CN106292265B - 一种基于导航卫星的多地时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导航卫星的多地时间同步方法，包括步骤一：在每个需要时间同步的地点，配备接收机，接收机实时接收导航卫星系统的导航信号，从而获得导航电文与测距观测量；步骤二：汇总所有接收机的导航电文与测距观测量，进行数据质量监测；步骤三：利用通过数据质量监测的数据求解各地的时间与导航卫星系统时间的差值；步骤四：利用所求的时差调整各地时钟，实现多地时间同步。本发明提供的方法能够准确稳定地计算各地与导航卫星系统时的时差，时间同步精度可优于10纳秒。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体地说，是一种基于导航卫星的多地时间同步方法。
背景技术
众多行业都对多地时间同步具有较高的精度要求。如果未能实现高精度时间同步，电力行业的电网传输损耗将大幅增加，通信行业的高速数据传输误码率将大幅增大。除了电力、通信等行业，导航领域的星基增强系统和连续运行参考站系统等广域范围内的卫星导航增强系统也需要在监测网内实现站与站之间的时间同步。
全球导航卫星系统以其全天候、全球覆盖、高精度的特性称为多地时间同步的重要手段。然而，传统的基于共视卫星的时间同步方法存在时差估计值跳变的问题。跳变可分为阶跃型跳变和脉冲型跳变：前者往往由于卫星运动导致，即共视卫星从可见状态变成不可见状态，或者从不可见状态变成可见状态，由于这种变化，计算时差的数据样本发生了变化，导致了阶跃型跳变；后者往往由于观测数据异常导致，即由于导航信号畸变、传输环境变化、接收机硬件失效等短时突变因素导致观测误差增大，使得观测数据的质量明显下降，进而影响时差估计值，等短时突变因素消失后，时差估计恢复正常。时差估计值跳变问题对时间同步的精度和实时性要求较高的应用将产生重大的影响。
发明内容
本发明为了解决多个地点之间的时间同步问题，提出了一种基于导航卫星的多地时间同步方法，包括用于剔除异常数据的观测数据质量监测方法，以及以观测仰角为权重的加权钟差计算方法。
本发明的一种导航卫星的多地时间同步方法，包括以下几个步骤：
步骤一：在每个需要时间同步的地点，配备接收机，接收机实时接收导航卫星系统的导航信号，从而获得导航电文与测距观测量；
步骤二：汇总所有接收机的导航电文与测距观测量，进行数据质量监测；
步骤三：利用通过数据质量监测的数据求解各地的时间与导航卫星系统时间的差值；
步骤四：利用所求的时差调整各地时钟，实现多地时间同步；
本发明的优点在于：
(1)本发明能够准确监测并排除异常的观测数据；
(2)本发明对时差的估计值几乎不受卫星运动导致的可见状态变化的影响；
(3)本发明能够准确计算各地相对于导航卫星系统的差值。
附图说明
图1是本发明提供的多地时间同步方法的流程图；
图2是本发明提供的多地时间同步方法对WAAS的37个监测站观测数据进行处理后的同步误差的概率密度曲线；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于导航卫星的多地时间同步方法，包括用于剔除异常数据的观测数据质量监测方法，以及以观测仰角为权重的加权钟差计算方法。如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤一：在每个需要时间同步的地点，配备接收机，接收机实时接收导航卫星系统的导航信号，从而获得导航电文与测距观测量；
步骤二：汇总所有接收机的导航电文与测距观测量，进行数据质量监测；
基于接收机所接收的导航电文和伪距观测量，采用卫星导航常用的算法求解，得到观测残差：
其中：Δρ为观测残差，Δx和ΔB分别为卫星的轨道误差和时钟误差，Δt为接收机时钟误差，ε为包含电离层延迟改正残差、对流层改正残差、多径和接收机热噪声等误差的观测误差，l为接收机指向卫星的单位矢量，上述变量中上标i表示第i颗卫星，下标j表示第j个地点的接收机，c为光速。
数据质量监测指是对单个接收机的所有观测残差进行数据质量监测进行数据质量分析，排除异常观测量。数据质量监测方法为：选择所有地点中位于空间分布中心的地点作为中心站点，记为M。首先对中心站点进行数据质量监测，遍历中心站观测到的所有卫星，计算t时刻观测残差时间变化率其中，为中心站点对第i颗卫星的观测残差。若第k颗卫星的的绝对值超过1米/秒，则各站对该卫星的所有观测量均存在数据质量问题。随后对其他站点进行数据质量监测，遍历剩余的站点，计算该站点与中心站点的共同可观测到的卫星(以下称为共视卫星)的观测残差的差值其中，上标i表示第i颗卫星，下标j表示第j个地点的接收机。若共视卫星数量超过2颗，则寻找共视卫星δρj,M样本集中绝对值最大项(其中，上标m为对应卫星的编号)，并计算除以外的样本的均值与标准差，若与均值的差值的绝对值超过标准差的KFA倍(K为标准正态分布下1-PFA对应的分位点，其中为PFA误警概率)，则存在数据质量问题。所有未被认定存在数据质量问题的Δρ均进入步骤三。
步骤三：利用通过数据质量监测的数据求解各地的时间与导航卫星系统时间的差值；
首先求解各地相对于中心站点的时间差：
其中，Δtj,M为第j个地点的接收机相对于中心站点的时间差，为的权重，ni为共视卫星数量。为了削弱共视卫星的变化对Δtj,M的影响，取为第j个地点的接收机对第i颗卫星的观测仰角的平方。
