CN106850177A

CN106850177A - 一种基于精密单点定位的实时时间传递方法

Info

Publication number: CN106850177A
Application number: CN201611161060.7A
Authority: CN
Inventors: 王宏博; 张升康; 易航
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明公开一种基于精密单点定位的实时时间传递方法。该方法利用测量型接收机测量提取导航卫星载波相位与伪距观测量，广播星历与广播星钟，根据IGS数据中心网络服务器发播的实时星历与星钟修正数据，进行实时载波相位数据周跳探测、非差整周模糊度解算，得到本地时间与卫星系统时间的时差。根据经典精密单点定位模型进行误差修正后，利用通信模块进行数据交换，实现两站之间的实时时间传递。

Description

一种基于精密单点定位的实时时间传递方法

技术领域

本发明涉及一种时间传递方法。更具体地，涉及一种基于精密单点定位的实时时间传递方法。

背景技术

卫星导航系统除了用于导航定位外，同时也是定时和时间传递最为主要的途径之一。利用全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)进行时间传递是当前应用最为广泛的时间传递方法。全球定位系统(GPS，Global Positioning System)共视时间比对法于二十世纪八十年代由美国提出，两个地面站，通过接入本地原子钟时间参考信号的GPS接收机，在相同时段接收同一颗GPS卫星的信号，分别计算出本地时间与该卫星星载钟的时差，记录存储成文件，通过事后文件交换和数据处理，即可得到两个地面站在比对时段的时差。这种方法系统硬件成本低，数据处理流程相对简单，因此在提出后，被世界各国的时频实验室采用，成为了国际原子时(TAI)远程比对的主要途径。现有技术中，采用GNSS接收机直接输出的伪距和载波相位观测量进行定位方程解算，得到本地时间与导航系统时间时差。这种方法中，接收机提取的是导航电文中的广播星历和星钟参数，误差相对较大，得到的定位结果和定时结果也因此存在较大误差。

二十一世纪以来，测量型双频接收机的出现和全球导航卫星系统监测网络与数据处理技术的发展，使精密单点技术逐渐成熟。精密单点定位是通过测量型接收机采集记录载波相位和伪距观测量，再利用国际全球导航卫星系统服务组织(IGS，InternationalGNSS Service)发布的精密星历和精密星钟数据进行修正，以及准确的天线相位中心坐标和误差修正模型进行数据后处理，可以得到纳秒以下的时间传递精密度。从2012年开始，IGS的数据中心开始通过网络服务器发播实时精密星历和精密星钟数据，这项服务为基于精密单点定位的实时时间传递提供了必要条件。

IGS在全球有几百个监测站和十几个数据中心。GNSS监测站利用测量型接收机记录所有导航卫星的原始观测数据，通过网络汇总到数据分析中心(AC)。每个数据中心利用自己的数据处理方法和软件独立发布精密星历与精密星钟数据产品，其数据产品的精度与滞后时间有关。精度最高的最终(Final)星历数据产品需要滞后至少15天，快速(Rapid)星历数据产品滞后2天，超快(Ultra Rapid)星历产品滞后3小时。几年前，随着互联网的发展和数据处理能力的提高，IGS开始发布实时(Real-time)星历与星钟产品，其滞后约30s，基本可以认为是实时的。

传统精密单点定位(PPP，Precise Point Positioning)技术用作时间传递相对成熟，而将传统PPP技术用于实时时间传递时，其数据处理方法不能满足实时应用。因为，传统PPP中，数据都是按天存好完整的文件，可以将文件中所有的观测数据都读取出来再处理，剔除粗差，探测周跳，而实时应用中，往往对于每颗卫星当前观测时段，之前所能利用的数据是极为有限的。很多刚刚跟踪的卫星，其观测量的噪声非常大。因此，数据处理具有极大难度。同时，从网络得到的实时星历与星钟数据，需要对原始接收机输出的观测量进行修正。对网络实时星历数据流解码、插值后，将其历元与原始观测量历元对齐后，才能修正。

