CN105867108A - 一种国家标准时间远程复现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种国家标准时间远程复现方法，首先计算基准站和各可视卫星的星站钟差值以及各用户站和各可视卫星的星站钟差值，并对星站钟差值进行最小二乘线性拟合，按照最终拟合结果，各个用户站分别将与基准站共同的可视卫星的星站钟差进行对应作差，各个用户站分别将剔除了粗差后的差值数据取均值，作为各用户站的参考时间与基准站国家标准时间的时差值；将时差值对应返回给各个用户站，从而控制本地原子钟的输出，使其与国家标准时间同步。本发明能够弥补目前授时体系中1～5ns实时授时精度的缺失，提供实时且连续的2ns精度的实时授时。

Description

一种国家标准时间远程复现方法

技术领域

本发明属于卫星授时技术领域，涉及一种时间远程复现的方法。

背景技术

国家授时中心承担着我国标准时间的产生、保持和发播任务，其守时系统是国家不可缺少的基础性工程和社会公益设施，为我国建立了与UTC同步的国家标准时间UTC(NTSC)，另外，国家授时中心也正在将建立的国家标准时间UTC(NTSC)通过多样化的手段提供给各行各业的用户，服务我国国民经济发展。

目前针对不同时间频率精度需求的用户，国家授时中心已经建成了以下几种授时手段，其主要性能指标如表1所示。

表1.各种时间传递技术的精度对比

由上表可知，各种授时手段基本覆盖了不同精度时频信号的需求，但随着行业细分进一步深化，对时间频率信号的需求也到了精细划分的阶段。如在1ns～10ns区间内，卫星导航系统单向授时精度不能满足用户需求，而卫星共视、卫星双向比对、光纤时间频率传递等方法的性能虽然可以满足要求，但是只适用于点对点的比对需求，并且成本较单向授时等方法高出许多，另外，卫星共视和卫星双向比对结果生成滞后，也制约了一部分用户的需求，所以，需要一种性价比高且适宜广泛使用的手段来满足10ns以下精度的用户需求。同时，卫星共视法存在两个问题：一是完整的观测周期为16分钟，只有13分钟有观测数据，存在3分钟观测间隙，不符合溯源的要求；二是数据事后交换处理模式，导致比对结果生成滞后，不满足实时性的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种国家标准时间远程复现方法，能够弥补目前授时体系中1～5ns实时授时精度的缺失，提供实时且连续的2ns精度的实时授时。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.将国家标准时间所在地作为基准站，待复现国家标准时间的用户所在地作为用户站；以约定的观测周期分别观测本地参考时间与可视卫星钟时间的偏差，即星站钟差，得到基准站和第i颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVi1以及第j个用户站和第i颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVij，

T_REFSVi1＝T_tic1+Δt'₁+(ρ_i1-r_i1-I_i1-T_i1)/c+δt^(s) _i1-ε_ρi1-Δt₁

T_REFSVij＝T_ticj+Δt'_j+(ρ_ij-r_ij-I_ij-T_ij)/c+δt^(s) _ij-ε_ρij-Δt_j

其中，c为真空光速，基准站已知接收机输出伪距ρ_i1、卫星钟误差修正项δt^(s) _i1、对流层延迟T_i1、电离层延迟I_i1、接收机位置坐标(x₁,y₁,z₁)、卫星位置坐标(x_i1',y_i1',z_i1')、接收机时延Δt₁和本地参考钟延迟Δt'₁，ε_ρi1为伪距测量噪声；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r_i1；利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_ref1与接收机时钟T_u1的差值T_tic1＝T_ref1-T_u1；

用户站j已知接收机输出伪距ρ_ij、卫星钟误差修正项δt^(s) _ij、对流层延迟T_ij、电离层延迟I_ij、接收机位置坐标(x_j,y_j,z_j)、卫星位置坐标(x_ij',y_ij',z_ij')、接收机时延Δt_j和本地参考钟延迟Δt'_j，ε_ρij为伪距测量噪声；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r_ij；利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_refj与接收机时钟T_uj的差值T_ticj＝T_refj-T_uj；

2.在每个观测周期结束时刻，基准站和各用户站分别对该周期的各颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVi1、T_REFSVij进行最小二乘线性拟合，最终拟合结果即拟合后的直线中点值，参与后续计算；

