CN109728868B - 一种基于多重完好性检验的gnss基站组网时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，能够实现大覆盖范围，并且实现高精度和稳定性的时间同步。本发明的基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，对该情况下的基站组网时间同步做多重完好性检验，以剔除异常卫星信号，同时实时求解站间时间差修正各站时间同步信号，使各站时间同步精度保持较高的精度和稳定性，从而保证基站组网高精度时间同步系统的鲁棒性。

Description

一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，具体涉及一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法。

背景技术

在目前许多技术领域中都需要高精度(任意10公里以内的两基站时间同步精度小于或等于3ns)的时间同步，如电力网络、移动通信网络等系统，覆盖很大的区域，往往要求在全区域内实现时间同步。同时，在这些系统中，相互邻近的站点之间的同步精度又非常关键。例如，移动通信网络的基站要实现多基站协同、物联网定位等功能，就要求移动网络信号相互交叠的基站之间的时间同步精度优于10纳秒，甚至更高。全球导航卫星系统(GNSS)具有全天候、全球覆盖、高精度的特性，因而成为实现多站间时间同步的重要手段。

目前基于GNSS的高精度的时间同步技术主要有卫星共视、RTK、PPP等。卫星共视技术能够实现广域覆盖，但其对基站基础硬件设施要求高，一般要在站点布置原子钟，成本较大；RTK实现的时间同步网络的原理主要是基于中心站对导航信号传输路径误差及与卫星有关误差的修正，其覆盖范围是局域性的，且建立中心站的成本往往也较高；基于PPP技术实现的站间时间同步覆盖范围大，精度高，但是需要依赖第三方的增强数据，运行成本高，可靠性不受控。

在实际应用环境中，普遍存在多径效应影响或者接收机由于高大建筑物遮挡而只能接收部分卫星信号的情况，从而导致区域内各站点接收的卫星信号误差较大或者卫星集合差异较大，造成时间站点间的时间同步误差恶化。因此，有必要对该情况下的基站组网时间同步做多重完好性检验，以剔除异常卫星信号，同时实时求解站间时间差修正各站时间同步信号，使各站时间同步精度保持较高的精度和稳定性，从而保证基站组网高精度时间同步系统的鲁棒性。

因此，急需一种广域覆盖并且具有高精度和稳定性的时间同步方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，能够实现大覆盖范围，并且实现高精度和稳定性的时间同步。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，获得各卫星伪距与几何距离之差即时差；

步骤2，针对S_i站点，i＝1,2,3……M，M为站点总数，监测该站点的卫星观测量是否异常，具体如下：

计算S_i站点所有跟踪卫星时差的均值

将S_i站点各个跟踪卫星的时差分别减去均值

得到各个卫星的去均值时差；若两颗卫星的去均值时差之差小于判定门限，则判定该两颗卫星聚在一起，得到聚在一起的卫星集合；聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为正常卫星集合，其他为异常卫星集合；所述判定门限为8-12ns；若聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为两个以上，则将所述判定门限增加2ns，重新判定，直至仅存在一个正常卫星集合；

步骤3，将S_i站点的所有正常卫星的时差取平均，得到站点S_i的初始时差信息；单位时间下S_i站点的初始时差信息的差即为S_i站点的接收机钟漂

步骤4，从S_i站点跟踪的正常卫星的时差中均减去设定时间段内的该站点的接收机钟漂，得到S_i站点所有正常卫星的修正时差；

步骤5，获得与S_i站点的距离小于20km的站点的集合{S_p}，其中p＝1,2,3……M，p≠i；

步骤6，针对S_p站点，搜索与S_i站点跟踪的第j颗卫星的卫星号相同的卫星，其中j＝1,2,3……N_i，N_i为S_i站点跟踪的正常卫星总颗数；计算S_p站点搜索到的各个卫星的修正时差；将S_p站点与S_i站点的同一卫星号的卫星修正时差作差，得到S_p站点与S_i站点的站间差；

遍历步骤5获得的站点集合{S_p}，统计站间差不为0的个数以及站间差不为0且小于Q_thresh的个数；

若站间差不为0且小于Q_thresh的个数超过站间差不为0的个数的一半，则站点S_i跟踪的第j颗卫星完好，否则将该卫星剔除；其中，Q_thresh取值为3～5ns；

遍历S_i站点跟踪的所有正常卫星，执行步骤6，得到S_i站点的剔除后的正常卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-6，得到各个站点的剔除后的正常卫星集合；

