CN107390510B - 基于相位观测值的北斗导航卫星精密授时统一方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相位观测值的北斗导航卫星精密授时统一方法，建立了基于相位观测值的北斗单站非差精密授时模型；建立了基于相位观测值的北斗多站非差精密授时模型；实现了基于相位观测值的北斗导航卫星单站、多站非差精密授时统一的方法，实现了卫星非差精密授时数据处理方法的统一。本发明可以实现单站、多站非差精密授时的无缝链接，提高了授时的稳定性和连续性，同时基于高精度相位观测值大大提升了授时的精度。

Description

基于相位观测值的北斗导航卫星精密授时统一方法

技术领域

本发明涉及一种卫星精密授时技术方法。

背景技术

卫星授时的数据处理方法主要分为单站和多站两种。基于多站的共视法卫星授时技术主要是利用两台GNSS接收机对同一颗卫星进行观测，通过站间单差的方式消除共同误差最终实现授时工作，而基于非差载波相位观测值进行的单站授时是通过利用观测值的非差组合，同时对多种误差源的精细化处理完成最终的卫星授时。上述两种常用的卫星授时方法基于不同的数据处理模型，数据处理独立性强，不能实现多种授时观测数据的统一化处理，既增加了数据处理的复杂性，又降低了工作效率。同时对于同一时间频率用户的不同时期，或者不同时间频率用户而言，不同的数据处理模型将无法实现两种方法之间的无缝切换，因此在复杂多变的外部环境和需求的情况下不能保证卫星授时的准确性和连续性，这也是卫星授时在实际应用中的急需解决的瓶颈问题。开展基于相位观测值的北斗导航卫星单站、多站非差精密授时统一方法研究将显著提升北斗卫星授时的性能，更好的服务于国防军事、国计民生等行业应用，推进北斗卫星授时性能的追赶与超越。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于相位观测值的北斗单站、多站非差精密授时统一模型，能够实现多种授时观测数据的统一化处理，既降低了数据处理的复杂性，又提高了工作效率；同时能够保证卫星授时的准确性和连续性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括非差观测值中各项误差的高效修正、非差综合误差改正数提取和单站、多站统一的非差精密授时三步。

第一步，通过观测值组合、模型校正和参数估计、手段对卫星星历误差、电离层误差、对流层误差、固体潮、海潮、极移、地球自转、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕误差进行修正；

第二步，在多站情况下根据基准站坐标获得误差修正后的星地观测距离和实际距离的差值，即为伪距和相位观测值的非差综合误差改正数；

第三步，对于没有基准站支持的用户，进行观测误差的修正，用户站基于非差精密单点定位的模型求解得到接收机钟差，与标准时间以及标准时间与北斗系统时间偏差进行融合，得到单站非差精密授时结果；对于有基准站支持的用户，用户站使用基准站提供的非差综合误差改正数进行基准站改正的PPP求解，得到基准站和用户接收机钟差值，再与标准时间比对，得到多站非差精密授时结果；若用户使用基准站改正数，即实现多站非差精密授时，若用户不使用基准站改正数，即实现单站非差精密授时。

本发明的有益效果是：

第一，实现了单站、多站非差精密授时数据处理模型的统一。本发明将单站PPP授时和多站共视授时两种数据处理模型进行了有机统一，实现了精密授时数据处理的无缝链接。基于统一的数据处理模型，即可实现PPP授时和共视授时两种功能。

第二，实现了单站、多站精密授时服务的统一。对于同一时间频率用户的不同时期，或者不同时间频率用户而言，统一的数据处理模型将可以实现两种授时服务的融合统一，因此在复杂多变的外部环境和需求的情况下能更好的保证卫星授时的准确性和连续性

第三，大大提升了授时的性能。本发明中精密授时解算采用高精度的相位观测值，相比传统的伪距观测值授时，将大大提升授时的性能。

附图说明

图1是北斗导航卫星单站、多站非差精密授时统一方法实施框图；

图2是非差综合误差改正数提取流程图；

图3是单站、多站非差精密授时数据处理流程图。

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。

本发明将单站非差PPP授时和多站共视授时两种授时方法进行了有机融合，实现了精密授时数据处理和应用服务的统一。基于统一的模型，授时用户不仅可以实现单站、多站非差精密授时的无缝链接，提高了授时的稳定性和连续性，同时基于高精度的相位观测值大大提升了授时的精度。本发明为提升北斗卫星授时的精度和可靠性，更好的服务于国防、军事、电力、通信、银行等行业应用具有重要价值。

