CN108445518B - 一种基于双差模糊度固定解约束的gnss精密时间传递方法 - Google Patents

一种基于双差模糊度固定解约束的gnss精密时间传递方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于精密授时、时间同步和时频传递技术领域，具体涉及一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法。该GNSS精密时间传递方法包括，利用站间单差观测模型计算GNSS接收机相对钟差；将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定；计算基于双差模糊度固定解约束的接收机相对钟差。本发明利用GNSS伪距和载波相位观测值，使用站间单差观测模型，对接收机相对钟差进行估计。在此基础上，将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定。将固定的双差模糊度作为约束条件，改善单差模糊度浮点解的精度，从而提高时间传递的精度和可靠性。

Description

一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法
技术领域
本发明属于精密授时、时间同步和时频传递技术领域，具体涉及一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法。
背景技术
高精度时频技术是一个国家的重要技术支撑，广泛应用于国防军事、航空航天、现代通信、电力输配、金融证券、计量测试等领域。GNSS在精密时间传递领域具有广阔的应用和发展前景，在GNSS载波相位精密时间传递中，由于卫星端和接收机端硬件延迟和相位偏差的存在，非差和单差模糊度均不具有整数特性，因此难以固定。现有的GNSS载波相位精密时间传递方法中，一般都未固定整周模糊度，得到的时间传递结果为浮点解，时间传递的精度和可靠性较差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提出一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，以解决如何提高现有时间传递方法中时间传递的精度和可靠性较差问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，该精密时间传递方法包括如下步骤：
步骤1：利用站间单差观测模型计算GNSS接收机相对钟差；
步骤2：将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定；
步骤3：计算基于双差模糊度固定解约束的接收机相对钟差。
进一步地，步骤1具体包括：
步骤1.1：接收机采集GNSS观测值，所述观测值包括双频伪距和相位观测值；
步骤1.2：探测粗差并剔除观测值存在粗差的GNSS卫星；
步骤1.3：从两个GNSS接收机的观测值中寻找共视卫星；
步骤1.4：根据共视GNSS卫星的观测值，组建单差观测方程：
其中，P1,ab、P2,ab分别是L1、L2频率单差伪距观测值；L1,ab、L2,ab分别是L1、L2频率单差相位观测值；ρab是单差卫地距；tab是单差接收机钟差；f1、f2分别是L1、L2频率的频率；Iab是L1载波单差电离层延迟；Tab是单差对流层延迟；N1,ab是L1频率以周为单位的单差窄巷模糊度；NW,ab是以周为单位的单差宽巷模糊度；λ1、λ2分别是L1、L2频率的波长；a、b分别是接收机标识；i为卫星标识；
其中，P1、P2分别是L1、L2频率的非差伪距观测值；L1、L2分别是L1、L2频率的非差相位观测值；MD、MW分别是对流层干延迟投影函数和湿延迟投影函数；TD、TW分别是天顶对流层干延迟和湿延迟；(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)分别是接收机精确坐标，通过GNSS精密数据后处理的方法计算得到；(xi a,yi a,zi a)、(xi b,yi b,zi b)分别是GNSS卫星坐标，根据GNSS卫星轨道和钟差数据计算得到；
步骤1.5：改正GNSS观测值中的误差，得到改正后的单差观测值
步骤1.6：将接收机相对钟差、天顶对流层湿延迟、电离层延迟、窄巷和宽巷模糊度作为参数估计，得到误差方程：
V＝BX-l,D (1k)
其中，B是设计矩阵；X是待估参数向量；l是观测值向量；V是观测值残差向量；D是观测值向量权阵，根据观测值先验精度得到；
其中，是改正过各项误差后的伪距和相位观测值；n是卫星总数；分别为非差伪距和相位观测值的先验方差，根据非差伪距和相位观测值的先验标准方差和卫星高度角计算得到；
步骤1.7：探测卫星周跳，若是首历元，不需要探测周跳；对于发生周跳的卫星，将其模糊度参数作为新参数；
步骤1.8：得到第m个历元的法方程Gm＝HmX，其中：