步骤7，针对S_i站点的剔除后的正常卫星集合，获得集合中第n颗卫星与其他卫星两两之间组成的卫星对，记为第n颗卫星的卫星对；n＝1,2,3……N，N为S_i站点的剔除后的正常卫星总数；

针对除S_i站点外的其他站点的剔除后的正常卫星集合，查找与所述第n颗卫星的卫星对卫星号相同的卫星对，计算各个卫星对中两卫星的星间差，得到卫星对星间差；计算不同站点相同卫星号卫星对星间差的差，得到不同站点相同卫星号卫星对星间差的站间差；

统计所述站间差不为0的个数以及所述站间差不为0且小于2ns的个数；若所述站间差不为0且小于2ns的个数占所述站间差不为0的个数的0.65～0.85，则S_i站点的第n颗卫星完好性良好，否则将该卫星剔除；

遍历S_i站点的剔除后的正常卫星集合中的所有卫星，执行步骤7，得到S_i站点最终卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-7，得到各个站点的最终卫星集合；

步骤8，对各个站点的最终卫星集合进行处理，得出各个站点在该时间同步组网中对应所在区域内的最终时间误差调整值。

其中，所述步骤8中，对各个站点的最终卫星集合进行处理，针对于S_i站点，包括如下步骤：

将除S_i站点之外的所有站点中，最终卫星集合中卫星数目最多的站点记为m站点；

获得m站点所有卫星修正时差的平均值

获得m站点最终卫星集合与S_i站点最终卫星集合的交集；

针对m站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

针对S_i站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

获得平均值

平均值

的差值以及平均值

的差值与平均值

的差值，两个差值之和记为差值

针对S_i站点的最终卫星集合，重新计算S_i站点的初始时差信息，得到更新后的S_i站点的初始时差信息；

将更新后的S_i站点的初始时差信息与差值

的和作为站点S_i的最终时间误差调整值。

有益效果：

本发明的基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，对该情况下的基站组网时间同步做多重完好性检验，以剔除异常卫星信号，同时实时求解站间时间差修正各站时间同步信号，使各站时间同步精度保持较高的精度和稳定性，从而保证基站组网高精度时间同步系统的鲁棒性。

具体实施方式

下面举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，该方法实现了去中心化，通过各站点组网与数据交互实现区域多站的高精度时间同步，每个站点不仅可以获取基站GNSS卫星信号观测量信息，还可以通过相关接口协议接收其他基站的GNSS卫星信号观测量信息，并将基站的GNSS卫星信号观测量信息通过相关接口协议发播出去，实现大覆盖范围的时间同步。本发明是时间同步算法中，对于每个站跟踪的各卫星伪距与几何距离作差，并去除异常卫星，求取其均值得到初始时差信息，通过对前后两次的初始时差信息再作差并除以测量时间间隔，得到该站钟漂；计算各站跟踪卫星初始时差修正各自接收机钟漂之后的钟漂修正时差，将基站和基站收到的其他站点GNSS卫星观测量信息进行针对基站进行距离判断，剔除时间同步贡献不大的站点，针对基站观测卫星经过距离筛选的其他站点公共卫星进行站间差，通过站间差进行第二次卫星信号完好性处理，进一步剔除基站和其它站点的观测量异常或误差较大卫星；通过对基站和基站收到的其他站点GNSS卫星观集合分别进行星间差，对基站和其它站的星间差交集进行第三次卫星信号完好性处理，进一步剔除基站和其它站观测量异常或误差较大卫星，从而形成参与该站高精度时间同步计算的有效卫星集合跟新集合，通过对最终形成的基站和其它站点的卫星集合进行算法处理，得出基站在该时间同步组网中计算基站点所在区域内的最优时间调整量修正值。最后将基站初始时差信息和最优时间调整量修正值相加得到基站最终时间误差调整值。

