CN107579794B - 一种基于北斗geo导航卫星的精密共视时间频率传递方法 - Google Patents
一种基于北斗geo导航卫星的精密共视时间频率传递方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于北斗GEO导航卫星的精密共视时间频率传递方法，参与时间频率传递的两观测站使用接收机接驳待测原子钟，记录接收机采集的数据；提取两观测站能够同时观测的任一颗北斗GEO卫星观测数据，对该观测数据进行预处理，根据事先测定的观测站坐标和获得的星历计算星地距离并修正误差源的影响；根据观测方程解算两站接收机的组合电离层时延；从组合载波观测值中扣除组合电离层时延，获得初步钟差结果；对初步钟差结果进行历元间差分，获得两观测站的频率传递结果，进而获得时间传递结果。本发明提高了时间同步精度，减少了计算次数，无相位缠绕的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种远距离高精度时间频率传递方法。
背景技术
目前BIPM(Bureau International des Poids et Mesures，国际权度局)主要使用的远距离高精度时间频率传递方法主要有GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球卫星导航系统)单向，GNSS CV(Common View time transfer，共视时间传递)、GNSS AV(All in View time transfer，全视时间传递)，TW(TWSTFT，Two Way SatelliteTime and Frequency Transfer，卫星双向时间频率传递)，PPP(Time and frequencytransfer using the Precise Point Positioning method，精密单点定位时间频率传递)等技术，以及由此衍生的技术，如卫星双向技术联合PPP技术的TWPPP。
GNSS单向，包括GLN(GLONASS，俄国全球导航卫星系统)、GPS(Global PositioningSystem，美国全球导航卫星系统)，BD(北斗卫星导航系统)可以实现的A类不确定度为十纳秒级别。只有使用GPS P码(精码)才可以实现纳秒级别的A类不确定度，但是GPS精码未向普通民众开放。
GNSS CV通过两个测站同时观测同一颗卫星，完全消除卫星钟影响，部分消除卫星轨道和路径时延影响，从而实现时间频率传递。由于CV在长基线低俯仰角时时间频率传递精度会降低，BIPM又引入AV方法。AV方法中，各站使用其观测到的所有卫星数据，通过IGS提供的卫星钟差产品消除钟差影响，进而实现时间频率传递。该方法在长基线(>2000km)时间频率传递时效果优于CV，但是其精度受引入的IGS星钟产品精度影响。GNSS CV和AV在使用C/A码时，A类不确定度为3～5纳秒；仅在使用P3码(双频码进行线性的无电离层组合所获得组合码)才可以实现亚纳秒级(0.7纳秒)的时间传递精度。
GPS PPP方法使用载波观测数据和IGS提供的精密产品实现定位、授时以及时间频率传递。其A类不确定度可达0.3纳秒，但是B类不确定度为5纳秒。TW采用互发互收方式，通过链路对称来消除路径上的时延，其A类不确定度可达0.6～1纳秒，B类不确定度可达1纳秒。通过联合使用GPS PPP和TW技术，可以实现A类不确定度0.3纳秒、B类不确定度1纳秒的高精度时间频率传递。目前BIPM进行远距离链路间比对时主要采用的是TWPPP技术。但是不同于基于GNSS的技术(单向、CV、AV、PPP)，TW技术需要租用卫星转发器，且要求参与比对的测站均具有发射和接收卫星信号的能力，地面设备复杂昂贵。基于GNSS技术的时间传递方法只需要配备高精度的地面GNSS接收机即可。
