CN110146906A - 基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程时间传递方法；该方法首先建立观测模型：各观测站接收机以本地时钟为参考，不同观测站的接收机同时观测相同卫星，并采用双频观测数据，组成无电离层伪距和无电离层载波相位组合观测值，利用此组合观测值在观测站间作差建立观测模型；然后对单差载波相位时间传递数据进行处理：使用IGS精密星历和精密钟差产品，对两个观测站观测数据进行处理，数据处理过程包括数据读取、数据预处理、误差校正和时间比对计算；最后求解出两个观测站间的测站钟差，从而实现两观测站间的单差载波相位时间传递；本发明消除了卫星端误差和电离层误差的影响，并对影响时间传递的各种误差进行了校正，时间传递精度高，可靠性好，算法简单，效率高。

Description

基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法

技术领域

本发明涉及一种远程时间传递方法，特别涉及一种基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法。

背景技术

时间是物理学中的七个基本物理量之一，在社会生活中起着非常重要的作用，随着科学技术的快速发展，时间在基础研究和应用领域也发挥着不可或缺的作用，如信息传输、电力输配、卫星导航、载人航天、深空探测、地质勘测等都与高精度的时间和频率密不可分。而远程时间传递是实现高精度时间和频率服务的重要手段，高精度的时间传递技术对实现高精度的时间频率服务尤为重要。

基于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的时间和频率传递，自全球定位系统(Global Positioning System，GPS)应用以来，便得到了广泛的发展，是国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)推荐的用于国际时间比对的方法之一。GNSS在精密时间传递领域具有广阔的应用和发展前景，GNSS载波相位时间传递在时间传递中使用了载波相位观测值，是GNSS时间传递方法中精度最高的时间传递方法。但传统的GNSS非差载波相位时间传递，由于测站坐标未知，因此滤波收敛速度慢且算法复杂，而GNSS单差载波相位时间传递提前知道测站坐标，算法简单，且消除了卫星钟差和卫星通道时延等卫星端的误差，在短基线链路中时间传递精度高，优势明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，该方法时间传递精度高，可靠性好，算法简单，效率高。

本发明的技术方案：

一种基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，含有以下步骤：

步骤1、建立观测模型：

步骤1.1、使用不同观测站的接收机同时观测相同卫星；

步骤1.2、单差载波相位时间传递采用双频观测数据，选取GPS卫星L1载波和L2载波的双频观测数据，组成无电离层组合观测值，消除电离层误差的影响，伪距和载波相位的无电离层组合分别如下列公式所示：

式中，γ＝f₁ ²/f₂ ²，

P_c为无电离层组合后的伪距观测值，

L_c为无电离层组合后的载波相位观测值，以米为单位，

P₁，P₂分别为L1载波和L2载波上的伪距观测值，

f₁，f₂分别为L1载波和L2载波对应的频率值，

分别为L1载波和L2载波上的载波相位观测值，

λ₁，λ₂分别为L1载波和L2载波对应的波长；

无电离层伪距和载波相位的观测模型可表达如下：

式中，

λ_c＝(λ₂-γλ₁)/(1-γ)，为无电离层组合波长，

N_c＝(λ₂N₂-γλ₁N₁)/(1-γ)，为无电离层组合模糊度，

D_geo为接收机天线相位中心到卫星天线相位中心的几何传播距离，包含相对论效应，

D_tropo为对流层时延，

D_wind为天线相位中心缠绕，

h_rec为接收机钟差，

h^emi为卫星钟差，

为影响无电离层伪距和载波相位对齐的未知的偏差，使用载波相位作为参考时，代表伪距的偏差，

N₁，N₂分别为L1载波和L2载波上的相位模糊度，

为无电离层载波相位观测值，以周为单位；

步骤1.3、在组成无电离层伪距和载波相位观测值之后，对此组合观测值在观测站间做差，作差后的模型为：

ΔP_c＝Δ(D_geo+D_tropo)+Δh_rec

ΔL_c＝Δ(D_geo+D_tropo+D_wind)+Δh_rec-ΔN_c；

步骤2、对单差载波相位时间传递数据进行处理：使用IGS精密星历和精密钟差产品，对两个观测站观测数据进行处理，数据处理软件由数据读取模块、数据预处理模块、误差校正模块和时间比对计算模块组成；数据处理过程如下：