本发明包括非差观测值中各项误差的高效修正、非差综合误差改正数提取和单站、多站统一的非差精密授时三步。

第一步，非差观测值误差高效修正

本发明通过观测值组合、模型校正和参数估计、手段对卫星星历误差、电离层误差、对流层误差、固体潮、海潮、极移、地球自转、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕误差进行精细修正。

第二步，非差综合误差改正数提取

在多站情况下，因基准站固定且坐标准确已知，若不考虑观测残差，则可以获得扣除模型化误差(指第一步中误差修正)后星地观测距离和实际距离的差值，即为伪距和相位观测值的非差综合误差改正数。

第三步，单站、多站非差精密授时

①单站非差精密授时：

对于没有基准站支持的用户，进行观测误差的高效修正，用户站基于非差精密单点定位的模型，可以求解得到接收机钟差(用户当地时与北斗系统时的偏差)，与标准时间以及标准时间与北斗系统时间偏差进行融合，得到单站非差精密授时结果。

②多站非差精密授时：

对于有基准站支持的用户，用户站可以使用基准站提供的非差综合误差改正数，进行基准站改正的PPP求解，得到基准站和用户接收机钟差值，再与标准时间比对，得到多站非差精密授时结果。

③单站、多站非差授时统一模型：

因单站和多站非差精密授时模型中各项误差改正和参数估计具有相同特性，可以合并为统一的模型。若用户使用基准站改正数，即可以实现多站非差精密授时，若用户不使用基准站改正数，即可以实现单站非差精密授时。

本发明的具体实现分为三步：

①产品端：基于全球或区域基准站的北斗观测数据，进行解算分析，得到全球或区域精密产品(卫星轨道、钟差、电离层产品，由分析中心提供，不属于本发明范畴)，同时，产品端基于基准站的观测数据强约束测站坐标，求解得到基准站上的非差综合误差改正数和北斗卫星端的相位小数偏差产品。

②用户端：用户基于接收到的精密产品和本机的观测数据进行非差精密授时统一解算。若是仅采用本站观测数据，即是单站非差授时解算，可以基于产品中心提供的非差相位小数产品进行模糊度归整与固定，得到模糊度为固定解的单站非差精密授时结果；若是采用本站观测数据和基准站的非差综合误差改正数，即是多站非差授时解算，可以采取星间单差模式进行模糊度归整与固定，得到模糊度为固定解的多站非差精密授时结果。

③服务端：基于用户端单站、多站非差精密授时解算的结果，与国家授时中心提供的标准时间产品进行比对和统一，得到最终的用户授时产品，提供BDS授时服务。

本发明的技术方案主要包括三个核心技术：

(1)非差观测值误差高效修正技术

对于非差精密授时技术，首要的是解决各项误差的高效修正。本发明通过观测值组合、模型校正、参数估计等手段对卫星星历误差、电离层误差、对流层误差、固体潮、海潮、极移、地球自转、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕等误差进行精细修正，具体措施如下：电离层延迟采用双频无电离层组合观测消除低阶项，高阶项误差忽略不计；对流层延迟误差可采用经验模型进行改正，其残余部分采用分段常数或随机游走模型进行估计。因用户端采用双频无电离层组合观测，与精密产品解算策略自洽，无需考虑DCB的影响。卫星星历误差考虑使用精密星历产品改正，接收机钟差当作高斯白噪声处理。固体潮、海潮、极移、相对论效应、地球自转、天线相位中心偏差及变化、相位缠绕等采用对应的经验模型改正，其多路径效应暂时没有可靠模型或方法校正，可以当作观测噪声处理。

(2)非差综合误差改正数提取技术

采用非差精密单点定位技术，其无电离层组合观测方程可以表达为以下形式：

P＝ρ+c·dt+d_trop+M_P+ε_P (1)

Φ＝ρ+c·dt+d_trop+M_Φ+N+ε_Φ (2)

其中，P为伪距码观测值；Φ为载波相位观测值；ρ为站星间几何距离；c为光速；dt为接收机钟差；d_trop为对流层延迟；M为各种误差的总和；N为无电离层组合模糊度；ε为测量噪声。

将方程(1)、(2)中部分误差模型化后，并将其线性化，可以写成如下形式：

其中，角标r为参考站标识，角标P，Φ分别代表伪距和相位，，L为观测值，model表示可以模型化的误差，包括潮汐、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕、硬件延迟偏差。unmodel表示非模型化误差，包括星历残差，大气残差和多路径误差。A为卫星和测站间的单位旋转矩阵，B为光速系数，C为波长系数，符号表示L的更新值。