除了上述BIPM采用的方法外，有学者提出了基于GPS载波相位数据的共视时间传递方法CP-CV(Carrier Phase–Common View)，该方法通过载波观测数据和共视法，可以实现亚纳秒级的时间频率传递。但是该方法和使用GPS载波数据的其他方法(PPP、TWPPP)都存在解算模糊度和修正相位缠绕的问题。模糊度(整周模糊度)是载波相位数据和基准相位之间的相位差的首次观测值所对应的整周未知数。模糊度的解算直接影响时间传递的精度。GPS使用MEO卫星组成星座，由于GPS卫星的运行周期大约为12小时，每天均存在不可见弧段。因此使用GPS载波数据时，每天每颗卫星至少需要解算两次模糊度。这影响了基于GPS载波相位技术的时间传递方法的应用。相位缠绕是由于卫星运行过程中姿态变化而引起的伪距、相位观测值的变化的现象，GPS卫星采用动态偏置姿态控制模式，北斗MEO/IGSO卫星采用动态偏置和零偏置两种姿态控制模式。在进行高精度的时间频率传递时，应考虑相位缠绕引入的影响。
发明内容
为了克服现有技术使用C/A码开展时间频率传递时仅能获得纳秒级精度、使用GPS及其他MEO导航卫星的载波相位数据开展时间传递时需要考虑相位缠绕引入的误差、使用GPS及其他MEO导航卫星的载波相位数据开展时间传递时需要大量解算模糊度等不足，本发明提供一种基于北斗地球静止轨道(GEO，geostationary)导航卫星的高精度时间频率传递方法，使用支持北斗系统的高精度GNSS接收机，利用其载波相位数据和IGS\iGMAS提供的精密轨道产品进行共视时间频率传递，其时间传递的A类不确定度可达亚纳秒级，同时，该方法观测的北斗GEO卫星相对于地球基本静止不动，可以开展长时间不间断的观测，一次观测期间只需解算一次初始模糊度；该方法观测的北斗GEO卫星全弧段采用零偏控制模式，无需考虑相位缠绕的影响。
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)参与时间频率传递的两观测站使用接收机接驳待测原子钟，记录接收机采集的数据；
(2)提取两观测站能够同时观测的任一颗北斗GEO卫星观测数据，对该观测数据进行预处理，包括粗差的剔除、周跳的探测和修复以及相位平滑伪距处理；
(3)根据事先测定的观测站坐标和获得的星历计算星地距离；
(4)基于对流层模型、地球固体潮模型、天线相位中心模型、相对论模型、卫星轨道修正星地距离计算过程中误差源的影响；
(5)计算观测方程系数矩阵其中，i代表观测的频点，γi为与相应频点i频率平方的倒数，I为组合倾斜电离层时延的一阶项，λi为i频点载波波长，Ci为i频点组合伪码观测值，φi为i频点组合载波观测值，Ni为i频点组合整周模糊度即初始模糊度，dtAB表示A、B两站之间的相对钟差，表示i频点伪码数据的观测噪声、表示i频点载波数据的观测噪声；根据观测方程解算两站接收机的组合电离层时延；
(6)从组合载波观测值中扣除组合电离层时延，获得初步钟差结果；
(7)对初步钟差结果进行历元间差分，获得两观测站的频率传递结果；
(8)若具备外部标定手段，通过外部标定手段解算两观测站的钟差，将获得的钟差和频率传递结果相减，获得初始模糊度Ni；从初步钟差结果中扣除初始模糊度，获得时间传递结果；若不具备外部标定手段，将在第五步过程中解算出的Ni作为初始模糊度。
本发明的有益效果是：
(1)采用载波相位数据开展高精度时间同步。伪码数据的精度为米级，载波相位数据的精度可达毫米量级。可以由此预见到，使用载波相位数据开展时间同步，其精度会优于仅使用伪距数据开展时间同步的精度。
(2)观测一颗北斗GEO卫星，由于GEO相对于地球基本静止不动，可以开展长时间不间断的观测。常规方法观测一颗或多颗MEO卫星，MEO卫星轨道周期大约为12小时，为保证观测的连续，需要频繁更换卫星。每次更换卫星均需要重新解算模糊度。本方法由于不间断观测一颗北斗GEO卫星，一次观测期间(可达数十天以上)只需解算一次初始模糊度，大大减少了模糊度的计算次数。
(3)GPS卫星采用动态偏置姿态控制模式，北斗MEO/IGSO卫星采用动态偏置和零偏置两种姿态控制模式。在动态偏置姿态控制模式下，卫星会不断地调整姿态，导致伪距和载波相位观测值发生变化，从而影响时间同步的精度。本方法观测的北斗GEO卫星全弧段采用零偏控制模式，无相位缠绕的影响。
附图说明
图1是零基线精密共视时间传递结果(横坐标为2015年的年积日，纵坐标为两站钟差，单位为ns)；
图2是零基线精密共视频率传递结果的修正阿伦方差；
图3是短基线精密共视时间传递结果(横坐标为2016年的年积日，纵坐标为两站钟差，单位为ns)；