现有方法虽然时间传递精密度指标，但不具有实时性因此，需要提供一种基于精密单点定位技术的实时时间传递方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于精密单点定位技术的实时时间传递方法，用于解决目前导航卫星系统无法满足纳秒量级实时时间传递的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于精密单点定位技术的实时时间传递方法，该时间传递方法包括以下步骤：

S1：接收卫星信号，卫星信号包括伪距数据、载波相位数据和星历与星钟原始数据；

S2：采集实时星历与星钟修正数据；

S3：计算精密星历与星钟数据；

S4：计算本地时间与卫星系统时间的精密时差；

S5：对各误差因素引起的时差进行修正；

S6：交换两站时差数据，完成时间传递。

优选地，测量型GNSS接收模块接收卫星信号。

优选地，网络通讯模块接收网络发播的实时星历与星钟修正数据。

优选地，步骤S3具体包括以下步骤：

S301：对星历与星钟修正数据进行插值，得到插值后的星历与星钟修正数据；

S302：利用插值后的星历与星钟修正数据对星历与星钟原始数据进行修正，得到精密星历与星钟数据。

优选地，步骤S4具体包括以下步骤：

S401：对载波相位数据进行周跳探测与修复；

S402：对载波相位数据进行非差整周模糊度解算；

S403：计算本地时间与卫星系统时间的精密时差。

优选地，利用精密单点定位得到解算结果后，对各信号接收频点的天线相位中心偏移引起的误差进行修正，对卫星天线相位的旋转效应引起的延时进行修正，对地球固体潮、地球自转和海洋填充效应引起的天线坐标变化进行修正。

优选地，步骤S6具体包括：

S601：A站向B站发送本地时差数据，接收对方时差；B站向A站发送本地时差数据，接收对方时差；

S602：A站和B站分别将接收到的对方时差与本地时差进行历元对齐；

S603：计算A站、B站时间与卫星系统的时间偏差：

S604：计算A站与B站的时间差：

其中，T_A为A站时间；T_B为B站时间；T_Sys为GPS系统时间；ΔT_A为A站时间与卫星系统的时间偏差；ΔT_B为B站时间与卫星系统的时间偏差。

本发明的有益效果如下：

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于精密单点定位技术的实时时间传递工作原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明利用IGS数据中心网络服务器发播的实时星历与星钟数据，代替传统精密单点定位数据处理中使用的15天后发布的最终精密星历和星钟数据，进行实时数据处理，解算出本地与导航卫星系统时差。再通过无线通信模块将两站时差数据进行交换，从而完成两站之间的时间传递。

在进行基于精密单点定位的实时时间传递过程中，需要将采集到的接收机伪距与载波相位原始观测量、以及广播星历与星钟数据存在内存中。对网络采集的实时星历与星钟修正数据进行插值，与内存中的广播星历与星钟历元对齐后进行累加。对存储的载波相位数据进行利用MW法结合电离层短期变化率有限的方法进行周跳探测与修复，利用修复的载波相位数据进行非差整周模糊度解算。利用载波相位数据得到本地与卫星系统时间的时差。

图1为本方法工作原理框图。A站和B站分别为两地面站，通过测量型GNSS接收模块采集伪距和载波相位观测量，同时利用无线数据接收模块接收网络发播的实时星历与星钟数据，进行钟差解算和误差修正，得到本地与卫星系统时差。

图中，1是天线到接收机的电缆，可以认为是下行；2指的是代表本地时间的1PPS(1Pulse per Second)信号；3指的是本地频率参考信号，一般为守时实验室的原子钟信号。

图中显控与数据处理模块可以认为是一个计算机，完成接收机的控制，接收机输出原始数据的采集，接收机输出原始星历和导航电文的参数采集，网络实时星历和星钟数据的接收，解码，插值，对原始观测量的修正，粗差探测，周跳探测，钟差解算，误差修正等。网络通信模块使用的通信方式为无线或有线。

一种基于精密单点定位的实时时间传递方法的具体步骤为：

第一步利用测量型接收机接收卫星信号

在利用导航卫星进行时间传递的过程中，需要选择测量型接收设备接收导航卫星信号，采集广播星历与星钟数据，同时采集双频伪距与载波相位观测量。测量时，应该采集高度角大于20度的卫星的数据，每秒采集记录一次。