本发明方法的具体实现步骤如下：

步骤1，假设区域有M个站点，以s₁,₂,₃…s_i…s_M表示，其中i＝1,2,3……M，S_i站点位置已知

第i个站点跟踪的卫星集合为C_i，对于集合C_i，其跟踪卫星颗数为N_i个，

对于s_i站点，其接收机跟踪的卫星伪距为

利用接收机收到的卫星星历信息计算卫星位置，并根据S_i站点位置计算该站跟踪卫星与站点的几何距离

第i站的第j颗卫星的伪距与几何距离之差即时差为：

计算M个站点跟踪的各自卫星时差集合，得到如下矩阵(矩阵每一行表示同一个站的跟踪卫星)：

步骤2，基于M个站点跟踪的各自卫星时差，进行第一次完好性检测，监测每个站的卫星观测量是否异常；卫星观测量监测异常方法如下：

计算S_i站点所有跟踪卫星时差的均值

将S_i站点各个跟踪卫星的时差分别减去均值

得到各个卫星的去均值时差；若两颗卫星的去均值时差之差小于判定门限，则判定该两颗卫星聚在一起，得到聚在一起的卫星集合；聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为正常卫星集合，其他为异常卫星集合；所述判定门限为8-12ns；若聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为两个以上，则将所述判定门限增加2ns，重新判定，直至找到仅有的一个正常卫星集合；

步骤3，将S_i站点的所有正常卫星的时差取平均，得到S_i站点的初始时差信息：

其中，NN为S_i站点的正常卫星总数；

单位时间下S_i站点的初始时差信息的差即为S_i站点的接收机钟漂

其中Δt表示第k次和第k+1次测量的时间间隔；

步骤4，步骤4，从S_i站点跟踪的正常卫星的时差中均减去设定时间段内的该站点的接收机钟漂，得到S_i站点所有正常卫星的修正时差；

以

表示第i个站第j颗跟踪卫星的接收机钟漂修正时差，则

若

则

各站卫星修正接收机钟漂后的时差集合如下矩阵所示：

步骤5，获得与S_i站点的距离小于20km的站点的集合{S_p}，其中p＝1,2,3……M，p≠i；

对于d_i,p<20km对应的站点集合下，S_i站点的跟踪卫星的时差集合矩阵如下所示：

步骤6，对跟踪同一个卫星的各站中除去接收机钟漂之后的单颗卫星接收机钟漂修正时差作站间差，进行第二次完好性检验，监测当前站i的各卫星观测量完好性，剔除观测量异常卫星：

遍历步骤5获得的站点集合{S_p}，搜索与S_i站点跟踪的第j颗卫星的卫星号相同的卫星，其中j＝1,2,3……N_i，N_i为S_i站点跟踪的正常卫星总颗数；将搜索到的卫星的时差均减去设定时间段内的对应站点的接收机钟漂，分别获得搜索到的各个卫星的修正时差；将搜索到的各个卫星的修正时差再作差，得到卫星多站站间差，统计站间差不为0的个数以及站间差不为0且小于Q_thresh的个数；

若站间差不为0且小于Q_thresh的个数超过站间差不为0的个数的一半，则站点S_i跟踪的第j颗卫星完好，否则将该卫星剔除；其中，Q_thresh取值为3～5ns；

遍历S_i站点跟踪的所有正常卫星，执行步骤6，得到S_i站点的剔除后的正常卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-6，得到各个站点的剔除后的正常卫星集合；

步骤7，针对S_i站点的剔除后的正常卫星集合，获得集合中第n颗卫星与其他卫星两两之间组成的卫星对；n＝1,2,3……N，N为S_i站点的剔除后的正常卫星总数；

针对除S_i站点外的其他站点的剔除后的正常卫星集合，查找与所述第n颗卫星的卫星对卫星号相同的卫星对，获得各个站点相同卫星号的卫星对，计算各个卫星对中两卫星的星间差，得到卫星对星间差，计算不同站点相同卫星号卫星对星间差的差，得到不同站点相同卫星号卫星对星间差的站间差；

统计所述站间差不为0的个数以及所述站间差不为0且小于2ns的个数；若所述站间差不为0且小于2ns的个数占所述站间差不为0的个数的0.65～0.85，则S_i站点的第n颗卫星完好性良好，否则将该卫星剔除；

遍历S_i站点的剔除后的正常卫星集合中的所有卫星，执行步骤7，得到S_i站点最终卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-7，得到各个站点的最终卫星集合；

步骤8，对各个站点的最终卫星集合进行处理，将除S_i站点之外的所有站点中，最终卫星集合中卫星数目最多的站点记为m站点；

获得m站点所有卫星修正时差的平均值

获得m站点最终卫星集合与S_i站点最终卫星集合的交集；

针对m站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

针对S_i站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

站点S_i的最终时间误差调整值

为：

其中，

为针对S_i站点的最终卫星集合，重新计算S_i站点的初始时差信息，得到更新后的S_i站点的初始时差信息；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获得各卫星相对于接收机的伪距与几何距离之差即时差；