图4是短基线精密共视频率传递和光纤双向结果的修正阿伦方差；
图5是长基线精密共视时间传递结果(横坐标为2016年的年积日，纵坐标为两站钟差，单位为ns)；
图6是长基线精密共视频率传递和卫星双向结果的修正阿伦方差；
图7是超长基线共视时间传递结果；
图8是超长基线精密共视频率传递和卫星双向结果的修正阿伦方差；
图9是本发明的方法流程图。
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。
本发明通过使用北斗GEO卫星的载波相位观测数据，使用iGMAS或IGS精密产品，可以实现远距离的站间精密共视频率传递。本发明特别针对静态接收机和高精度时间频率传递用户。本发明不仅可以消除卫星钟的影响，还可以消除卫星的频间偏差的影响，使用双频观测数据精确改正电离层，对流层使用对流层产品或模型改正，站坐标事先需精确测定。本发明的优点是，使用GEO卫星的数据可以实现区域网内的连续覆盖，只在接收机开机时有初始模糊度(而MEO卫星在每个弧段的开始都有一个初始模糊度)。本发明进行频率传递时，可以直接消除初始模糊度的影响；在进行时间传递时，可以通过其他手段进行标校的方法得出初始模糊度，或通过一次解算得到初始模糊度，观测期间无须再次解算模糊度。周跳问题可使用传统的周跳探测和修复方法。
本发明包括以下步骤：
(1)参与时间频率传递的两观测站使用测地型北斗GNSS接收机接驳待测原子钟，记录接收机采集的数据；
(2)提取两观测站能够同时观测的任一颗北斗GEO卫星观测数据，对该观测数据进行预处理，包括粗差的剔除、周跳的探测和修复以及相位平滑伪距处理；
(3)根据事先测定的厘米精度站坐标和由IGS或者iGMAS获得的精密星历，计算星地距离；
(4)基于对流层模型、地球固体潮模型、天线相位中心模型、相对论模型、卫星轨道修正星地距离计算过程中误差源的影响；
(5)计算观测方程系数矩阵其中，i代表观测的频点(北斗B1频点频率为1561.098MHz、B2频点频率为1207.140MHz)，γi为与相应频点i频率平方的倒数，I为组合倾斜电离层时延的一阶项，λi为i频点载波波长，Ci为i频点组合伪码观测值，φi为i频点组合载波观测值，Ni为i频点组合整周模糊度即初始模糊度，dtAB表示A、B两站之间的相对钟差，表示i频点伪码数据的观测噪声、表示i频点载波数据的观测噪声；根据观测方程解算(利用Kalman滤波技术估计)两站接收机的组合电离层时延；
(6)从组合载波观测值中扣除组合电离层时延，获得初步钟差结果；
(7)对初步钟差结果进行历元间差分，获得两观测站的频率传递结果；
(8)通过外部手段(卫星双向时间)同时解算这两站的钟差，将外部手段获得的钟差和(7)中获得的初步结果相减，获得初始模糊度Ni；从初步钟差结果中扣除初始模糊度，获得时间传递结果；
(9)如不具备外部标定手段，可将在第五步过程中解算出的Ni作为初始模糊度，一次观测期间的初始模糊度为一常整数。采用这一方法会降低时间传递的准确度。
本发明的实施例包括以下步骤：
一)参与时间频率传递的两观测站使用测地型北斗GNSS接收机接驳待测原子钟，记录接收机采集的数据；
二)提取两站可同时观测的任一颗北斗GEO卫星观测数据，对该观测数据进行预处理，包括粗差的剔除，周跳的探测和修复，相位平滑伪距处理。
三)根据事先测定的精密站坐标和由IGS或者iGMAS获得的精密星历，计算星地距离。
四)基于对流层模型、地球固体潮模型、卫星天线相位中心模型、相对论模型、卫星轨道修正误差源的影响。
五)计算观测方程系数矩阵，并解算两站接收机的组合电离层时延。观测方程的推导如下：
北斗伪距和相位观测方程如下：
其中S代表观测的卫星，r代表测站，i代表观测的频点，为r站观测S星i频点的伪码观测值，为r站到S星的星地几何距离，为r站观测S星为对流层时延，γi为与相应频点i频率平方的倒数(北斗B1频点频率为1561.098MHz，B2频点频率为1207.140MHz)，为r站观测S星的倾斜电离层时延的一阶项，dtr为测站r钟差，dts为卫星S钟差，为r站接收机i频点的伪码硬件时延，为S星i频点的伪码硬件时延，λi为i频点载波波长，为r站观测S星i频点的载波观测值，为r站观测S星i频点的整周模糊度，为r站i频点的相位硬件时延，为S星i频点的相位硬件时延，表示i频点伪码数据的观测噪声、表示i频点载波数据的观测噪声。
