CN107390506A - 一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法，能够实时测量不同基线条件下的授时系统时间比对精度，在测量开始前需要精确标定导航信号接收设备、导航信号接收设备天线、天线线缆及授时系统、授时系统天线、天线线缆的设备时延并对天线的相位中心进行精确标定，通过导航信号接收设备输出的原始观测数据及时间间隔测量设备输出的钟差数据等信息实现了实时的钟差数据解算，解决了不同基线条件下无钟差真值及测量实时性的问题，实现了不同基线条件的授时系统时间比对精度的实时测量。

Description

一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法

技术领域

本发明涉及卫星定位导航技术及时频测量领域，尤其涉及一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法。

背景技术

统一的时间基准是多用户间协同工作的前提和保证，授时系统通过接收空间导航信号将内部时钟溯源至卫星时钟，并向不同接入用户提供时钟服务，接入用户时间基准的一致性由授时系统的性能决定。

授时系统对用户输出的时钟信号一般包含秒脉冲信号，对于处于同地多个授时系统，可通过时间间隔测量设备直接测量多个授时系统间的时间比对精度，对于处于异地的多个授时系统则无法使用该方法完成测量。

处于异地的多个授时系统时间比对精度测量的方法有搬运钟法、共视法、光纤法、卫星双向法等。

搬运钟法是指采用高稳的时钟源作为基准，将时钟源依次运输至待测的授时系统处，高稳的时钟源对运输条件及环境要求较高，时钟源的稳定性在连续运输过程中很难得到有效保证，所以该方法可行性较差。

共视法是指在同一观测时刻观测相同卫星，再通过数据交换完成用户间时间的比对，该方法输出的时间比对结果最小间隔为16分钟且输出结果经过平滑取中值得到，实时性差，不能完全反应时钟状态，但对于授时系统时间比对精度的测量具有一定的借鉴意义。

光纤法是指通过光纤作为时间比对信号传输介质，完成双向时间比对，该方法受光纤链路的铺设影响，不能完全满足任意位置授时系统时间比对精度的测量。

双向法是指通过地球同步轨道卫星转发时间比对信号，完成双向时间比对，该方法受地球同步轨道卫星资源影响，不能完全满足任意位置授时系统时间比对精度的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法。

本发明人的目的是这样实现的，一种授时系统时间比对精度的实时测量装置，包括天线，接收空间导航信号；导航信号接收设备，输入频率及秒脉冲信号，且秒脉冲信号作为接收设备内部测量参考，输出秒脉冲信号，该信号为实际接收设备内部测量基准，输出原始观测数据；时频信号产生设备，产生高稳的时频信号；时间间隔测量设备，测量秒脉冲信号的时间间隔；计算机，完成数据采集及处理。

一种授时系统时间比对精度的实时测量装置，包括天线101、导航信号接收设备102、时频信号产生设备103、时间间隔测量设备104和计算机105；

天线101，用于接收空间导航信号，该信号经天线线缆传输至导航信号接收设备102；

导航信号接收设备102，用于接收时频信号产生设备103输出的频率信号及秒脉冲信号，将频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，完成空间导航信号的处理，得到原始观测数据，将原始观测数据输出至计算机105，并输出经延时后的实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备104；

时频信号产生设备103，用于产生高稳的频率信号和秒脉冲信号，将频率信号输出至导航信号接收设备102和时间间隔测量设备104；将秒脉冲信号输出至导航信号接收设备102；时频信号产生设备103内部频标为原子频标；

时间间隔测量设备104，用于接收导航信号接收设备102输出的秒脉冲信号以及授时系统输出的秒脉冲信号，利用频率信号作为测量基准测量至少两路秒脉冲信号的时差，并输出至计算机105；

计算机105，用于完成导航信号接收设备102和时间间隔测量设备104的数据采集及处理。

一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，包括以下步骤：

(1)本地和异地分别设置如权利要求1所述的授时系统时间比对精度的实时测量装置，并分别将本地和异地的时频信号产生设备加电待锁定后开始；所述的实时测量装置包括天线、导航信号接收设备、时频信号产生设备、时间间隔测量设备和计算机；

(2)本地和异地的导航信号接收设备分别接入时频信号产生设备的频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，并分别通过导航信号接收设备天线接收空间导航信号，分别输出实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备；此时导航信号接收设备显示使用外部时频信号；

