CN111562594A - 基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，属于卫星时间传递技术领域。首先，基于时间主站和用户站的北斗观测数据，组成站间单差观测方程并约束测站坐标进行解算，获得初始的单差模糊度浮点解和对应的方差阵；其次，选定参考卫星，对求解的单差模糊度进行星间差分，进行双差模糊度的归整和固定，并将该参考卫星的单差浮点解作为基准，恢复模糊度固定后其他的单差模糊度的浮点解；再后，将固定后得到的全部单差模糊度浮点解代入原始观测方程，求解两站之间的时差参数。本发明提出的技术方法不需要外部辅助条件即可以简单实施，同时也适用于广播星历，方便实时应用。

Description

基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法
技术领域
本发明属于卫星时间传递技术领域，具体涉及基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法。
背景技术
基于卫星导航系统的时间传递方法因成本低、连续性好、全天候等特点成为精密时间传递的重要手段之一。卫星时间传递中常规方法有共视法(CV)，全视法(AV)和载波相位(CP)。CP方法因为使用了高精度载波相位观测值，时间传递精度高成为当前的主流技术。但是，当前的CP时间传递方法存在两个局限，一是采用非差模式，观测值中很多误差难以高效处理，影响时间传递的精度；二是常规的CP时间传递解算中载波相位模糊度都是浮点解，难以高效准确固定，对收敛速度和精度也有影响。
如何高效修正观测误差并实现CP中相位模糊度的固定，进一步提高CP时间传递的精度和收敛速度，对时间服务具有重要应用价值。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明提供基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，首先，基于时间主站和用户站的北斗观测数据，组成站间单差观测方程并约束测站坐标进行解算，获得初始的单差模糊度浮点解和对应的方差阵；其次，选定参考卫星，对求解的单差模糊度进行星间差分，进行双差模糊度的归整和固定，并将该参考卫星的单差浮点解作为基准，恢复模糊度固定后其他的单差模糊度的浮点解；再后，将固定后得到的全部单差模糊度浮点解代入原始观测方程，求解两站之间的时差参数。
本发明的技术方案是：基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，主要包括以下步骤：
第一步：数据获取
获得主站和用户站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据；
第二步：数据预处理
首先，对全部数据进行质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历、观测值不完整的数据以及删除不共同观测的卫星数据，得到干净可用的数据，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
第三步：误差模型改正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正；
第四步：建立单差观测模型
对于全部公共卫星，进行站间差分，形成单差观测方程，并确定随机模型，通过组建站间单差观测方程，可以很好的消除或削弱非模型化误差，提高观测值误差的修正水平，进而提高时间传递精度；
第五步：单差数据解算
基于第四步中得到的单差观测方程和随机模型，进行最小二乘求解，估计得到参数的初值以及对应的方差-协方差阵；
第六步：模糊度固定
基于第五步中的单差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，选定参考卫星，转化为具有整周特性的双差模糊度，采用Lambda算法进行固定，并将参考卫星的站间单差模糊度浮点解作为基准，恢复模糊度固定后全部单差模糊度的浮点解，通过采用模糊度固定技术，实现求解参数的快速收敛和精准估计，提高时间传递性能；
第七步：时差参数确定
将第六步中求解的模糊度固定后全部单差模糊度浮点解代入到第四步的单差观测模型中，再次求解得到时差参数，即完成时间传递工作。
进一步地，第一步中数据处理需要的辅助数据，包括精密星历、天线相位中心参数、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数，用来进行误差修正。
进一步地，第三步中相对论和潮汐误差使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心误差采用igs14.atx模型改正，对流层误差采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差使用IERS EOP C04模型改正。
进一步地，第四步中形成的单差观测方程为：
LP-U-LP-R＝ΔρP+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+ΔmodelP+ΔεP
LΦ-U-LΦ-R＝ΔρΦ+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+λ·ΔN+ΔmodelΦ+ΔεΦ其中，P和Φ代表伪距和相位，L为无电离层组合观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维坐标改正量，Δ表示站间差分，R和U代表主站和用户站，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，C为光速，dt为时差，model为各种模型化误差总和，ε代表观测噪声。
进一步地，第四步中形成的随机模型如下：
Figure BDA0002483028820000031
其中，a为观测值精度，伪距观测值一般设为0.2-0.3m，相位观测值一般设为0.002-0.003m，
Figure BDA0002483028820000032
为两测站卫星高度角平均值，单位为弧度。
更进一步地，第五步中测站坐标进行强约束估计，对流层残差进行随机游走估计，单差模糊度连续无周跳情况下当作常数估计，在有周跳时重新初始化，时差参数进行白噪声估计，从而得到各参数的估计值。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，具备以下的优点：
(1)本发明将主站和用户站的观测组成站间单差观测方程，进行参数估计获取单差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，并选定参考卫星，实现双差模糊度归整和固定，同时确定参考星单差模糊度浮点解为基准，恢复模糊度固定后的全部单差模糊度浮点解，进而代入单差模型求解得到时差参数，实现精密时间传递。
(2)站间单差模式，可以消除或削弱轨道、钟差等共性误差，提高观测值误差修正水平，提高时间传递精度，相对于常规CP方法中非差观测值误差难以高效修正，本发明通过组建站间单差观测方程，可以很好的消除或削弱非模型化误差，提高观测值误差的修正水平，进而提高时间传递精度。
(3)模糊度采用固定技术，实现求解参数的快速收敛和精准估计，提高时间传递性能，相对于常规CP时间传递方法采用模糊度浮点解，其参数收敛过程很慢，本方法采用模糊度固定模式，不仅加快了收敛速度，同时也提高了时间传递精度。
(4)方法实施简单，同时也适用于广播星历，方便实时应用，不需要外部辅助条件即可以简单实施，方便操作，同时，因为采用站间单差模式，其卫星轨道、钟差、大气等误差相关性很高，可以有效消除，因此本方法也实用于广播星历，方便实时应用。
附图说明
图1为本发明的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递技术流程图；
图2为本发明的PT11测站获取的时差序列。
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。
实施例：如图1、2所示的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，主要包括以下步骤：
第一步：数据获取
获得主站PTBB和用户站PT11上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据，其中，数据处理需要的辅助数据包括精密星历，天线相位中心参数、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数，用来进行误差修正，2020年001天单天数据为例，数据采样间隔为30s；
第二步：数据预处理
首先，对全部数据进行质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历、观测值不完整的数据以及删除不共同观测的卫星数据，得到干净可用的数据，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
第三步：误差模型改正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正，其中相对论和潮汐误差使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心误差采用igs14.atx模型改正，对流层误差采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差使用IERS EOP C04模型改正；
第四步：建立单差观测模型
对于全部公共卫星，进行站间差分，形成单差观测方程，单差观测方程具体为：
LP-U-LP-R＝ΔρP+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+ΔmodelP+ΔεP
LΦ-U-LΦ-R＝ΔρΦ+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+λ·ΔN+ΔmodelΦ+ΔεΦ
(1)
其中，P和Φ代表伪距和相位，L为无电离层组合观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维坐标改正量，Δ表示站间差分，R和U代表主站和用户站，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，C为光速，dt为时差，model为各种模型化误差总和，ε代表观测噪声；
并确定随机模型，随机模型如下：
Figure BDA0002483028820000051
其中，a为观测值精度，伪距观测值一般设为0.2-0.3m，相位观测值一般设为0.002-0.003m，
Figure BDA0002483028820000052
为两测站卫星高度角平均值，单位为弧度，通过组建站间单差观测方程，可以很好的消除或削弱非模型化误差，提高观测值误差的修正水平，进而提高时间传递精度；
第五步：单差数据解算
基于第四步中得到的单差观测方程和随机模型，进行最小二乘求解，估计得到参数的初值以及对应的方差-协方差阵，测站坐标进行强约束估计，对流层残差进行随机游走估计，单差模糊度连续无周跳情况下当作常数估计，在有周跳时重新初始化，时差参数进行白噪声估计；
第六步：模糊度固定
基于第五步中的单差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，选定参考卫星，转化为具有整周特性的双差模糊度，采用Lambda算法进行固定，并将参考卫星的站间单差模糊度浮点解作为基准，恢复模糊度固定后全部单差模糊度的浮点解，通过采用模糊度固定技术，实现求解参数的快速收敛和精准估计，提高时间传递性能；
第七步：时差参数确定
将第六步中求解的模糊度固定后全部单差模糊度浮点解代入到第四步的单差观测模型中，再次求解得到时差参数，即完成时间传递工作。

