CN109633701A - 基于守时实验室资源的gnss定时接收机系统延迟校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，利用守时实验室监测的卫星导航系统与协调世界时的物理实现UTC(k)间的溯源偏差值，以及守时实验室保持的高精度时频信号，实现对GNSS定时接收机系统延迟的校准。本发明相比基于信号模拟源的接收机延迟校准方法，该方法成本低，不需要额外的辅助校准设备，校准步骤简单，易操作，且校准精度与基于信号模拟源的接收机延迟校准方法相当。相比于GNSS定时接收机的相对延迟校准方法，该方法不需要内部延迟已知的参考接收机即可实施，更具有普适性。

Description

基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法
技术领域
本发明涉及基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，该方法利用守时实验室监测的卫星导航系统与协调世界时的物理实现UTC(k)间的溯源偏差值、或时差监测平台数据以及守时实验室保持的高精度时间频率信号，实现对GNSS定时接收机系统延迟的校准。校准步骤简单，易操作，对校准人员无特殊要求，校准精度与传统的基于信号模拟器的接收机延迟校准方法相当。
背景技术
用于定时的GNSS定时接收机系统在使用之前必须要精确测量其延迟，否则定时结果会出现一定的偏差，导致用户最终获得的定时结果不准确。本发明所指的GNSS定时接收机系统包括接收机单元，天线，天线电缆，外部参考信号电缆。目前对于GNSS定时接收机系统延迟校准方法主要有两种，一种是采用信号模拟源的绝对校准方法，另外一种是基于延迟已知的参考接收机相对延迟校准方法。基于信号模拟源的校准方法步骤繁琐，需要依托特定的测试环境和专业的测试平台，且信号模拟源等设备昂贵。采用信号模拟源实现的接收机延迟校准不确定约为3ns。另外一种GNSS定时接收机的相对延迟校准方法，需要以一台时延已知的接收机为参考，确定待校准接收机的延迟。参考接收机的延迟会随着时间发生变化，间隔一定的时间就需要重新校准，且延迟已知的参考接收机资源较少，不便于使用。
基于卫星导航系统的星基授时已成为目前主用的授时手段，国际电联要求卫星导航系统发播的时间信息必须是权威的、国际通用的标准时间，即国际标准时间UTC。UTC是纸面时，其物理实现UTC(k)由各守时实验室或天文台保持，K为守时实验室或天文台的缩写。因此，卫星导航系统的系统时间均溯源到UTC(k)，两者之间建立溯源比对链路，采用的比对方法为卫星双向、共视时间传递以及PPP等。基于溯源比对链路可以实时获得卫星导航系统时间与UTC(k)的时间偏差值。另一方面，很多守时实验室可以监测GNSS系统时间，监测并发布守时实验室保持的UTC(k)与GNSS系统时间的偏差。此外，守时实验室使用高精度的原子钟组保持UTC(k)，提供的时间信号和频率信号的稳定度和准确度非常高。基于守时实验室的这些数据和信号资源，本发明提出一种GNSS定时接收机系统的延迟校准方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，利用守时实验室监测的卫星导航系统与协调世界时的物理实现UTC(k)间的溯源偏差值，以及守时实验室保持的高精度时频信号，实现对GNSS定时接收机系统延迟的校准。
本发明的技术方案是：基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，步骤如下：
步骤1：将待校准GNSS定时接收机放置于其溯源的守时实验室里，接收机以协调世界时的物理实现UTC(k)的10MHz频率信号和1PPS时间信号作为参考输入，并将待校准GNSS定时接收机的天线放置在坐标已知的基墩上；
步骤2：上电运行待校准接收机，接收机接收GNSS任一频点的导航信号，输出该频点伪距观测值；
步骤3：依次对待校准接收机输出的伪距观测值进行改正，电离层延迟进行改正，地球自转效应进行改正，流层延迟进行改正，以及卫星发射通道偏差进行改正；得到每颗可见星对应的协调世界时的物理实现UTC(k)与GNSS系统时间的偏差值bi；对同一时刻所有可见星的偏差值bi进行平均，得到该时刻协调世界时的物理实现UTC(k)与GNSS系统时间的偏差值b；