3.按照最终拟合结果，各个用户站分别将与基准站共同的可视卫星的星站钟差进行对应作差，从而得到ΔT_REFSVij；

4.对各个用户站的ΔT_REFSVij分别进行粗差剔除；各个用户站分别将剔除了粗差后的ΔT_REFSVij数据取均值，该均值即为该周期内用户站j的参考时间与基准站国家标准时间的时差值；

5.将时差值对应返回给各个用户站，由用户站用于生成控制用户本地原子钟输出信号的频率调整量，从而控制本地原子钟的输出，使其与国家标准时间同步。

所述的观测周期设置为10分钟或其整数倍。

所述的可视卫星包括GPS、北斗、伽利略和GLONASS四个卫星导航系统的所有可视卫星。

所述的接收机输出伪距为伪距测量值或经过载波相位平滑后的伪距值。

所述的粗差剔除包括以下步骤：首先去掉当前周期内用户站j的各颗卫星所有ΔT_REFSVij中的最大值和最小值，并计算剩余ΔT_REFSVij的均值其中，N为所有卫星数目减2；然后，计算ΔT_REFSVij的标准差将所有ΔT_REFSVij与标准差进行比较，如果则该结果视为超过粗差门限，予以剔除，其中，M为可设置的粗差剔除倍数。

所述的粗差剔除倍数M取值为3。

本发明的有益效果是：观测周期可灵活设置，且达到持续无间断的比对，增加了数据观测量，且满足溯源的要求；数据观测与数据处理并行执行，时间比对结果实时生成，并实时反馈比对结果至各用户站，保证了复现UTC(NTSC)的精度，免除搬运原子钟带来的不便；融合了多个卫星导航系统，大大增加了空中可用卫星，有利于系统识别异常卫星，同时减小了卫星更替引起的跳变，且在卫星共视比对中，各颗卫星之间误差相互独立，故卫星数目的增多可减小共视误差，另外，通过3倍粗差剔除原则，有99.73％的样本满足判断，超越3σ之外就属于小概率事件，可视作异常值处理；最后，由于GPS卫星共视法本身可以满足3～5ns的授时精度，而通过上述国家标准时间远程复现方法，可为用户提供的UTC(NTSC)复现信号授时精度达到2ns。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

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。

本发明的原理如图1所示，具体包括以下步骤：

1.将国家标准时间所在地作为基准站，待复现国家标准时间的用户所在地作为用户站，两地以约定的观测周期(可灵活设置，一般取10分钟或其整数倍)分别观测本地参考时间与可视卫星钟时间的偏差，即星站钟差，基准站与用户站的星站钟差计算方法相同。下面以基准站星站钟差数据计算过程为例：

首先，通过解析基准站接收机输出的原始数据，可以得到伪距ρ_i1、卫星钟误差修正项δt^(s) _i1、对流层延迟T_i1、电离层延迟I_i1、接收机位置坐标(x₁,y₁,z₁)和卫星位置坐标(x_i1',y_i1',z_i1')；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r₁；

由以上已知项，得到GNSS系统时间与接收机时钟之间的钟差δt_ui1：

δt_ui1＝(ρ_i1-r_i1-I_i1-T_i1)/c+δt^(s) _i1-ε_ρi1

式中，c为真空光速，取值为2.99792458×10⁸m/s，ε_ρi1为伪距测量噪声。

同时，利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_ref1与接收机时钟T_u1的差值T_tic1，即：

T_tic1＝T_ref1-T_u1

最后，在进行时差测量时，还特别需要考虑来自测量终端的硬件时延，即接收机时延Δt₁和本地参考钟延迟Δt'₁，需要事先进行测量标定。故GNSS系统时间与本地参考时间的时差可表示为：

T_REFSVi1＝T_tic1+Δt'₁+(ρ_i1-r_i1-I_i1-T_i1)/c+δt^(s) _i1-ε_ρi1-Δt₁

将计算结果T_REFSVi1称为基准站星站钟差，i代表卫星号；

同理可以得到第j个用户站和第i颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVij，

T_REFSVij＝T_ticj+Δt'_j+(ρ_ij-r_ij-I_ij-T_ij)/c+δt^(s) _ij-ε_ρij-Δt_j

其中，用户站j已知接收机输出伪距ρ_ij、卫星钟误差修正项δt^(s) _ij、对流层延迟T_ij、电离层延迟I_ij、接收机位置坐标(x_j,y_j,z_j)、卫星位置坐标(x_ij',y_ij',z_ij')、接收机时延Δt_j和本地参考钟延迟Δt'_j，ε_ρij为伪距测量噪声；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r_ij；利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_refj与接收机时钟T_uj的差值T_ticj＝T_refj-T_uj；