若待测站为A、B两站，观测同一颗北斗GEO卫星，那么其精密共视观测方程易从上式获得：
其中由于仅使用一颗卫星，略去卫星S。
对上式做如下替换，
I＝IA-IB
Ni＝NA,i-NB,i
dtAB＝dtA-dtB
则有：
其中，I为组合倾斜电离层时延的一阶项，Ci为i频点组合伪码观测值，φi为i频点组合载波观测值，Ni为i频点组合整周模糊度即初始模糊度，dtAB表示A、B两站之间的相对钟差。
由此建立了北斗GEO卫星精密共视时间传递频率方法的观测方程。获得观测数据和相应产品、修正后，可根据该观测方程获得时间传递结果。时间传递结果进行差分可获得频率传递结果。
六)将两站的载波相位观测数据进行差分，并扣除组合电离层影响，即观测方程中的I，获得初步钟差结果。
七)对初步钟差结果进行历元间差分，获得两观测站的频率传递结果。
八)通过外部手段(卫星双向时间)对初始模糊度进行标定，从初步钟差结果中扣除初始模糊度，即观测方程中的Ni，获得时间传递结果。
九)如不具备外部标定手段，可将在第五步过程中解算出的Ni作为初始模糊度，一次观测期间的初始模糊度为一常整数。
为了验证本方法的性能，发明人开展了多次试验，下面依次介绍试验配置和结果。
(1)零基线试验
地点：中国科学院国家授时中心(临潼)-中国科学院国家授时中心(临潼)
试验时间：2015.10.15(DOY 288,MJD57310)至2015.10.19(DOY 292,MJD57313)(DOY,Day of Year,年积日)(MJD,Modified Julian Date,约化儒略日)
内容：试验架设两台天宝NET-R9接收机接同一面天线，接入中国科学院国家授时中心的钟组主钟(HP5071A)信号。试验使用北斗G3星观测数据。试验中使用120秒的理论0值对本方法的结果进行标校。
如图1所示，0基线时间传递结果的RMS(Root Mean Square，均方根)为0.13纳秒。由此认为本方法的A类不确定度可达0.3纳秒，与使用载波相位数据的其他技术一致。
如图2所示，0基线频率传递结果MDEV/2h可达约5e-14，MDEV/1d可达1e-15量级，与PPP频率传递的性能接近。
(2)短基线试验
地点：中国科学院国家授时中心(西安)-中国科学院国家授时中心(临潼)
试验时间：2016.3.30(DOY 90,MJD57477)至2016.4.23(DOY 114,MJD57502)
内容：两台天宝NET-R9接收机及其相关设备分别置于西安和临潼，分别接入临潼和西安的钟组主钟信号(HP5071A)。试验使用北斗G3星观测数据。试验中使用光纤双向前120秒的结果对本方法的结果进行标校。
为了便于区分，在光纤双向结果中增加了10ns。如图3所示，本方法与光纤双向方法的趋势基本一致。试验期间，卫星发生两次机动。机动期间钟差数据不可用，但是接收机并未失锁，无需重新计算初始模糊度。
如图4所示，圆形表示精密共视频率传递结果、三角表示光纤双向频率传递结果。由图可以看出精密共视频率传递MDEV/2h可达约1.3e-13，MDEV/1d可达1e-14量级，与光纤双向频率传递的性能接近，且在大部分Tau选取下都优于光纤双向结果。
(3)长基线试验
地点：中国科学院国家授时中心(西安)-三亚观测站
试验时间：2016.4.2(DOY 93,MJD57480)至2016.4.23(DOY 114,MJD57501)
内容：两台天宝NET-R9接收机及其相关设备分别置于西安和三亚，分别接入西安的钟组主钟(HP5071A)信号和三亚的原子钟(BM2101-01蓝宝石主动型氢原子频标)信号。试验使用北斗G3星观测数据。试验中使用卫星双向前120秒的结果对本方法的结果进行标校。
为了便于区分，在卫星双向结果中增加了100ns。如图5所示，本方法与卫星双向方法的趋势基本一致。试验期间，卫星发生一次机动。机动期间钟差数据不可用，但是接收机并未失锁，无需重新计算初始模糊度。需要指出的是，由于试验条件有限，卫星双向的持续时间为2016.4.2(DOY 93)至2016.4.13(DOY 104)。但这也说明，当卫星双向无法持续观测时，可通过本方法，实现时间频率的高精度传递。