步骤1.9：通过法方程叠加，得到整体法方程；若是首历元，不需要进行法方程叠加；第m(m≠1)个历元的整体法方程为Gm＝HmX，其中：
Gm＝Gm-1+Gm (1r)
Hm＝Hm-1+Hm (1s)
步骤1.10：对整体法方程求解，得到GNSS接收机相对钟差；方程的解为方差—协方差阵为
进一步地，步骤2具体包括：
步骤2.1：根据和得到单差模糊度浮点解XS及其方差—协方差阵
步骤2.2：将第k颗卫星选择为参考卫星；
步骤2.3：将单差模糊度投影为双差模糊度；双差模糊度的浮点解XD及其方差—协方差阵为：
XD＝CXS (2a)
其中，C为投影矩阵：
步骤2.4：使用LAMBDA方法搜索并固定双差模糊度。
进一步地，步骤3具体包括：
步骤3.1：根据双差模糊度固定解建立虚拟观测方程：
其中，是第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解；是第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解；
步骤3.2：根据双差模糊度固定解虚拟观测方程，得到虚拟误差方程：
VN＝BNXN-lN,DN (3c)
其中，BN是设计矩阵；XN是待估参数向量；lN是观测值向量；VN是观测值残差向量；DN是观测值向量权阵；
其中，为第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解的方差；为第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解的方差；
步骤3.3：得到双差模糊度固定解虚拟法方程：
步骤3.4：更新单差整体法方程，将单差整体法方程与双差模糊度固定解虚拟法方程叠加，得到基于双差模糊度固定解约束的单差整体法方程
步骤3.5：对更新后的单差整体法方程求解，得到基于双差模糊度固定解约束的解为方差—协方差阵为从中得到基于双差模糊度固定解约束的相对钟差对钟差。
进一步地，步骤1.5中，误差包括地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕、对流层干延迟。
进一步地，步骤3.2中，第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解的方差和第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解的方差为1×10-10～1×10-8。
(三)有益效果
本发明提出一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，该方法包括利用站间单差观测模型计算GNSS接收机相对钟差；将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定；计算基于双差模糊度固定解约束的接收机相对钟差。本发明利用GNSS伪距和载波相位观测值，使用站间单差观测模型，对接收机相对钟差进行估计。在此基础上，将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定。将固定的双差模糊度作为约束条件，改善单差模糊度浮点解的精度，从而提高时间传递的精度和可靠性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、使用GNSS载波相位观测值，实现了亚纳秒级精度时间传递；
2、通过矩阵投影变换的方法，将单差模糊度投影为双差模糊度，消除了接收机端的硬件延迟和相位偏差，得到的双差模糊度具有整数特性；
3、利用双差模糊度固定解对单差模糊度参数进行约束，提高了单差模糊度浮点解的精度，从而提高了时间传递的精度和稳定度。
附图说明
图1为本发明实施例的系统示意图；
图2为本发明实施例的基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，该方法使用的系统如图1所示。该系统由GNSS接收机、数据通信链和数据处理中心组成，GNSS接收机能够接收并处理GNSS信号，输出GNSS双频伪距、载波观测值和星历数据；数据通信链将GNSS观测值和星历数据传输至数据处理中心；数据处理中心完成数据处理后，得到两台GNSS接收机的相对钟差结果。
本实施例提出的基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，具体流程如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：利用站间单差观测模型计算GNSS接收机相对钟差，该步骤具体包括：
步骤1.1：接收机采集GNSS观测值并传输到数据处理中心，观测值包括双频伪距和相位观测值；
步骤1.2：探测粗差并剔除观测值存在粗差的GNSS卫星；
步骤1.3：从两个GNSS接收机的观测值中寻找共视卫星；
步骤1.4：根据共视GNSS卫星的观测值，组建单差观测方程：