(3)使用精密单点定位的方法分别标定本地和异地的导航信号接收设备天线的相位中心，并分别设置导航信号接收设备进入固定点模式并输入相位中心的位置坐标；

(4)本地和异地的待测授时系统分别通过授时系统天线接收空间导航信号并分别输出秒脉冲信号至时间间隔测量设备；

(5)本地和异地的导航信号接收设备分别完成空间导航信号的处理得到原始观测数据，存入计算机；本地和异地的时间间隔测量设备分别测量导航信号接收设备和授时系统的秒脉冲信号的时差，并存入计算机；所述的原始观测数据包含伪距、载波相位、载噪比和星历；

(6)利用本地和异地的计算机存储的原始观测数据以及标定好的导航信号接收设备天线的相位中心，通过高精度数据处理方式得到本地和异地的导航信号接收设备的时差；

(7)根据本地和异地的导航信号接收设备的时差、本地导航信号接收设备与本地授时系统的时差以及异地导航信号接收设备与异地授时系统的时差，计算得到本地和异地的授时系统的时差。

其中，测量开始前分别将本地和异地的导航信号接收设备天线及授时系统天线放置于开阔无遮挡处，且导航信号接收设备天线及授时系统天线距离不超过1米。

其中，在测量开始前分别精确标定本地和异地的导航信号接收设备、导航信号接收设备天线、导航信号接收设备天线线缆、授时系统、授时系统天线和授时系统天线线缆的设备时延。

其中，步骤(6)具体包括以下步骤：

(601)分别选取本地和异地的可见导航卫星的伪距，并分别利用载波相位信息进行平滑；

(602)分别根据本地和异地的原始观测数据计算本地和异地的发射时刻，并获得发射时刻可见导航卫星的卫星轨道位置；

(603)本地和异地分别利用标定好的导航信号接收设备天线的相位中心与卫星轨道位置计算几何距离；

(604)本地和异地分别利用平滑后的伪距和几何距离扣除空间各类误差项后得到本地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差以及异地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差；

(605)选取本地和异地共同可见导航卫星，并确定权重，分别得到本地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差以及异地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差，从而得到本地和异地的导航信号接收设备的时差。

其中，步骤(7)的计算方法为：

T4-T2＝(T4-T3)-(T2-T1)+(T3-T1)；

其中，T2-T1为本地的导航信号接收设备和授时系统的秒脉冲信号的时差，T4-T3为异地的导航信号接收设备和授时系统的秒脉冲信号的时差，T3-T1为本地和异地的导航信号接收设备的时差，T4-T2为本地和异地的授时系统的秒脉冲信号的时差。

其中，步骤(602)中卫星轨道位置根据原始观测数据计算得到或使用精密星历插值获得。

其中，步骤(1)中时频信号产生设备内部为原子频标。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(1)本发明提出的一种授时系统时间比对精度的实时测量装置，解决了授时系统时间比对精度在不同基线条件下的测量问题。

(2)本发明提出的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，解决了授时系统时间比对精度实时高精度测量的问题，具有较强的工程可实现性，具有实用性的特点。

附图说明

图1是本发明的一种授时系统时间比对精度的实时测量装置。

图2是本发明的一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和图2来详细说明本发明的实施例。

本发明的目的在于解决不同基线条件下授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法。

图1是一种授时系统时间比对精度的实时测量装置，包括：

天线101，用于接收空间导航信号，该信号经天线线缆传输至导航信号接收设备102；

导航信号接收设备102，用于接收时频信号产生设备103输出的频率信号及秒脉冲信号，将频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，完成空间导航信号的处理，得到原始观测数据，将原始观测数据输出至计算机105，并输出经延时后的实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备104；

时频信号产生设备103，用于产生高稳的频率信号和秒脉冲信号，将频率信号输出至导航信号接收设备102和时间间隔测量设备104；将秒脉冲信号输出至导航信号接收设备102；时频信号产生设备103内部频标为原子频标；

时间间隔测量设备104，1通道用于接收导航信号接收设备102输出的秒脉冲信号，2通道接收授时系统输出的秒脉冲信号，利用频率信号作为测量基准测量至少两路秒脉冲信号的时差，并输出至计算机105；