Claims (5)

1.基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
第一步：数据获取
获得主站和用户站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据；
第二步：数据预处理
首先，对全部数据进行质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历、观测值不完整的数据以及删除不共同观测的卫星数据，得到干净可用的数据，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
第三步：误差模型改正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正；
第四步：建立单差观测模型
对于全部公共卫星，进行站间差分，形成单差观测方程，并确定随机模型；
第五步：单差数据解算
基于第四步中得到的单差观测方程和随机模型，进行最小二乘求解，估计得到参数的初值以及对应的方差-协方差阵；
第六步：模糊度固定
基于第五步中的单差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，选定参考卫星，转化为具有整周特性的双差模糊度，采用Lambda算法进行固定，并将参考卫星的站间单差模糊度浮点解作为基准，恢复模糊度固定后全部单差模糊度的浮点解；
第七步：时差参数确定
将第六步中求解的模糊度固定后全部单差模糊度浮点解代入到第四步的单差观测模型中，再次求解得到时差参数，即完成时间传递工作。
2.根据权利要求1所述的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，其特征在于，第一步中数据处理需要的辅助数据包括精密星历、天线相位中心参数、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。
3.根据权利要求1所述的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，其特征在于，第三步中相对论和潮汐误差使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心误差采用igs14.atx模型改正，对流层误差采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差使用IERS EOP C04模型改正。
4.根据权利要求1所述的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，其特征在于，第四步中形成的单差观测方程为：
LP-U-LP-R＝ΔρP+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+ΔmodelP+ΔεP
LΦ-U-LΦ-R＝ΔρΦ+A·Δx+F·Δtrop+C·Δdt+λ·ΔN+ΔmodelΦ+ΔεΦ
其中，P和Φ代表伪距和相位，L为无电离层组合观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维坐标改正量，Δ表示站间差分，R和U代表主站和用户站，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，C为光速，dt为时差，model为各种模型化误差总和，ε代表观测噪声。
5.根据权利要求1所述的基于站间单差和模糊度固定的北斗精密时间传递方法，其特征在于，第四步中形成的随机模型如下：
Figure FDA0002483028810000021
其中，a为观测值精度，伪距观测值一般设为0.2-0.3m，相位观测值一般设为0.002-0.003m，
Figure FDA0002483028810000022
为两测站卫星高度角平均值，单位为弧度。
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