所述的接收机输出伪距包括两种，一种是直接的伪距测量值，一种是经过载波相位平滑后的伪距值；所述的可视卫星包括了当前四个卫星导航系统(包括GPS、北斗、伽利略和GLONASS)的所有可视卫星；

2.在每个观测周期结束时刻，基准站和各用户站可实时计算得到该周期的可视卫星i的星站钟差值T_REFSVi1、T_REFSVij，其中T_REFSVi1表示基准站计算得到的可视卫星i的星站钟差值，T_REFSVij表示第j个用户站计算得到的可视卫星i的星站钟差值，基准站和各用户站分别对每颗可视卫星的星站钟差值进行最小二乘线性拟合，最终拟合结果即拟合后的直线中点值，参与后续计算；

3.根据步骤2中计算结果，在观测周期结束时刻，基准站和用户站分别将本地各颗可视卫星的最终拟合结果通过远程数据传输网络发送至数据分析处理中心，数据分析处理中心负责计算出基准站和各个用户站的时差结果，即分别将各个用户站与基准站共同可视卫星的星站钟差进行对应作差，从而得到各个用户站j的ΔT_REFSVij，i代表卫星号；

4.根据步骤3的计算结果，分别对各个用户站j的ΔT_REFSVij进行粗差剔除。

具体操作过程为：首先去掉当前周期内的各颗卫星所有ΔT_REFSVij中的最大值和最小值，并计算剩余ΔT_REFSVij的均值(其中，N为所有卫星数目减2，i为卫星号，k为整数)：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}$

然后，计算ΔT_REFSVij的标准差：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}})}^2}$

将所有ΔT_REFSVij与标准差进行比较，如果：

$|{\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔT}}_{REFSVij}}|>M*\mathrm{\σ}$

该结果则视为超过粗差门限，将这样的ΔT_REFSVij予以剔除，其中，M为可设置的粗差剔除倍数，一般取值为3。

根据上述，将剔除了粗差后的各个用户站j的ΔT_REFSVij数据分别取均值，该均值即为该周期内用户站j的参考时间与基准站国家标准时间的时差值；

5.根据步骤4的计算结果，将时差结果返回给用户站，由用户站用于生成控制用户本地原子钟输出信号的频率调整量，从而控制本地原子钟的输出，使其与国家标准时间UTC(NTSC)同步。

本发明的实施例将用户站设置在陕西洛南，接入的参考时间信号为当地铯原子钟输出的1PPS信号，基准站位于陕西临潼，接入的参考时间信号为国家标准时间UTC(NTSC)，基线长度约为70km。目的是对洛南用户站铯原子钟进行比对控制，使其输出与UTC(NTSC)同步即远程复现国家标准时间。需要说明的是在进行国家标准时间复现之前，用户站本地铯原子钟秒级稳定度优于5e-12，天稳优于8e-14，频率准确度为5e-13。

实施步骤如下：

(1)将基准站和用户站两地观测周期设置为整10分钟，观测周期起始时刻为00:00:00，用户站与基准站在同一周期内观测各自所在地的可视卫星(融合了四个卫星导航系统的卫星)，并每秒实时进行星站钟差的计算，在每个周期结束时刻每颗可视卫星可得到600个星站钟差数据；

(2)在观测周期结束时刻，对用户站和基准站的各颗可视卫星的星站钟差数据分别进行最小二乘线性拟合，即最终得到每颗卫星的星站钟差拟合值；

(3)将步骤(2)中的各颗可视卫星拟合结果，在观测周期结束时刻通过中国移动无线网络实时发送给数据分析处理中心，由数据分析处理中心实时对用户站和基准站共同的可视卫星进行作差处理；

(4)经步骤(3)可以得到在该观测周期内，两站共同可视卫星的时差值，然后进行粗差剔除，剔除原则为3倍标准差，最后，将满足要求的数据进行求均值处理，即可得到用户站铯原子钟与基准站国家标准时间UTC(NTSC)的差值；

(5)数据分析处理中心将步骤(4)中的计算结果返回给用户站，由用户站结合历史数据进行最小二乘拟合，可以得出该周期内频率偏差和相位偏差。根据频率偏差和相位偏差计算最终对用户原子钟的频率调整量。通过相位微调器对铯原子钟的输出信号进行驾驭，确保钟差在某一范围内。当调整量的变化量大于铯原子钟的秒级频率稳定度时，将调整量在测控周期内分次置入相位微调器中；反之，则一次置入，最终使其铯原子钟输出信号逐渐同步到UTC(NTSC)，即可远程复现出国家标准时间。