随后求解中心站点相对于导航卫星系统的时差：
其中：ΔtM,GNSS为中心站点相对于导航卫星系统的时间差，nj为站点总数。
步骤四：利用所求的时差调整各地时钟，实现多地时间同步；
根据各地相对于中心站点的时间差，可求得各站同步到中心站点的时间为：
tj,M＝tj-Δtj,M
其中：tj,M、tj和Δtj,M分别表示第j个地点接收机同步到中心站点之后的时间、第j个地点接收机本机时间和第j个地点的接收机相对于中心站点的时间差。
根据中心站点相对于导航卫星系统的时差，可求得所有站同步到导航卫星系统的系统时的时间为：
tj,GNSS＝tj,M-ΔtM,GNSS
其中：tj,GNSS、tj,M和ΔtM,GNSS分别表示第j个地点接收机同步到导航卫星系统之后的时间、第j个地点接收机同步到中心站点之后的时间和中心站点相对于导航卫星系统的时间差。
本发明和现有技术相比，主要的差异包括步骤二中的数据质量监测和步骤三中的权重参数的选取。通过数据质量监测实现对异常观测数据的监测与排除，提高同步精度。通过以第j个地点的接收机对第i颗卫星的观测仰角的平方作为权重削弱卫星运动使得共视卫星变化所导致的时间同步结果突跳程度。
实施例：
利用本发明提供的方法，以接收机实际接收的数据为基础，详细说明本发明的多地时间同步方法。
选取WAAS的37个监测站对GPS卫星的观测量作为数据源，将本文提出的多地时间同步方法进行处理，形成一个实施例，来分析算法性能：
实施例1
WAAS的37个监测站对GPS卫星的观测起止时间为2015年5月21日00:00:00至23:59:59，采样频率为1Hz。WAAS的37个监测站的接收机精确坐标已知，利用本方法将37个监测站的时钟同步到GPS系统时。将PFA设定为1×10-5，则KFA为4.42。以下以00:10:01为例说明各个步骤
步骤一：各个监测站采集观测数据。
步骤二：汇总所有接收机的导航电文与测距观测量，进行数据质量监测。
利用卫星导航常用的算法求解得到观测残差Δρ(部分数据列于表1，其中第i列第j行的值代表--表示无观测量)。选择第16个站为中心站点，即M＝16，针对所有Δρ进行数据质量监测：
对于第M个站，依次为0.016、0.015、0.031、0.0019、0.016、0.039、0.023、0.0093、0.00063、0.0047和0.0019米/秒，均小于1，因此第M个站的观测量都通过本次数据质量监测。
对于第1个站，依次为1724.88、1726.35、1724.11、1723.57、1724.31和1724.77米，其中最大值为1726.35米，除以外的样本的均值和标准差分别为1724.33米和0.53米。因此与均值的差值的绝对值为2.02米，小于标准差0.53米的4.42倍(0.53×4.42＝2.34)，因此第1个站的观测量都通过本次数据质量监测。
其余各站按照同一方法进行数据质量监测，监测结果表明不存在数据质量问题的Δρ。
步骤三：利用通过数据质量监测的数据求解各地的时间与GPS系统时间的差值。
对于第1个站，依次为0.040、0.032、0.69、0.070、0.57和1.73弧度2，因此Δt1,M为1724.53米。其余各站按照同一方法计算，求得各个站相对于中心站点的时差如表2所列。随后可求解中心站点相对于GPS的时差，计算结果为100.11米。
步骤四：利用所求的时差调整各地时钟，实现多地时间同步。
根据步骤三求得的各个站相对于中心站点的时差和中心站点相对于GPS的时差，可以求得所有站点相对于GPS的时差如表3所列。
以事后精密星历可求得的事后伪距残差该伪距仅包含各个站点时钟与GPS的时差，由于远远小于1米，可将作为各个站点钟差真值，则本方法求得的各个站点时钟钟差与其差值可认为是时钟同步误差，将所有的时钟同步误差绘于图2，可见时钟同步精度优于10纳秒。
表1部分观测残差(单位为米)
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 16 | |
| 1 | 1824.9 | 9371.6 | 1766 | 1098.3 | -800.7 | -- | -- | -- | -- | -- | 100 |
| 2 | -- | -- | -- | -- | -- | -87 | 2308.5 | 183.3 | 1551 | -93.7 | 100.5 |
| 3 | -- | -- | -- | -- | -- | -88.6 | 2307.6 | 184.7 | -- | -96.5 | 100.1 |
| 4 | -- | 9372.5 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 5 | 1825.4 | 9371.2 | 1764.4 | 1097.9 | -801.5 | -89.4 | 2306.1 | 178.9 | 1548.4 | -97.3 | 99 |
| 8 | -- | -- | -- | -- | -- | -89.4 | 2305.3 | 181.4 | 1551.1 | -96.1 | -- |
| 9 | -- | 9372.5 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 10 | 1824.8 | 9371.4 | 1765 | 1096.6 | -800.4 | -- | -- | -- | -- | -- | 100.6 |
