CN105158771B - 一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法，通过改变导航电文中溯源模型参数的产生方式，将卫星导航系统的授时精度提高到纳秒量级。本发明给出的溯源模型参数的监测不是在卫星导航系统层面，而是在用户层面。用户使用该方法监测的溯源模型参数后，不但将系统时间改正到UTC，还可进一步改正接收链路中的各项误差，相当于与守时实验室的定时接收机进行了共视时间比对。用户从其单向授时结果中，通过使用广播的溯源模型参数就可以实现纳秒级的基于共视原理的单向授时，无需数据交换，更加方便，实时性更高。

Description

一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术。

背景技术

卫星导航系统作为时间基准系统，一个重要的功能就是授时。根据ITU授时系统及发播标准，要求授时系统的时间与UTC同步在100ns以内，这就要求卫星导航系统的系统时间必须与世界通用时间标准—UTC保持同步，即实现溯源。

为了实现溯源，卫星导航系统的系统时间需要和参与UTC计算的守时实验室保持的地方UTC进行比对，获取系统时间与地方UTC的差，借助地方UTC实现系统时间的溯源。不同的卫星导航系统，其溯源模型参考的地方UTC不同，GPS系统时间溯源到UTC(USNO)，GLONASS系统时间溯源到UTC(SU)，北斗卫星导航系统的系统时间溯源到UTC(NTSC)。

目前卫星导航系统的溯源模型参数产生方式如图1所示，在卫星导航系统层面利用卫星双向或共视时间比对的方式直接监测该导航系统的系统时间与地方UTC之间的溯源偏差。导航系统的主控站根据监测的溯源偏差数据计算溯源模型参数，然后发送到注入站上行至卫星，实现向用户广播。定时用户使用导航电文中的溯源模型参数后将卫星导航系统的系统时间改正到地方UTC，实现授时。

这种方式监测所得的溯源模型参数是以直接比对的方式在导航系统层面监测获得，导航电文中发布的溯源模型参数与其在用户层面的表现不一致，用户使用后获得的单向授时精度最高在几十纳秒的量级，不能满足有高精度授时服务用户的需求。影响授时精度的主要因素为用户在单向接收信号的过程中受到由卫星、传输路径以及接收机端等各种误差的综合影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法，在用户层面监测获得溯源模型参数，监测的溯源时差中包含了与用户单向接收链路中相关的误差，用户使用该方法监测溯源模型参数后就可以部分抵消其单向接收链路中的误差，不仅将用户本地时间改正到UTC，同时还实现了卫星导航系统纳秒级的高精度单向授时。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：在守时实验室放置定时接收机，定时接收机以守时实验室保持的UTC时间信号为参考，接收导航卫星广播的授时信号；测量每颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距ρ_i，i＝1～n，n为接收机可视的导航卫星个数；

步骤2：对每颗导航卫星的原始伪距ρ_i进行几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正后，得到UTC与第i颗导航卫星广播的系统时间偏差ΔT_i，i＝1～n，系统时间偏差中含有星钟模型误差、电离层误差、星历误差以及对流层误差；

步骤3：将每颗导航卫星对应的系统时间偏差发送到导航系统主控站，对30分钟以上的ΔT_i值进行二次多项式建模如下：

ΔT_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²；

以最小二乘残差为原则计算得到该卫星的一组溯源模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)，其中t₀是溯源模型的起点，a₀是溯源模型的常数项，即溯源偏差的初始偏差，a₁是溯源模型的一次项，即溯源偏差的钟速系数，a₂是溯源模型的二次项，即溯源偏差的钟漂系数；每颗卫星按照设定的周期更新模型参数；

步骤4：导航系统主控站将计算出的每颗卫星的溯源模型参数编入导航电文，再将导航电文发送给注入站，上行注入给导航卫星；

步骤5：导航卫星将导航电文调制在载波上，发射导航信号的同时向用户广播溯源模型参数；

步骤6：用户使用接收机监测接收导航信号，测量用户与某颗卫星之间的伪距，通过几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正获得用户本地时间与导航卫星广播的系统时间的时差值ΔU_i，即单向授时结果；

步骤7：用户通过解调导航电文提取出该卫星的溯源模型参数；利用溯源模型参数进行预报，得到用户观测时刻的守时实验室时间UTC与该卫星广播的系统时间的时差值即溯源偏差；

步骤8：用户从单向授时结果中扣除溯源偏差值，获得用户本地时间与守时实验室时间的时差，抵消了用户单向授时结果中各项误差的影响，在完成溯源功能的同时实现了用户的高精度授时。

本发明的有益效果是：通过改变导航电文中溯源模型参数的产生方式，实现卫星导航系统的纳秒级单向授时。该方法可以同时实现卫星导航系统的溯源和高精度授时两种功能。用户使用该方法产生的溯源模型参数时不需要增加任何额外的配置，也不需要做任何改变就可以获得高精度的授时服务。同时，用户在定位前使用该方法产生的溯源模型参数还可以提高定位精度。因此，本发明不仅实现了卫星导航系统的溯源功能，同时还实现了卫星导航系统的高精度授时功能，还可以提高用户的定位精度。