本实例对于铯原子钟，最终复现时间与国家标准时间UTC(NTSC)偏差小于5ns，其精度达到1.83ns。复现信号的频率小时稳定度为2.92e-13，万秒稳定度为1.27e-13，天稳定度为1.80e-14，频率准确度为1.99e-14。

需要说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种国家标准时间远程复现方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，将国家标准时间所在地作为基准站，待复现国家标准时间的用户所在地作为用户站；以约定的观测周期分别观测本地参考时间与可视卫星钟时间的偏差，即星站钟差，得到基准站和第i颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVi1以及第j个用户站和第i颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVij，

T_REFSVi1＝T_tic1+Δt'₁+(ρ_i1-r_i1-I_i1-T_i1)/c+δt^(s) _i1-ε_ρi1-Δt₁

T_REFSVij＝T_ticj+Δt'_j+(ρ_ij-r_ij-I_ij-T_ij)/c+δt^(s) _ij-ε_ρij-Δt_j

其中，c为真空光速，基准站已知接收机输出伪距ρ_i1、卫星钟误差修正项δt^(s) _i1、对流层延迟T_i1、电离层延迟I_i1、接收机位置坐标(x₁,y₁,z₁)、卫星位置坐标(x_i1',y_i1',z_i1')、接收机时延Δt₁和本地参考钟延迟Δt'₁，ε_ρi1为伪距测量噪声；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r_i1；利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_ref1与接收机时钟T_u1的差值T_tic1＝T_ref1-T_u1；

用户站j已知接收机输出伪距ρ_ij、卫星钟误差修正项δt^(s) _ij、对流层延迟T_ij、电离层延迟I_ij、接收机位置坐标(x_j,y_j,z_j)、卫星位置坐标(x_ij',y_ij',z_ij')、接收机时延Δt_j和本地参考钟延迟Δt'_j，ε_ρij为伪距测量噪声；利用接收机位置坐标和卫星位置坐标，计算出卫星位置与接收机位置的几何距离r_ij；利用时间间隔计数器测量本地参考时间T_refj与接收机时钟T_uj的差值T_ticj＝T_refj-T_uj；

步骤2，在每个观测周期结束时刻，基准站和各用户站分别对该周期的各颗可视卫星的星站钟差值T_REFSVi1、T_REFSVij进行最小二乘线性拟合，最终拟合结果即拟合后的直线中点值，参与后续计算；

步骤3，按照最终拟合结果，各个用户站分别将与基准站共同的可视卫星的星站钟差进行对应作差，从而得到ΔT_REFSVij；

步骤4，对各个用户站的ΔT_REFSVij分别进行粗差剔除；各个用户站分别将剔除了粗差后的ΔT_REFSVij数据取均值，该均值即为该周期内用户站j的参考时间与基准站国家标准时间的时差值；

步骤5，将时差值对应返回给各个用户站，由用户站用于生成控制用户本地原子钟输出信号的频率调整量，从而控制本地原子钟的输出，使其与国家标准时间同步。

2.根据权利要求1所述的国家标准时间远程复现方法，其特征在于：所述的观测周期设置为10分钟或其整数倍。

3.根据权利要求1所述的国家标准时间远程复现方法，其特征在于：所述的可视卫星包括GPS、北斗、伽利略和GLONASS四个卫星导航系统的所有可视卫星。

4.根据权利要求1所述的国家标准时间远程复现方法，其特征在于：所述的接收机输出伪距为伪距测量值或经过载波相位平滑后的伪距值。

5.根据权利要求1所述的国家标准时间远程复现方法，其特征在于：所述的粗差剔除包括以下步骤：首先去掉当前周期内用户站j的各颗卫星所有ΔT_REFSVij中的最大值和最小值，并计算剩余ΔT_REFSVij的均值其中，N为所有卫星数目减2；然后，计算ΔT_REFSVij的标准差将所有ΔT_REFSVij与标准差进行比较，如果则该结果视为超过粗差门限，予以剔除，其中，M为可设置的粗差剔除倍数。

6.根据权利要求5所述的国家标准时间远程复现方法，其特征在于：所述的粗差剔除倍数M取值为3。