步骤2.1、数据读取：对RINEX观测文件、精密星历及精密钟差文件进行读取，并在观测文件中选取双频伪距和双频载波相位观测值，数据读取模块完成后，得到双频伪距和双频载波相位观测值，以及精密星历数据，求解出卫星至接收机的距离；

步骤2.2、数据预处理：数据预处理的目的是得到“干净”的无周跳值的无电离层载波相位观测值和平滑后的无电离层伪距观测值。对载波相位观测值进行粗差剔除和周跳探测及修复，在得到修复周跳、剔除粗差后的“干净”的载波相位值后，组成无电离层伪距和载波相位观测值，然后使用无电离层载波相位观测值平滑无电离层伪距观测值，得到经载波相位平滑后的无电离层伪距观测值。

步骤2.3、误差校正：对影响单差载波相位时间传递的各种误差进行修正，包括对流层延迟、接收机天线相位中心偏差、地球自转效应、天线相位缠绕、固体潮、海洋负荷潮汐、多径误差和观测噪声；

步骤2.4、时间比对计算：时间比对计算的目的是得到两测站钟差，实现单差载波相位时间比对。利用无电离层伪距观测值和无电离层载波相位观测值，同时结合星地径向距离及各项误差改正值，选取测站钟差Δh_rec和无电离层组合相位模糊度ΔN_c为未知参数，组成线性方程，采用卡尔曼滤波法求解线性方程，得到无电离层组合相位模糊度及两观测站间的钟差，实现单差载波相位时间传递。

本发明的有益效果：

1、本发明使用了单差观测模型，消除了卫星钟差和卫星通道时延等卫星端的误差；采用了双频观测数据，组成无电离层组合观测值消除了电离层误差的影响；并对影响时间传递的各种误差进行了校正，减少了信号传输过程中的误差，时间传递精度高，可靠性好。

2、本发明提前知道观测站坐标，相较于GNSS PPP(精密单点定位)减少了算法的复杂性，在进行钟差求解时可以加快收敛速度，算法简单，效率高。

附图说明

图1为单差载波相位时间传递原理图；

图2为单差载波相位时间传递数据处理软件组成框图；

图3为单差载波相位时间传递数据处理流程图。

具体实施方式

基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，含有以下步骤：

步骤1、建立观测模型：

单差载波相位时间传递的基本原理如图1所示。

步骤1.1、各观测站接收机以本地时钟为参考，本地时钟为接收机提供10MHz的频率信号和1PPS的时间信号；使用不同观测站的接收机同时观测相同卫星；

步骤1.2、单差载波相位时间传递采用双频观测数据，选取GPS卫星L1载波和L2载波的双频观测数据，组成无电离层组合观测值，消除电离层误差的影响，伪距和载波相位的无电离层组合分别如下列公式所示：

式中，γ＝f₁ ²/f₂ ²，

P_c为无电离层组合后的伪距观测值，

L_c为无电离层组合后的载波相位观测值，以米为单位，

P₁，P₂分别为L1载波和L2载波上的伪距观测值，

f₁，f₂分别为L1载波和L2载波对应的频率值，

分别为L1载波和L2载波上的载波相位观测值，

λ₁，λ₂分别为L1载波和L2载波对应的波长；

无电离层伪距和载波相位的观测模型可表达如下：

式中，

λ_c＝(λ₂-γλ₁)/(1-γ)，为无电离层组合波长，

N_c＝(λ₂N₂-γλ₁N₁)/(1-γ)，为无电离层组合模糊度，

D_geo为接收机天线相位中心到卫星天线相位中心的几何传播距离，包含相对论效应，

D_tro_po为对流层时延，

D_wind为天线相位中心缠绕，

h_rec为接收机钟差，

h^emi为卫星钟差，

为影响无电离层伪距和载波相位对齐的未知的偏差，使用载波相位作为参考时，代表伪距的偏差，

N₁，N₂分别为L1载波和L2载波上的相位模糊度，

为无电离层载波相位观测值，以周为单位；

步骤1.3、在组成无电离层伪距和载波相位观测值之后，对此组合观测值在观测站间做差，作差后的模型为：

ΔP_c＝Δ(D_geo+D_tropo)+Δh_rec

ΔL_c＝Δ(D_geo+D_tropo+D_wind)+Δh_rec-ΔN_c；

步骤2、对单差载波相位时间传递数据进行处理：使用IGS精密星历和精密钟差产品，对两个观测站观测数据进行处理，数据处理软件由数据读取模块、数据预处理模块、误差校正模块和时间比对计算模块组成；最终得到两个观测站的时间传递结果，其组成框图如图2所示。图3为单差载波相位时间传递数据处理流程图，数据处理过程如下：