计算机105，用于完成导航信号接收设备102和时间间隔测量设备104的数据采集及处理。

图2是一种授时系统时间比对精度的实时测量装置和方法示意图，设A地为本地，B地为异地；包括步骤：

(1)本地和异地分别设置如权利要求1所述的授时系统时间比对精度的实时测量装置，并分别将本地和异地的时频信号产生设备加电待锁定后开始；所述的实时测量装置包括天线、导航信号接收设备、时频信号产生设备、时间间隔测量设备、计算机和导航信号接收设备天线线缆；

测量开始前分别精确标定本地和异地的导航信号接收设备、导航信号接收设备天线、导航信号接收设备天线线缆、授时系统、授时系统天线和授时系统天线线缆的设备时延；并分别将本地和异地的导航信号接收设备天线及授时系统天线放置于开阔无遮挡处，且导航信号接收设备天线及授时系统天线距离不超过1米；

(2)本地和异地的导航信号接收设备分别接入时频信号产生设备的频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，电缆记为L1、L2、L6、L7；并分别通过导航信号接收设备天线接收空间导航信号，分别输出实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备1通道；记为T1、T3，电缆记为L3、L8，此时导航信号接收设备显示使用外部时频信号；

(3)使用精密单点定位的方法分别标定本地和异地的导航信号接收设备天线的相位中心，并分别设置导航信号接收设备进入固定点模式并输入相位中心的位置坐标；

(4)本地和异地的待测授时系统分别通过授时系统天线接收空间导航信号并分别输出秒脉冲信号至时间间隔测量设备2通道；记为T2，T4电缆记为L4、L9；

(5)本地和异地的导航信号接收设备分别完成空间导航信号的处理得到原始观测数据，存入计算机；本地和异地的时间间隔测量设备一一对应通过电缆L5、L10接收时频信号产生设备的时频信号作为内部参考，分别测量导航信号接收设备和授时系统的秒脉冲信号的时差，并存入计算机；所述的原始观测数据包含伪距、载波相位、载噪比和星历；

(6)利用本地和异地的计算机存储的原始观测数据以及标定好的导航信号接收设备天线的相位中心，通过高精度数据处理方式得到本地和异地的导航信号接收设备的时差T1-T3；

(7)根据本地和异地的导航信号接收设备的时差、本地导航信号接收设备与本地授时系统的时差以及异地导航信号接收设备与异地授时系统的时差，计算得到本地和异地的授时系统的时差T4-T2。其中，(T4-T3)-(T2-T1)＝(T4-T2)-(T3-T1)即T4-T2＝(T4-T3)-(T2-T1)+(T3-T1)，对T4-T2计算授时系统时间比对精度，其中T4-T3、T2-T1为时间间隔测量设备记录的钟差信息，T3-T1为通过步骤(6)计算得到的钟差值。

其中，电缆L1、L2、L5、L6、L7、L10等长，电缆L3、L4、

L8、L9等长；

其中，一般设置1通道为触发通道，也可根据实际情况设置时间间隔测量设备的触发通道。

其中，步骤(6)具体包括以下步骤：

(601)分别选取本地和异地的可见导航卫星的伪距，并分别利用载波相位信息进行平滑；

(602)分别根据本地和异地的原始观测数据计算本地和异地的发射时刻，并获得发射时刻可见导航卫星的卫星轨道位置；

(603)本地和异地分别利用标定好的导航信号接收设备天线的相位中心与卫星轨道位置计算几何距离；

(604)本地和异地分别利用平滑后的伪距和几何距离扣除空间各类误差项后得到本地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差T1-Ti…T1-Tn，其中i～n为可见卫星编号；以及异地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差T3-Ti’…T3-Tn’，其中i’～n’为可见卫星编号；

(605)选取本地和异地共同可见导航卫星Ts，并确定权重，分别得到本地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差以及异地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差得到T1-Ts及T3-Ts，从而得到本地和异地的导航信号接收设备的时差T1-T3。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种授时系统时间比对精度的实时测量装置，其特征在于，包括天线(101)、导航信号接收设备(102)、时频信号产生设备(103)、时间间隔测量设备(104)和计算机(105)；

天线(101)，用于接收空间导航信号，该空间导航信号经天线线缆传输至导航信号接收设备(102)；

导航信号接收设备(102)，用于接收时频信号产生设备(103)输出的频率信号及秒脉冲信号，将频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，完成空间导航信号的处理，得到原始观测数据，将原始观测数据输出至计算机(105)，并输出经延时后的实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备(104)；