步骤2，针对S_i站点，i＝1,2,3……M，M为站点总数，监测该站点的卫星观测量是否异常，具体如下：

计算S_i站点所有跟踪卫星时差的均值

将S_i站点各个跟踪卫星的时差分别减去均值

得到各个卫星的去均值时差；若两颗卫星的去均值时差之差小于判定门限，则判定该两颗卫星聚在一起，得到聚在一起的卫星集合；聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为正常卫星集合，其他为异常卫星集合；所述判定门限为8-12ns中的任意值；若聚在一起卫星集合数目最多的卫星集合为两个以上，则将所述判定门限增加2ns，重新判定，直至仅存在一个正常卫星集合；

步骤3，将S_i站点的所有正常卫星的时差取平均，得到站点S_i的初始时差信息；单位时间下S_i站点的初始时差信息的变化值即为S_i站点的接收机钟漂

步骤4，从S_i站点跟踪的正常卫星的时差中均减去设定时间段内的该站点的接收机钟漂，得到S_i站点所有正常卫星的修正时差；

步骤5，获得与S_i站点的距离小于20km的站点的集合{S_p}，其中p＝1,2,3……M，p≠i；

步骤6，针对S_p站点，搜索与S_i站点跟踪的第j颗卫星的卫星号相同的卫星，其中j＝1,2,3……N_i，N_i为S_i站点跟踪的正常卫星总颗数；计算S_p站点搜索到的各个卫星的修正时差；将S_p站点与S_i站点的同一卫星号的卫星修正时差作差，得到S_p站点与S_i站点的站间差；

遍历步骤5获得的站点集合{S_p}，统计站间差不为0的个数以及站间差不为0且小于Q_thresh的个数；

若站间差不为0且小于Q_thresh的个数超过站间差不为0的个数的一半，则站点S_i跟踪的第j颗卫星完好，否则将该卫星剔除；其中，Q_thresh取值为3～5ns；

遍历S_i站点跟踪的所有正常卫星，执行步骤6，得到S_i站点的剔除后的正常卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-6，得到各个站点的剔除后的正常卫星集合；

步骤7，针对S_i站点的剔除后的正常卫星集合，获得集合中第n颗卫星与其他卫星两两之间组成的卫星对，记为第n颗卫星的卫星对；n＝1,2,3……N，N为S_i站点的剔除后的正常卫星总数；

针对除S_i站点外的其他站点的剔除后的正常卫星集合，查找与所述第n颗卫星的卫星对卫星号相同的卫星对，计算各个卫星对中两卫星的星间差，得到卫星对星间差；计算不同站点相同卫星号卫星对星间差的差，得到不同站点相同卫星号卫星对星间差的站间差；

统计所述星间差的站间差不为0的个数以及所述星间差的站间差不为0且小于2ns的个数；若所述星间差的站间差不为0且小于2ns的个数占所述星间差的站间差不为0的个数的0.65～0.85，则S_i站点的第n颗卫星完好性良好，否则将该卫星剔除；

遍历S_i站点的剔除后的正常卫星集合中的所有卫星，执行步骤7，得到S_i站点最终卫星集合；

遍历所有站点，执行步骤2-7，得到各个站点的最终卫星集合；

步骤8，对各个站点的最终卫星集合进行处理，得出各个站点在所在时间同步组网中对应所在区域内的最终时间误差调整值。

2.如权利要求1所述的一种基于多重完好性检验的GNSS基站组网时间同步方法，其特征在于，所述步骤8中，对各个站点的最终卫星集合进行处理，针对于S_i站点，包括如下步骤：

将除S_i站点之外的所有站点中，最终卫星集合中卫星数目最多的站点记为m站点；

获得m站点所有卫星修正时差的平均值

获得m站点最终卫星集合与S_i站点最终卫星集合的交集；

针对m站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

针对S_i站点，获得交集中卫星修正时差的平均值

获得平均值

与平均值

的差值以及平均值

与平均值

的差值，两个差值之和记为差值

针对S_i站点的最终卫星集合，重新计算S_i站点的初始时差信息，得到更新后的S_i站点的初始时差信息；

将更新后的S_i站点的初始时差信息与差值

的和作为站点S_i的最终时间误差调整值。