坐标插值。
在本具体实施例中，计算三维坐标伪距时，使用地心空间大地直角坐标系，因此首先需要进行坐标转换，将节点A的差分GPS坐标(Bb,Lb,Hb)转换为大地直角坐标(Xb,Yb,Zb)，节点B的差分GPS坐标(Ba,La,Ha)转换为大地直角坐标(Xa,Ya,Za)，GPS坐标向大地直角坐标的转换公式为：
其中，e为地球扁率，取值1/298.257223563，N为卯酉面内曲率半径，a为地球长半轴，取值为6378137米。另外由于GPS信息刷新较慢，节点A相对于节点B处于机动状态，为获得更精确的实时坐标值样本，需要利用插值算法对节点A的坐标插值，即从(Xa,Ya,Za)插值得到(Xa j,Ya j,Za j)。两个伪距的数学表达式为：
L2＝c0(Δt+δt+Δt')＝c0((Nr-Nt)T-Δt') (4)
其中c0为光在大气中的传播速率，Δt为信号在节点A与节点B之间的传输时间，δt为节点A与B之间的时间同步误差。
所述传输时间伪距的计算方法还包括：在进行伪距计算时，对光速进行修正，使得大气折射带来的测量误差小于0.2ns。在实际计算时，需要根据当地气温、气压等环境因素进行修正，修正的公式为：c0＝c/n，其中c为光在真空中的传输速率，取值为2.99792458×108m/s，n为传输环境下的大气折射率。
步骤四、根据所述两个伪距求出移动节点A和B之间的时间同步误差。
由于采用了载波相位求差法的差分GPS技术，多数共模误差都可以消除或者减弱，使得移动节点的定位精度高，伪距L1误差很小，一般可以控制在几个厘米之内，因此可以使用L1作为真实距离的参考值，求取两个节点之间的时间同步误差δt：
本具体实施例保证了时间同步测量精度在2ns之内，可以用于10ns左右同步误差的测量。

Claims (4)

1.一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法，其方法步骤为：
步骤一、定义各个移动节点，并测量移动节点之间的通道延时补偿值；
步骤二、计算出各个移动节点的差分GPS坐标值；
步骤三、计算出各个移动节点之间的传输时间伪距和三维坐标伪距；
步骤四、根据所述两个伪距求出移动节点A和B之间的时间同步误差；
所述传输时间伪距的计算方法为：在所述各个移动节点获得差分GPS坐标值的时间段，按照一定周期重复下述操作：移动节点发送信息到另外一个移动节点，发送信息包含发送时间，所述另外一个移动节点记录到达的本地时间，根据到达的本地时间和发送时间之间的时间间隔计算出传输时间伪距；
所述三维坐标伪距的计算方法为：将所述各个移动节点的差分GPS坐标转换为大地直角坐标，利用插值算法对各个移动节点的坐标进行插值，并依据大地直角坐标进行距离计算；同时，移动节点实时将获得的差分GPS坐标值发送到另外一个移动节点，实时计算出三维坐标伪距；
所述步骤四的具体方法为：通过三维坐标伪距L1和传输时间伪距L2求差后得到的差值，再除以修正后的光速C0，求出移动节点A和B之间的时间同步误差。
2.根据权利要求1所述的时间同步误差测量方法，所述各个移动节点的差分GPS坐标值的计算方法为：基准站与各个移动节点通过各自的GPS接收机同步观测GPS卫星，并得到各自的载波相位；基准站将测算到的载波相位发送给各个移动节点，各个移动节点分别将此载波相位与各自测算的载波相位求差分，进而解算出各自的差分GPS坐标值。
3.根据权利要求1所述的时间同步误差测量方法，所述传输时间伪距的计算方法还包括：在进行伪距计算时，对光速进行修正，根据射频通道延迟补偿值对传输时间进行修正。
4.根据权利要求1到3之一所述的时间同步误差测量方法，所述插值算法为均匀插值算法。
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