步骤2.1、数据读取：对RINEX观测文件、精密星历及精密钟差文件进行读取，并在观测文件中选取双频伪距和双频载波相位观测值，数据读取模块完成后，得到双频伪距和双频载波相位观测值，以及精密星历数据，求解出卫星至接收机的距离；

步骤2.2、数据预处理：

数据预处理的目的是得到“干净”的无周跳值的无电离层载波相位观测值和平滑后的无电离层伪距观测值。观测数据的预处理，包括粗差剔除、周跳的探测和修复以及载波相位平滑伪距，首先，对载波相位观测值进行粗差剔除和周跳探测及修复，在得到修复周跳、剔除粗差后的“干净”的载波相位值后，组成无电离层伪距和载波相位观测值，然后使用无电离层载波相位观测值平滑无电离层伪距观测值，得到经载波相位平滑后的无电离层伪距观测值；无电离层伪距和载波相位的组合分别如下列公式所示：

步骤2.3、误差校正：对影响单差载波相位时间传递的各种误差进行修正，包括对流层延迟、接收机天线相位中心偏差、地球自转效应、天线相位缠绕、固体潮、海洋负荷潮汐、多径误差和观测噪声；

步骤2.4、时间比对计算；

时间比对计算的目的是得到两测站钟差，实现单差载波相位时间比对。利用无电离层伪距观测值和无电离层载波相位观测值组成单差观测方程，同时结合星地径向距离及各项误差改正值进行时间比对计算。

选取测站钟差Δh_rec和无电离层组合相位模糊度ΔN_c为未知参数，组成线性方程：

H＝AX

式中，A为观测矩阵，X为未知数，H为观测值矩阵；

其中，观测矩阵A和未知数X分别为：

式中，Δh_rec为两观测站之间的钟差，分别为两观测站接收机观测卫星1，2，3，4的无电离层组合相位模糊度的差；

观测值矩阵H如下式所示：

式中，

分别为两观测站观测卫星1，2，3，4的无电离层伪距观测值的差，

分别为两观测站观测卫星1，2，3，4的无电离层载波相位观测值的差，

ΔD_geo为两观测站星地径向距离的差，

ΔD_tropo为两观测站对流层时延的差，

ΔD_wind为两观测站天线相位缠绕的差；

在将两观测站之间的钟差Δh_rec和无电离层组合相位模糊度ΔN_c组成线性方程后，采用卡尔曼滤波法求解线性方程，得到无电离层组合相位模糊度及两个观测站间的钟差，实现单差载波相位时间传递。

步骤2.1中精密星历和精密钟差产品给出的卫星精密轨道信息是按照15min的时间间隔给出的，观测文件中观测数据是按照30s的间隔给出的，使用拉格朗日多项式插值法进行内插，将精密星历内插到30s的时间间隔。在内插得到信号发射时刻的卫星位置后，因为观测站坐标是已知的，因此可以求解出卫星至接收机的距离。

步骤2.2中选取TurboEdit方法和电离层残差法组合进行粗差剔除和周跳的探测及修复；使用Hatch滤波公式进行载波相位平滑伪距的工作。

步骤2.3中，误差信息的校正方法为：

对流层延迟：使用萨斯塔莫宁(Saastamoinen)模型和NMF投影函数模型进行改正；

接收机天线相位中心偏差：使用IGS发布的IGS ANTEX进行校正；

地球自转改正：使用Sagnac效应改正公式进行改正；

天线相位缠绕：使用Wu模型进行改正；

固体潮和海洋负荷潮汐：采用IERS2010模型进行改正；

多径误差，观测噪声等在数据处理中忽略不计。

Claims (4)