附图说明

图1是目前卫星导航系统溯源模型参数的产生方式示意图；

图2是本发明的卫星导航系统溯源模型参数的产生方式示意图；

图3是实施例的溯源模型参数产生方法框图；

图4是基于实施例生成的溯源模型参数实现的单向授时结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明通过改变导航电文中溯源模型参数的产生方式，实现基于单向接收的卫星导航系统纳秒级授时，该方法的原理如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：在守时实验室放置定时接收机，定时接收机以守时实验室保持的UTC时间信号为参考，接收导航卫星广播的授时信号。不妨设，n为接收机可视的导航卫星个数，测量每颗卫星与接收机间的原始伪距ρ_i，i＝1～n。

步骤2：对每颗卫星的原始伪距ρ_i进行几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正后，得到UTC(K)与第i颗卫星广播的系统时间的偏差ΔT_i，i＝1～n，该偏差中含有星钟模型误差、电离层误差、星历误差以及对流层误差。

步骤3：将每颗星对应的该偏差数据发送到导航系统主控站，对30分钟以上的ΔT_i值进行二次多项式建模如下：

ΔT_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²

以最小二乘残差为原则计算得到该卫星的一组溯源模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)，其中t₀是溯源模型的起点，a₀是溯源模型的常数项，即溯源偏差的初始偏差，a₁是溯源模型的一次项，即溯源偏差的钟速系数，a₂是溯源模型的二次项，即溯源偏差的钟漂系数。每颗卫星按照一定的周期，如1小时，更新模型参数。

步骤4：主控站将计算出的每颗卫星的溯源模型参数编入导航电文，再将导航电文发送给注入站，由其上行注入给卫星。

步骤5：卫星将导航电文调制在载波上，发射导航信号的同时向用户广播溯源模型参数。

步骤6：用户使用接收机监测接收导航信号，测量用户与某颗卫星之间的伪距，通过几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正获得用户本地时间与卫星广播的系统时间的时差值ΔU_i，即单向授时结果。

步骤7：同时，用户通过解调导航电文，提取出该卫星的溯源模型参数。利用溯源模型参数进行预报，得到用户观测时刻的守时实验室时间UTC(K)与该卫星广播的系统时间的时差值即溯源偏差。

步骤8：用户从其单向授时的结果中扣除溯源偏差值，不仅获得用户本地时间与守时实验室时间的时差，并且进一步抵消了用户单向授时结果中各项误差的影响。完成溯源功能的同时，实现了用户的高精度授时。

对导航系统来说，这种溯源模型参数的产生方法在实现导航系统的系统时间溯源的同时又可以为用户提供高精度的授时服务。对用户来说，接收并使用溯源新方法的模型参数，可以在不增加任何负担的情况下，通过单向接收导航信号，就能获得优于3ns的授时，比GPS单向授时精度高3倍以上。因此，这种溯源模型产生方法对导航系统和用户均有利。

本实施例的实现包括溯源偏差的监测、溯源偏差模型参数的计算、溯源模型参数的使用三部分。

本实施例中溯源模型参数产生方法如图3所示，使用放置在中科院国家授时中心的一台定时接收机监测北斗溯源偏差，定时接收机以守时实验室保持的UTC(NTSC)时间信号为参考。该接收机输出伪距值、卫星位置、电离层模型参数、卫星钟差参数、对流层模型参数。根据电离层模型参数、卫星钟差参数、对流层模型参数计算得到电离层时延改正量，卫星钟差改正量和对流层折射时延改正量。以电离层时延改正量，卫星钟差改正量、对流层折射时延改正量与伪距值、卫星位置共同作为数据源计算溯源偏差并生成溯源模型参数。

同时，将另外一台放置在中科院国家授时中心的定时接收机作为用户定时接收机，该接收机通过接收导航信号实现单向授时，然后使用监测的溯源模型参数实现与UTC(NTSC)的同步。以这两台定时接收机输出的2015年5月27日北斗2号卫星一天的数据作为实例来实施本方法：

步骤1：一台放置在国家授时中心的定时接收机作为监测溯源偏差数据的接收机。该定时接收机输出的某一时刻的卫星伪距观测值为ρ_i，i＝1～n。n为接收机可视的导航卫星个数。

步骤2：利用下式从每颗卫星的伪距中扣除ρ_i中扣除几何路径时延，卫星钟差、电离层附件时延和对流层折射时延，得到UTC(NTSC)与第i颗卫星广播的系统时间的偏差ΔT_i，i＝1～n。

其中，ΔT_i为卫星i对应的溯源偏差，c为光速，r_i为几何路径时延，IonDelay_i为电离层时延改正量、SatClock_i为卫星钟差改正量，TroDelay_i为对流层折射时延改正量，i＝1～n，n为接收机可视卫星个数。

步骤3：设时刻t_j，j＝1～m，对应的溯源偏差数据为ΔT_i(j)，对时长30分钟以上的每颗卫星对应的溯源偏差数据进行二次多项式建模，计算溯源偏差模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)。