因基准站的测站坐标准确已知，若不考虑观测残差，则可以获得扣除模型化误差后星地观测距离和实际距离的差值δV，即是非差综合误差改正数。

其数据处理流程如图2所示。首先，基于国内各分析中心公布的精密卫星轨道和钟差产品和测站的准确坐标信息，对基准站的观测数据进行预处理(轨道、钟差有效性检查，数据完整性检查，粗差剔除和周跳信息探测)，得到干净的数据和模糊度的周跳信息，其次，基于方程(5)和(6)分别提取得到伪距和相位的非差综合误差改正信息。

(3)单站、多站非差精密授时统一模型建立

对于模型建立，首先是函数模型的建立，主要工作是各项观测误差的精密处理和参数解算策略，其次是随机模型，可根据伪距、相位观测值和模型精度，并配合卫星高度角进行综合确定。其具体的模型如下：

①单站非差授时模型：

L_uP＝A_uX_u+B_udt_u+d_utrop+model_uP+unmodel_uP+ε_uP (7)

L_uφ＝A_uX_u+B_udt_u+C_uN_u+d_utrop+model_uφ+unmodel_uφ+ε_uφ (9)

其中，u为用户站标识。采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行参数估计，未知参数为测站坐标、接收机钟差、对流层残差和模糊度。测站坐标进行强约束估计，接收机钟差当作白噪声处理，对流层参数采用分段常数估计，模糊度参数在连续无异常弧段当作常数处理。

②多站非差授时模型：

基于方程(7)和(9)，用户站在扣除模型化误差后，其方程可以改写成如下形式：

基于参考站非差综合误差信息改正后，其用户站的非差精密授时模型可以写成如下形式：

当基准站与用户站观测相同的卫星时，有如下等式关系。

B_u＝B_r (15)

C_u＝C_u (16)

因此，方程(13)和(14)可以改写成如下形式：

定义如下变量：

Δdt＝dt_u-dt_r (19)

ΔN＝N_u-N_r (20)

Δd_trop＝d_utrop*d_rtrop (21)

Δunmodel_P＝unmodel_uP-unmodel_rP (22)

Δunmodel_φ＝unmodel_uφ-unmodel_rΦ (23)

则方程(17)和(18)可以改写成如下形式：

基于基准站的非差综合误差改正数和式(26)，(27)，采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行参数估计，未知参数为测站坐标，接收机钟差之差，对流层残差之差和模糊度之差。测站坐标进行强约束估计，接收机钟差之差当作白噪声处理，对流层残差之差采用分段常数估计，模糊度之差在连续无异常弧段当作常数处理。

③单站、多站非差授时统一模型：

基于前面的分析，单站和多站非差精密授时模型中各项误差改正和参数估计具有相同特性，可以合并为统一的模型：

L_uP＝A_uX_u+B_udt_u+d_utrop+model_uP+correction_rP+unmodel_uP+ε_uP (30)

L_uφ＝A_uX_u+B_udt_u+C_uN_u+d_utrop+model_uφ+correction_rφ+unmodel_uφ+ε_uφ (32)

其中，correction_rP和correction_rφ代表基准站上提取的伪距和相位非差综合误差改正数。基于式(32)、(33)，可以采用单站或多站授时相同的参数估计策略进行授时解算。对于单站授时，correction_rP＝0，correction_rφ＝0。具体实现流程如图3所示。首先，进行用户观测数据的预处理，其方式与基准站一样，，识别一些粗差、异常数据，并标记周跳信息。第二步，进行误差的模型改正，方法与基准站处理一样，并进行参数估计。第三步，基于非差相位小数产品或星间单差投影，进行模糊度的归整与固定估计(浮点解模糊度经过非差相位小数产品校正或经过星间单差投影后，具有整数特性，可以采用自然取整或lambda搜索方法进行固定，得到模糊度为固定解的授时结果)。第四步，基于基准时间产品和用户解算的授时结果进行融合，得到最终的单站、多站授时产品。

Claims (1)

1.一种基于相位观测值的北斗导航卫星精密授时统一方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，通过观测值组合、模型校正和参数估计对卫星星历误差、电离层误差、对流层误差、固体潮、海潮、极移、地球自转、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕误差进行修正；

第二步，在多站情况下根据基准站坐标获得误差修正后的星地观测距离和实际距离的差值，即为伪距和相位观测值的非差综合误差改正数；

第三步，对于没有基准站支持的用户，进行观测误差的修正，用户站基于非差精密单点定位的模型求解得到接收机钟差，与标准时间以及标准时间与北斗系统时间偏差进行融合，得到单站非差精密授时结果；对于有基准站支持的用户，用户站使用基准站提供的非差综合误差改正数进行基准站改正的PPP求解，得到基准站和用户接收机钟差值，再与标准时间比对，得到多站非差精密授时结果；若用户使用基准站改正数，即实现多站非差精密授时，若用户不使用基准站改正数，即实现单站非差精密授时。