时频信号产生设备(103)，用于产生高稳的频率信号和秒脉冲信号，将频率信号分别输出至导航信号接收设备(102)和时间间隔测量设备(104)；将秒脉冲信号输出至导航信号接收设备(102)；其中，时频信号产生设备(103)内部频标为原子频标；

时间间隔测量设备(104)，用于接收导航信号接收设备(102)输出的秒脉冲信号以及授时系统输出的秒脉冲信号，利用频率信号作为测量基准测量至少两路秒脉冲信号的时差，并输出至计算机(105)；

计算机(105)，用于完成导航信号接收设备(102)和时间间隔测量设备(104)的数据采集及处理。

2.一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)本地和异地分别设置如权利要求1所述的授时系统时间比对精度的实时测量装置，并分别将本地和异地的时频信号产生设备加电待锁定后开始；所述的实时测量装置包括天线、导航信号接收设备、时频信号产生设备、时间间隔测量设备和计算机；

(2)本地和异地的导航信号接收设备分别接入时频信号产生设备的频率信号及秒脉冲信号作为内部测量参考，并分别通过导航信号接收设备天线接收空间导航信号，分别输出实际内部测量的秒脉冲信号至时间间隔测量设备；此时导航信号接收设备显示使用外部时频信号；

(3)使用精密单点定位的方法分别标定本地和异地的导航信号接收设备天线的相位中心，并分别设置导航信号接收设备进入固定点模式并输入相位中心的位置坐标；

(4)本地和异地的待测授时系统分别通过授时系统天线接收空间导航信号并分别输出秒脉冲信号至时间间隔测量设备；

(5)本地和异地的导航信号接收设备分别完成空间导航信号的处理得到原始观测数据，存入计算机；本地和异地的时间间隔测量设备分别测量导航信号接收设备和授时系统的秒脉冲信号的时差，并存入计算机；所述的原始观测数据包含伪距、载波相位、载噪比和星历；

(6)利用本地和异地的计算机存储的原始观测数据以及标定好的导航信号接收设备天线的相位中心，通过高精度数据处理方式得到本地和异地的导航信号接收设备的时差；

(7)根据本地和异地的导航信号接收设备的时差、本地导航信号接收设备与本地授时系统的时差以及异地导航信号接收设备与异地授时系统的时差，计算得到本地和异地的授时系统的时差。

3.根据权利要求2所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，测量开始前分别将本地和异地的导航信号接收设备天线及授时系统天线放置于开阔无遮挡处，且导航信号接收设备天线及授时系统天线距离不超过1米。

4.根据权利要求2所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，在测量开始前分别精确标定本地和异地的导航信号接收设备、导航信号接收设备天线、导航信号接收设备天线线缆、授时系统、授时系统天线和授时系统天线线缆的设备时延。

5.根据权利要求2所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，步骤(6)具体包括以下步骤：

(601)分别选取本地和异地的可见导航卫星的伪距，并分别利用载波相位信息进行平滑；

(602)分别根据本地和异地的原始观测数据计算本地和异地的发射时刻，并获得发射时刻可见导航卫星的卫星轨道位置；

(603)本地和异地分别利用标定好的导航信号接收设备天线的相位中心与卫星轨道位置计算几何距离；

(604)本地和异地分别利用平滑后的伪距和几何距离并扣除空间各类误差项后，分别得到本地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差以及异地的导航信号接收设备与各个可见导航卫星的时差；

(605)选取本地和异地共同可见导航卫星，并确定权重，分别得到本地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差以及异地的导航信号接收设备与各个共同可见导航卫星的时差，从而得到本地和异地的导航信号接收设备的时差。

6.根据权利要求2所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，步骤(7)的计算方法为：

T4-T2＝(T4-T3)-(T2-T1)+(T3-T1)；

式中，T2-T1为本地的导航信号接收设备和授时系统的时差，T4-T3为异地的导航信号接收设备和授时系统的时差，T3-T1为本地和异地的导航信号接收设备的时差，T4-T2为本地和异地的授时系统的时差。

7.根据权利要求5所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，步骤(602)中卫星轨道位置根据原始观测数据计算得到或使用精密星历插值获得。

8.根据权利要求2所述的一种授时系统时间比对精度的实时测量方法，其特征在于，步骤(1)中时频信号产生设备内部为原子频标。