首先，计算模型起点t₀，不妨设模型参数的有效预报时长为Pre_DataLen，如1小时，则有：

t₀＝t_m+Pre_DataLen/2

再通过解下列方程求解系数a₀,a₁,a₂，

这样就计算得到卫星i在t_j，j＝1～m，时段内对应的溯源模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)，其中t₀是溯源模型的起点，a₀是溯源模型的常数项，即溯源偏差的初始偏差，a₁是溯源模型的一次项，即溯源偏差的钟速系数，a₂是溯源模型的二次项，即溯源偏差的钟漂系数。据此，可以计算得到每颗可视卫星的溯源偏差模型参数。

步骤4：将计算得到的溯源模型参数按照如下的格式，组包成实时的数据流。具体组包格式为：“#year month day hour minute second t0 prn1 a0 a1 a2 prn2 a0 a1a2…prnn a0 a1 a2”。发送数据包的时刻(年月日时分秒)，模型起点，卫星1编号，模型系数(a0 a1 a2)，卫星2编号，模型系数(a0 a1 a2)，…，卫星n编号，模型系数(a0 a1 a2)。

步骤5：将组包成的实时数据流通过串口发送给用户定时接收机，供其使用。

步骤6：用户使用另一台放置在国家授时中心的定时接收机，接收北斗卫星的导航信号，经过与步骤1同样的处理过程用户获得基于卫星i的单向授时结果ΔU_i。

步骤7：用户根据接收到的实时数据流，读取出卫星i的溯源模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)，利用下式计算得到用户观测时刻t的溯源偏差

步骤8：用户从基于该卫星的单向授时结果ΔU_i中扣除溯源偏差就实现了授时。ΔdeltaT为用户单向授时误差，即用户获得的授时结果中包含的误差。

图4为本实施例中的用户接收机使用这种溯源模型参数产生方法监测得到的溯源偏差模型参数后获得授时结果。通过对结果进行统计可以看出，用户本地时间与UTC(NTSC)相差10.9ns，用户获得的该差值的精度为3.7ns，明显优于传统的单向授时方法的精度。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是在用户层面监测溯源偏差，这样监测的溯源偏差含有与用户单向授时结果中相关的误差。用户使用溯源偏差修正单向授时结果，不仅实现了用户本地时间与UTC的同步，还抵消了用户单向授时结果中的相关误差，相当于与守时实验室实现了进行了共视比对。因此，卫星导航系统使用这种溯源模型参数产生方法后，可以提高卫星导航系统的单向授时精度提高到纳秒级。

对用户来说，接收并使用这种溯源方法的模型参数，可以在不增加任何负担的情况下，通过单向接收导航信号，就能获得优于5ns的授时，比现有的卫星导航系统的单向授时精度高2倍以上。因此，这种溯源模型产生方法对导航系统和用户均有利。

Claims (1)

1.一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：在守时实验室放置定时接收机，定时接收机以守时实验室保持的UTC时间信号为参考，接收导航卫星广播的授时信号；测量每颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距ρ_i，i＝1～n，n为接收机可视的导航卫星个数；

步骤2：对每颗导航卫星的原始伪距ρ_i进行几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正后，得到UTC与第i颗导航卫星广播的系统时间偏差ΔT_i，i＝1～n，系统时间偏差中含有星钟模型误差、电离层误差、星历误差以及对流层误差；

步骤3：将每颗导航卫星对应的系统时间偏差发送到导航系统主控站，对30分钟以上的ΔT_i值进行二次多项式建模如下：

ΔT_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²；

以最小二乘残差为原则计算得到该卫星的一组溯源模型参数(t₀,a₀,a₁,a₂)，其中t₀是溯源模型的起点，a₀是溯源模型的常数项，即溯源偏差的初始偏差，a₁是溯源模型的一次项，即溯源偏差的钟速系数，a₂是溯源模型的二次项，即溯源偏差的钟漂系数；每颗卫星按照设定的周期更新模型参数；

步骤4：导航系统主控站将计算出的每颗卫星的溯源模型参数编入导航电文，再将导航电文发送给注入站，上行注入给导航卫星；

步骤5：导航卫星将导航电文调制在载波上，发射导航信号的同时向用户广播溯源模型参数；

步骤6：用户使用接收机监测接收导航信号，测量用户与某颗卫星之间的伪距，通过几何路径时延改正、卫星钟差改正、电离层附加时延和对流层折射时延改正获得用户本地时间与导航卫星广播的系统时间的时差值ΔU_i，即单向授时结果；

步骤7：用户通过解调导航电文提取出该卫星的溯源模型参数；利用溯源模型参数进行预报，得到用户观测时刻的守时实验室时间UTC与该卫星广播的系统时间的时差值即溯源偏差；

步骤8：用户从单向授时结果中扣除溯源偏差值，获得用户本地时间与守时实验室时间的时差，抵消了用户单向授时结果中各项误差的影响，在完成溯源功能的同时实现了用户的高精度授时。