如图6所示，圆形表示精密共视频率传递结果、三角表示卫星双向频率传递结果。由图可以看出精密共视频率传递MDEV/2h可达约1e-13，MDEV/1d可达1e-14量级，这一结果明显优于卫星双向的性能。
除西安-三亚之外，长基线试验还有西安-长春(OSA5585PRS)；西安-喀什(BM2101-01)，由于篇幅限制不详细列出。
(4)超长基线氢原子钟试验
地点：喀什观测站-三亚观测站
试验时间：2016.4.8(DOY 99,MJD57486)至2016.4.13(DOY 104,MJD57501)
内容：两台天宝NET-R9接收机及其相关设备分别置于喀什和三亚，基线长度达4000公里。分别接入喀什和三亚的原子钟(BM2101-01蓝宝石主动型氢原子频标)信号。试验使用北斗G2星观测数据。由于喀什和三亚之间没有卫星双向链路，我们使用西安-喀什，西安-三亚的双向结果联合获得三亚-喀什的间接双向结果。试验中使用其前120秒的结果对本方法的结果进行标校。本试验获得了6天连续的观测结果。由于两站均使用氢原子钟，其结果表现出的性能要比上述其他试验更好。
为了便于区分，在双向结果中增加了100ns，如图7所示，本方法与卫星双向方法的趋势基本一致。
如图8所示，在两站使用氢原子频标作为基准时，在4000公里级基线的频率传递中，MDEV/2h可达约1e-14，MDEV/1d可达1e-15量级。这一结果与使用铯原子频标的零基线结果相当。
表1试验结果统计表
试验的结果统计如表1所示，其中TWO表示光纤双向，TWS表示卫星双向。需要指出的是，三亚-喀什链路的RMS达到了1.22ns，我们认为其主要原因是由于其参考结果，即通过西安-喀什，西安-三亚间接获得的卫星双向精度较差(TDEV/2h仅为10ns)。同时，西安-喀什链路RMS较大(0.76ns)，也与其双向精度较差有关。
由上述结果可以看到，本方法在数天(0基线3天，短基线26天，长基线12天)的解算过程中仅需要解算一次初始模糊度，该初始模糊度可以通过外部手段标定或一次计算得出。而采用GPS等基于MEO的卫星的方法，必须通过观测多颗卫星的方法保证观测的持续，每天每颗星至少需解算两次模糊度。本方法的时间方差和修正阿伦方差均优于卫星双向。
Claims (1)
1.一种基于北斗GEO导航卫星的精密共视时间频率传递方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)参与时间频率传递的两观测站使用接收机接驳待测原子钟，记录接收机采集的数据；
(2)提取两观测站能够同时观测的任一颗北斗GEO卫星观测数据，对该观测数据进行预处理，包括粗差的剔除、周跳的探测和修复以及相位平滑伪距处理；
(3)根据事先测定的观测站坐标和获得的星历计算星地距离；
(4)基于对流层模型、地球固体潮模型、天线相位中心模型、相对论模型、卫星轨道修正星地距离计算过程中误差源的影响；
(5)计算观测方程其中，i代表观测的频点，γi为与相应频点i频率平方的倒数，I为组合倾斜电离层时延的一阶项，λi为i频点载波波长，Ci为i频点组合伪码观测值，φi为i频点组合载波观测值，Ni为i频点组合整周模糊度即初始模糊度，dtAB表示A、B两站之间的相对钟差，表示i频点伪码数据的观测噪声、表示i频点载波数据的观测噪声；根据观测方程解算两站接收机的组合倾斜电离层时延；
(6)从组合载波观测值中扣除组合倾斜电离层时延，获得初步钟差结果；
(7)对初步钟差结果进行历元间差分，获得两观测站的频率传递结果；
(8)若具备外部标定手段，通过外部标定手段解算两观测站的钟差，将获得的钟差和频率传递结果相减，获得初始模糊度Ni；从初步钟差结果中扣除初始模糊度，获得时间传递结果；若不具备外部标定手段，将在第五步过程中解算出的Ni作为初始模糊度。
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2017
- 2017-08-21 CN CN201710716881.0A patent/CN107579794B/zh active Active
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