步骤4：获取GNSS系统与相应协调世界时的物理实现UTC(k)之间溯源链路的溯源偏差监测数据bref；
步骤5：对于不少于1天的比对数据，计算比对时段内每个时刻的b-bref值，记为Δbk，k＝1～n，n为比对时段内有效数据总个数；
步骤6：统计比对时段内Δbk的均值，k＝1～n，该均值即为待校准GNSS定时接收机系统在该信号频点延迟值。
步骤二中，待校准接收机上电运行需保持1天以上。
步骤三中，使用IGS或iGMAS的精密星历和钟差产品对待校准接收机输出的伪距观测值进行几何路径延迟改正和星钟改正。
步骤三中，使用IGS提供的电离层产品对电离层延迟进行改正。
所述步骤三中，所述式中为待校准接收机获得的可视卫星i的伪距测量值，分别为使用IGS或iGMAS精密星历和钟差产品进行的星地几何距离改正和星钟改正，为基于IGS电离层产品进行的电离层延迟改正，为基于对流层模型进行的对流层延迟改正，为地球自转效应改正；Tgd为导航电文发播的卫星发射通道偏差值；i为卫星编号。
本发明的有益效果是：基于卫星导航系统与协调世界时的物理实现之间的溯源链路、守时实验室优质的时频信号资源和IGS/iGMAS发布的精密产品，采用接收空中信号的方式，发明了一种实施步骤简单、低成本、与传统校准方法精度相当的GNSS定时接收机系统延迟测量方法。
相比基于信号模拟源的接收机延迟校准方法，该方法成本低，不需要额外的辅助校准设备，校准步骤简单，易操作，且校准精度与基于信号模拟源的接收机延迟校准方法相当。相比于GNSS定时接收机的相对延迟校准方法，该方法不需要内部延迟已知的参考接收机即可实施，更具有普适性。
此外，结合BIPM发布的Circular T公报和Rapid UTC数据，该方法可以应用在任意保持协调世界时物理实现UTC(k)的守时实验室，或与守时实验室建立有直接比对链路的机构。该方法只使用待校准接收机输出观测量，不影响待校准接收机的正常在线运行。该方法可以灵活测试接收机在不同频点，不同通道间的延迟偏差，对于定时接收机系统更换电缆或天线引起的系统时延变化，易于监测。
附图说明
图1是本发明提出的基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法；
图2是UTC(NTSC)-GPST校准参考数据曲线；
图3是待校准GPS接收机的时差曲线；
图4是GPS定时接收机系统延迟校准结果曲线。
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。
在本实施例中以中国科学院国家授时中心时差监测平台的数据UTC(NTSC)-GPST作为参考来说明GPS定时接收机的校准过程。待校准GPS定时接收机系统的延迟为图1中所示的T至R的延迟。
具体地通过如下步骤实现校准：
步骤1：待校准GPS定时接收机放置于中国科学院国家授时中心，接收机以守时实验室保持的UTC(NTSC)的10MHz频率信号和1PPS时间信号作为参考输入，将待校准接收机天线放置在坐标精确已知的基墩上；
步骤2：上电运行待校准接收机，接收机接收GPS L1频点空中信号，输出L1频点伪距观测值，测得S至R之间的总延迟，保持接收机连续运行1天以上。
步骤3：使用IGS的精密星历和钟差产品对待校准接收机输出的伪距观测值进行几何路径延迟改正星钟改正(包含IGST到GPST的改正)，使用IGS提供的电离层产品进行电离层延迟改正再进行地球自转效应改正对流层延迟改正以及卫星发射通道偏差Tgd改正，扣除S至T中的各项误差，得到T至R的延迟bi。
步骤4：对同一时刻所有可见星的偏差值bi进行平均，得到该时刻UTC(NTSC)与GPST的偏差值b。
步骤5：以中国科学院国家授时中心守时实验室的时差监测平台发布的UTC(NTSC)-GPST数据作为校准参考bref，该参考数据为UTC(NTSC)与GPST真实偏差的估计值。
步骤6：计算2017年6月9日至6月12日共4天中b-bref的值，得到Δbk，k＝1～n，n为4天中的数据总个数。
步骤7：统计4天内Δbk的均值，该均值即为待校准GPS定时接收机系统在L1频点的延迟值。