其中，P1,ab、P2,ab分别是L1、L2频率单差伪距观测值；L1,ab、L2,ab分别是L1、L2频率单差相位观测值；ρab是单差卫地距；tab是单差接收机钟差；f1、f2分别是L1、L2频率的频率；Iab是L1载波单差电离层延迟；Tab是单差对流层延迟；N1,ab是L1频率以周为单位的单差模糊度，也被称为单差窄巷模糊度；NW,ab是以周为单位的单差宽巷模糊度；λ1、λ2分别是L1、L2频率的波长；a、b分别是接收机标识；i是卫星标识；
其中，P1、P2分别是L1、L2频率的非差伪距观测值；L1、L2分别是L1、L2频率的非差相位观测值；MD、MW分别是对流层干延迟投影函数和湿延迟投影函数；TD、TW分别是天顶对流层干延迟和湿延迟；(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)分别是接收机精确坐标，通过GNSS精密数据后处理的方法计算得到；(xi a,yi a,zi a)、(xi b,yi b,zi b)分别是GNSS卫星坐标，根据GNSS卫星轨道和钟差数据计算得到；
步骤1.5：改正GNSS观测值中的误差，包括地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕、对流层干延迟(参见Kouba J,Hérous P.(2001).Precisepoint positioning using IGS orbit and clock products:GPS Solut,5(2):12–28)，得到改正后的单差观测值
步骤1.6：将接收机相对钟差、天顶对流层湿延迟、电离层延迟、窄巷和宽巷模糊度作为参数估计，得到误差方程：
V＝BX-l,D (1k)
其中，B是设计矩阵；X是待估参数向量；l是观测值向量；V是观测值残差向量；D是观测值向量权阵，根据观测值先验精度得到；
其中，是改正过各项误差后的伪距和相位观测值；n是卫星总数；分别为非差伪距和相位观测值的先验方差，根据非差伪距和相位观测值的先验标准方差和卫星高度角计算得到。
步骤1.7：探测卫星周跳，若是首历元，不需要探测周跳。对于发生周跳的卫星，将其模糊度参数作为新参数；
步骤1.8：得到第m个历元的法方程Gm＝HmX，其中：
步骤1.9：通过法方程叠加，得到整体法方程，法方程叠加过程中需考虑前后两个历元待估参数的变化。若是首历元，不需要进行法方程叠加。第m(m≠1)个历元的整体法方程为Gm＝HmX，其中：
Gm＝Gm-1+Gm (1r)
Hm＝Hm-1+Hm (1s)
步骤1.10：对整体法方程求解，得到GNSS接收机相对钟差；方程的解为方差—协方差阵为
步骤2：将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定，该步骤具体包括：
步骤2.1：根据和得到单差模糊度浮点解XS及其方差—协方差阵
步骤2.2：将第k颗卫星选择为参考卫星，选择参考卫星时需综合考虑卫星高度角、周跳和前一历元模糊度固定情况；
步骤2.3：将单差模糊度投影为双差模糊度；双差模糊度的浮点解XD及其方差—协方差阵为：
XD＝CXS (2a)
其中，C为投影矩阵：
步骤2.4：使用LAMBDA方法搜索并固定双差模糊度。
步骤3：计算基于双差模糊度固定解约束的接收机相对钟差，该步骤具体包括：
步骤3.1：根据双差模糊度固定解建立虚拟观测方程：
其中，是第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解；是第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解；
步骤3.2：根据双差模糊度固定解虚拟观测方程，得到虚拟误差方程：
VN＝BNXN-lN,DN (3c)
其中，BN是设计矩阵；XN是待估参数向量；lN是观测值向量；VN是观测值残差向量；DN是观测值向量权阵；
其中，为第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解的方差，可设为1×10-10～1×10-8；为第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解的方差，可设为1×10-10～1×10-8；
步骤3.3：得到双差模糊度固定解虚拟法方程：
步骤3.4：更新单差整体法方程。将单差整体法方程与双差模糊度固定解虚拟法方程叠加，得到基于双差模糊度固定解约束的单差整体法方程法方程叠加过程中，需要注意单差模糊度参数的顺序。
步骤3.5：对更新后的单差整体法方程求解，得到基于双差模糊度固定解约束的解为方差—协方差阵为从中得到基于双差模糊度固定解约束的相对钟差对钟差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于双差模糊度固定解约束的GNSS精密时间传递方法，其特征在于，所述GNSS精密时间传递方法包括如下步骤：
步骤1：利用站间单差观测模型计算GNSS接收机相对钟差；
步骤2：将单差模糊度投影为双差模糊度并将其固定；