第二步采集IGS数据中心网络服务器发播的实时星历与星钟数据

利用无线通信模块采集IGS数据中心网络服务器发播的实时星历与星钟修正数据。

第三步计算出修正星历与星钟数据

一般来说，第二步采集的星历和星钟修正数据具有周期性。要想得到每秒的修正数据，需要进行插值。利用插值得到的修正数据对第一步采集的广播星历与星钟数据进行修正，即可得到每秒的精密星历与星钟数据。

第四步计算本地时间与卫星系统时间的精密时差

需要对第一步中采集的载波相位数据进行周跳探测与修复，然后非差整周模糊度解算后，求取本地时间与卫星系统时间的时差。

第五步对各误差因素引起的时差进行修正

利用精密单点定位得到解算结果后，需要对各信号接收频点的天线相位中心偏移引起的误差进行修正(包括接收天线和卫星)，对卫星天线相位的旋转效应引起的延时进行修正，对地球固体潮、地球自转和海洋填充效应引起的天线坐标变化进行修正。

第六步交换两站时差数据完成时间传递

两站利用无线通信模块交换误差修正后的时差数据。各站发送本地时差数据，同时在接收到对方的时差后，与本站生成的时差进行历元对齐，根据公式计算得到两站的时间传递结果。

为了提高时差解算过程的收敛速度，需要地面站提供精密测绘坐标。同时，各地面站还需要根据所使用的测绘型GNSS接收天线，到官方机构查询该型号天线各频点相位中心对于天线参考点(Antenna Reference Point，ARP)的坐标偏差，从而得到各频点天线相位中心的具体坐标。

对于导航卫星，可以根据其官方网站的数据查找卫星参考坐标框架下的相位中心偏移，对于不同系统不同类型的卫星，该偏离量一般都不同。卫星天线相位旋转可以通过卫星位置与接收机位置计算出来。

引起站点坐标变化的地球固体潮、地球自转效应和海洋填充效应需要本地站经纬度坐标，太阳与月球在地固坐标系的位置向量，地球自转参数、海洋潮汐参数按照经典的精密单点定位相关公式计算得到。

将误差修正后的本地与卫星系统时差进行站间交换。本站在发送数据的同时，接收对方站发送的时差，将两站时差数据对齐后即可实现实时时间传递。

实时星历与最终星历相比，数据格式定义不同，发播获取方式不同，数据周期不同、数据处理方法、数据产品的使用方法也不同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种基于精密单点定位技术的实时时间传递方法，其特征在于，所述时间传递方法包括以下步骤：

S1：接收卫星信号，所述卫星信号包括伪距数据、载波相位数据和星历与星钟原始数据；

S2：采集实时星历与星钟修正数据；

S3：计算精密星历与星钟数据；

S4：计算本地时间与卫星系统时间的精密时差；

S5：对各误差因素引起的时差进行修正；

S6：交换两站时差数据，完成时间传递。

2.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，测量型GNSS接收模块接收卫星信号。

3.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，网络通讯模块接收网络发播的实时星历与星钟修正数据。

4.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401：对所述载波相位数据进行周跳探测与修复；

S402：对所述载波相位数据进行非差整周模糊度解算；

S403：计算本地时间与卫星系统时间的精密时差。

6.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，利用精密单点定位得到解算结果后，对各信号接收频点的天线相位中心偏移引起的误差进行修正，对卫星天线相位的旋转效应引起的延时进行修正，对地球固体潮、地球自转和海洋填充效应引起的天线坐标变化进行修正。

7.根据权利要求1所述的时间传递方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S603：计算A站、B站时间与卫星系统的时间偏差：

\{\begin{matrix} Δ T_{A} = T_{A} - T_{S y s} \\ {ΔT}_{B} = T_{B} - T_{S y s} \end{matrix};

S604：计算A站与B站的时间差：

\begin{matrix} {ΔT}_{A B} = T_{A} - T_{B} \\ = (T_{A} - T_{S y s}) - (T_{B} - T_{S y s}) \\ = {ΔT}_{A} - {ΔT}_{B} \end{matrix};