1.一种基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，其特征是：含有以下步骤：

步骤1、建立观测模型：

步骤1.1、使用不同观测站的接收机同时观测相同卫星；

步骤1.2、单差载波相位时间传递采用双频观测数据，组成无电离层组合观测值，伪距和载波相位的无电离层组合分别如下列公式所示：

式中，

P_c为无电离层组合后的伪距观测值，

L_c为无电离层组合后的载波相位观测值，以米为单位，

P₁，P₂分别为L1载波和L2载波上的伪距观测值，

f₁，f₂分别为L1载波和L2载波对应的频率值，

分别为L1载波和L2载波上的载波相位观测值，

λ₁，λ₂分别为L1载波和L2载波对应的波长；

无电离层伪距和载波相位的观测模型可表达如下：

式中，

λ_c＝(λ₂-γλ₁)(1-γ)，为无电离层组合波长，

N_c＝(λ₂N₂-γλ₁N₁)(1-γ)，为无电离层组合模糊度，

D_geo为接收机天线相位中心到卫星天线相位中心的几何传播距离，包含相对论效应，

D_tropo为对流层时延，

D_wind为天线相位中心缠绕，

h_rec为接收机钟差，

h^emi为卫星钟差，

为影响无电离层伪距和载波相位对齐的未知的偏差，使用载波相位作为参考时，代表伪距的偏差，

N₁，N₂分别为L1载波和L2载波上的相位模糊度，

为无电离层载波相位观测值，以周为单位；

步骤1.3、在组成无电离层伪距和载波相位观测值之后，对此组合观测值在观测站间做差，作差后的模型为：

ΔP_c＝Δ(D_geo+D_tropo)+Δh_rec

ΔL_c＝Δ(D_geo+D_tropo+D_wind)+Δh_rec-ΔN_c；

步骤2、对单差载波相位时间传递数据进行处理：使用IGS精密星历和精密钟差产品，对两个观测站观测数据进行处理，数据处理过程如下：

步骤2.1、数据读取：对RINEX观测文件、精密星历及精密钟差文件进行读取，并在观测文件中选取双频伪距和双频载波相位观测值，数据读取模块完成后，得到双频伪距和双频载波相位观测值，以及精密星历数据，求解出卫星至接收机的距离；

步骤2.2、数据预处理：

对载波相位观测值进行粗差剔除和周跳探测及修复，在得到修复周跳、剔除粗差后的“干净”的载波相位值后，组成无电离层伪距和载波相位观测值，然后使用无电离层载波相位观测值平滑无电离层伪距观测值，得到经载波相位平滑后的无电离层伪距观测值；无电离层伪距和载波相位的组合分别如下列公式所示：

步骤2.3、误差校正：对影响单差载波相位时间传递的各种误差进行修正，包括对流层延迟、接收机天线相位中心偏差、地球自转效应、天线相位缠绕、固体潮、海洋负荷潮汐、多径误差和观测噪声；

步骤2.4、时间比对计算；

选取测站钟差Δh_rec和无电离层组合相位模糊度ΔN_c为未知参数，组成线性方程：

H＝AX

式中，A为观测矩阵，X为未知数，H为观测值矩阵；

其中，观测矩阵A和未知数X分别为：

式中，Δh_rec为两观测站之间的钟差，分别为两观测站接收机观测卫星1…N的无电离层组合相位模糊度的差，N为大于等于1的自然数；

观测值矩阵H如下式所示：

式中，

分别为两观测站观测卫星1…N的无电离层伪距观测值的差，

分别为两观测站观测卫星1…N的无电离层载波相位观测值的差，

ΔD_geo为两观测站星地径向距离的差，

ΔD_tropo为两观测站对流层时延的差，

ΔD_wind为两观测站天线相位缠绕的差；

在将两观测站之间的钟差Δh_rec和无电离层组合相位模糊度ΔN_c组成线性方程后，采用卡尔曼滤波法求解线性方程，得到无电离层组合相位模糊度及两个观测站间的钟差，实现单差载波相位时间传递。

2.根据权利要求1所述基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，其特征是：所述步骤2.1中精密星历和精密钟差产品给出的卫星精密轨道信息是按照15min的时间间隔给出的，观测文件中观测数据是按照30s的间隔给出的，使用拉格朗日多项式插值法进行内插，将精密星历内插到30s的时间间隔。

3.根据权利要求1所述基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，其特征是：所述步骤2.2中选取TurboEdit方法和电离层残差法组合进行粗差剔除和周跳的探测及修复；使用Hatch滤波公式进行载波相位平滑伪距的工作。

4.根据权利要求1所述基于单差载波相位观测值的远程时间传递方法，其特征是：所述步骤2.3中，误差信息的校正方法为：

对流层延迟：使用萨斯塔莫宁模型和NMF投影函数模型进行改正；

接收机天线相位中心偏差：使用IGS发布的IGS ANTEX进行校正；

地球自转改正：使用Sagnac效应改正公式进行改正；

天线相位缠绕：使用Wu模型进行改正；

固体潮和海洋负荷潮汐：采用IERS2010模型进行改正；

多径误差，观测噪声在数据处理中忽略不计。