步骤3：计算基于双差模糊度固定解约束的接收机相对钟差；
其中，所述步骤1具体包括：
步骤1.1：接收机采集GNSS观测值，所述观测值包括双频伪距和相位观测值；
步骤1.2：探测粗差并剔除观测值存在粗差的GNSS卫星；
步骤1.3：从两个GNSS接收机的观测值中寻找共视卫星；
步骤1.4：根据共视GNSS卫星的观测值，组建单差观测方程：
其中，P1,ab、P2,ab分别是L1、L2频率单差伪距观测值；L1,ab、L2,ab分别是L1、L2频率单差相位观测值；ρab是单差卫地距；tab是单差接收机钟差；f1、f2分别是L1、L2频率的频率；Iab是L1载波单差电离层延迟；Tab是单差对流层延迟；N1,ab是L1频率以周为单位的单差窄巷模糊度；NW,ab是以周为单位的单差宽巷模糊度；λ1、λ2分别是L1、L2频率的波长；a、b分别是接收机标识；i为卫星标识；
其中，P1、P2分别是L1、L2频率的非差伪距观测值；L1、L2分别是L1、L2频率的非差相位观测值；MD、MW分别是对流层干延迟投影函数和湿延迟投影函数；TD、TW分别是天顶对流层干延迟和湿延迟；(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)分别是接收机精确坐标，通过GNSS精密数据后处理的方法计算得到；(xi a,yi a,zi a)、(xi b,yi b,zi b)分别是GNSS卫星坐标，根据GNSS卫星轨道和钟差数据计算得到；
步骤1.5：改正GNSS观测值中的误差，得到改正后的单差观测值
步骤1.6：将接收机相对钟差、天顶对流层湿延迟、电离层延迟、窄巷和宽巷模糊度作为参数估计，得到误差方程：
V＝BX-l,D (1k)
其中，B是设计矩阵；X是待估参数向量；l是观测值向量；V是观测值残差向量；D是观测值向量权阵，根据观测值先验精度得到；
其中，是改正过各项误差后的伪距和相位观测值；n是卫星总数；分别为非差伪距和相位观测值的先验方差，根据非差伪距和相位观测值的先验标准方差和卫星高度角计算得到；
步骤1.7：探测卫星周跳，若是首历元，不需要探测周跳；对于发生周跳的卫星，将其模糊度参数作为新参数；
步骤1.8：得到第m个历元的法方程Gm＝HmX，其中：
步骤1.9：通过法方程叠加，得到整体法方程；若是首历元，不需要进行法方程叠加；第m(m≠1)个历元的整体法方程为Gm＝HmX，其中：
Gm＝Gm-1+Gm (1r)
Hm＝Hm-1+Hm (1s)
步骤1.10：对整体法方程求解，得到GNSS接收机相对钟差；方程的解为方差—协方差阵为其中，
所述步骤2具体包括：
步骤2.1：根据和得到单差模糊度浮点解XS及其方差—协方差阵
步骤2.2：将第k颗卫星选择为参考卫星；
步骤2.3：将单差模糊度投影为双差模糊度；双差模糊度的浮点解XD及其方差—协方差阵为：
XD＝CXS (2a)
其中，C为投影矩阵：
步骤2.4：使用LAMBDA方法搜索并固定双差模糊度；
所述步骤3具体包括：
步骤3.1：根据双差模糊度固定解建立虚拟观测方程：
其中，是第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解；是第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解；
步骤3.2：根据双差模糊度固定解虚拟观测方程，得到虚拟误差方程：
VN＝BNXN-lN,DN (3c)
其中，BN是设计矩阵；XN是待估参数向量；lN是观测值向量；VN是观测值残差向量；DN是观测值向量权阵；
其中，为第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解的方差；为第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解的方差；
步骤3.3：得到双差模糊度固定解虚拟法方程：
步骤3.4：更新单差整体法方程，将单差整体法方程与双差模糊度固定解虚拟法方程叠加，得到基于双差模糊度固定解约束的单差整体法方程
步骤3.5：对更新后的单差整体法方程求解，得到基于双差模糊度固定解约束的解为方差—协方差阵为从中得到基于双差模糊度固定解约束的相对钟差对钟差。
2.如权利要求1所述的GNSS精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤1.5中，误差包括地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕、对流层干延迟。
3.如权利要求1所述的GNSS精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤3.2中，第i颗卫星双差窄巷模糊度固定解的方差和第i颗卫星双差宽巷模糊度固定解的方差为1×10-10～1×10-8。
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