根据以上实施过程，以一台位于中国科学院国家授时中心的GPS定时接收机输出的2017年6月9日至6月12日共4天数据为例实施校准。图2给出的2017年6月9日至6月12日期间中国科学院国家授时中心的时差监测平台监测的UTC(NTSC)-GPST数据，每分钟一组。图3所示为根据上述实施例给出的步骤计算出的包含待校准接收机系统延迟的UTC(NTSC)-GPST数据曲线，每分钟一组值。图4所示为从待校准接收机的时差中扣除图2给出的UTC(NTSC)-GPST参考数据，统计图中的校准数据，均值为149.6ns，标准方差为2.7ns，即待校准接收机的绝对时延为149.6ns，校准的A类不确定度为2.7ns。
由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是基于守时实验室的溯源链路时差数据或时差监测平台数据，以及保持的高精度时间频率信号，使用IGS或iGMAS提供的精密星钟和星历产品实现对接收机的事后校准，该校准方法应用灵活，不影响接收机正常工作，可长期监测接收机系统延迟的变化。
该方法有四个优势：1.该方法可以实时在线测量待校准接收机系统延迟，而不影响接收机的正常运行。该方法是基于待校准接收机观测的伪距值及导航电文中的参数事后实施校准，只需要定时去读取这些数据，不影响接收机的正常运行。2.相比传统基于信号模拟器的校准方法，该方法操作简单，成本低，不需要额外的辅助校准设备，校准精度高；3.该方法的校准精度在5ns以内，若结合伪距观测值和载波相位观测值实现的校准精度将更高；4.该方法应用灵活，可以测试接收机不同频点，不同通道间的延迟偏差，对于定时接收机系统更换电缆或天线引起的系统时延变化，易于监测。

Claims (7)

1.基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将待校准GNSS定时接收机放置于其溯源的守时实验室里，接收机以协调世界时的物理实现UTC(k)的10MHz频率信号和1PPS时间信号作为参考输入，并将待校准GNSS定时接收机的天线放置在坐标已知的基墩上；
步骤2：上电运行待校准接收机，接收机接收GNSS任一频点的导航信号，输出该频点伪距观测值；
步骤3：依次对待校准接收机输出的伪距观测值进行改正，电离层延迟进行改正，地球自转效应进行改正，流层延迟进行改正，以及卫星发射通道偏差进行改正；得到每颗可见星对应的协调世界时的物理实现UTC(k)与GNSS系统时间的偏差值bi；对同一时刻所有可见星的偏差值bi进行平均，得到该时刻协调世界时的物理实现UTC(k)与GNSS系统时间的偏差值b；
步骤4：获取GNSS系统与相应协调世界时的物理实现UTC(k)之间溯源链路的溯源偏差监测数据bref；
步骤5：对于不少于1天的比对数据，计算比对时段内每个时刻的b-bref值，记为Δbk，k＝1～n，n为比对时段内有效数据总个数；
步骤6：统计比对时段内Δbk的均值，k＝1～n，该均值即为待校准GNSS定时接收机系统在该信号频点延迟值。
2.根据权利要求1所述的基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，其特征在于：步骤二中，待校准接收机上电运行需保持1天以上。
3.根据权利要求1所述的基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，其特征在于：步骤三中，使用IGS或iGMAS的精密星历和钟差产品对待校准接收机输出的伪距观测值进行几何路径延迟改正和星钟改正。
4.根据权利要求1所述的基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，其特征在于：步骤三中，使用IGS提供的电离层产品对电离层延迟进行改正。
5.根据权利要求1所述的基于守时实验室资源的GNSS定时接收机系统延迟校准方法，其特征在于：所述步骤三中，所述式中为待校准接收机获得的可视卫星i的伪距测量值，分别为使用IGS或iGMAS精密星历和钟差产品进行的星地几何距离改正和星钟改正，为基于IGS电离层产品进行的电离层延迟改正，为基于对流层模型进行的对流层延迟改正，为地球自转效应改正；Tgd为导航电文发播的卫星发射通道偏差值；i为卫星编号。
6.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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