| 11 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 2308.5 | 181.8 | 1551 | -94.5 | 100.2 |
| 12 | 1825.7 | 9372.4 | 1767.2 | 1100.1 | -799 | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 13 | 1824.5 | -- | 1764.5 | 1096.8 | -799 | -- | -- | 181.1 | 1550.8 | -- | 100.9 |
| 14 | 1824 | 9370.1 | 1764.6 | 1096.4 | -801.6 | -88.4 | 2306.8 | 180.3 | 1549.6 | -95.3 | 99.7 |
| 15 | 1828.4 | 9373.3 | 1768.2 | 1100.1 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 16 | 1824.2 | 9371.5 | 1764.5 | 1096.3 | -801.3 | -87.3 | 2307.9 | 183.4 | 1550.3 | -91.4 | 99.4 |
| 17 | 1825.5 | -- | 1765.9 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 18 | -- | 9372.6 | -- | 1098.5 | -798 | -86.8 | 2308.3 | 182.4 | 1551.3 | -94.9 | 101.5 |
| 20 | -- | -- | -- | -- | -- | -87.7 | 2307.6 | 182.6 | 1551.6 | -94.7 | 100.4 |
| 21 | 1829.4 | 9374.9 | -- | 1100.8 | -796.4 | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
表2各个站相对于中心站点的钟差(单位为100纳秒)
表3各个站相对于GPS的时差(单位为100纳秒)
Claims (3)
1.一种基于导航卫星的多地时间同步方法，包括以下几个步骤：
步骤一：在每个需要时间同步的地点，配备接收机，接收机实时接收导航卫星系统的导航信号，获得导航电文与测距观测量；
步骤二：汇总所有接收机的导航电文与测距观测量，进行数据质量监测；具体为：
获取观测残差：
其中：Δρ为观测残差，Δx和ΔB分别为卫星的轨道误差和时钟误差，Δt为接收机时钟误差，ε为观测误差，l为接收机指向卫星的单位矢量，上标i表示第i颗卫星，下标j表示第j个地点的接收机，c为光速；
数据质量监测具体为：选择所有地点中位于空间分布中心的地点作为中心站点，记为M；首先对中心站点进行数据质量监测，遍历中心站观测到的所有卫星，计算t时刻观测残差时间变化率其中，为中心站点对第i颗卫星的观测残差；若第k颗卫星的的绝对值超过1米/秒，则各站对该卫星的所有观测量均存在数据质量问题；随后对其他站点进行数据质量监测，遍历剩余的站点，计算该站点与中心站点的共同可观测到的卫星即共视卫星的观测残差的差值若共视卫星数量超过2颗，则寻找共视卫星δρj,M样本集中绝对值最大项上标m为对应卫星的编号，并计算除以外的样本的均值与标准差，若与均值的差值的绝对值超过标准差的KFA倍，则存在数据质量问题，其中，K为标准正态分布下1-PFA对应的分位点，其中为PFA误警概率；所有未被认定存在数据质量问题的Δρ均进入步骤三；
步骤三：利用通过数据质量监测的数据求解各地的时间与导航卫星系统时间的差值；
步骤四：利用所求的时差调整各地时钟，实现多地时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于导航卫星的多地时间同步方法，所述的步骤三具体为：
求解各地相对于中心站点的时间差：
其中，Δtj,M为第j个地点的接收机相对于中心站点的时间差，为的权重，ni为共视卫星数量；取为第j个地点的接收机对第i颗卫星的观测仰角的平方；
求解中心站点相对于导航卫星系统的时差：
其中：ΔtM,GNSS为中心站点相对于导航卫星系统的时间差，nj为站点总数。
3.根据权利要求1所述的一种基于导航卫星的多地时间同步方法，所述的步骤四具体为：
根据各地相对于中心站点的时间差，获取各站同步到中心站点的时间为：
tj,M＝tj-Δtj,M
其中：tj,M、tj和Δtj,M分别表示第j个地点接收机同步到中心站点之后的时间、第j个地点接收机本机时间和第j个地点的接收机相对于中心站点的时间差；
根据中心站点相对于导航卫星系统的时差，得到所有站同步到导航卫星系统的系统时的时间为：
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| GR01 | Patent grant | ||
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