CN111650612A - 一种基于双差模式的实时精密时间传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及时间传递技术领域，具体是涉及一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，首先，基于时间主站和用户站的卫星观测数据，建立双差数学模型并约束测站坐标进行解算，获得双差模糊度的浮点解和对应的方差阵，并进行双差模糊度固定；其次，选定参考卫星，并给定该颗卫星站间单差模糊度的基准值，进而基于固定的双差整周模糊度，反算出所有卫星的站间单差模糊度；再后，建立站间单差的数学模型，将反算出的单差模糊度代入到站间单差观测方程，求解两站之间的时差参数，实现实时的时间传递。

Description

一种基于双差模式的实时精密时间传递方法
技术领域
本发明涉及时间传递技术领域，具体是涉及一种基于双差模式的实时精密时间传递方法。
背景技术
基于卫星导航系统的时间传递方法具有成本低、连续性好、全天候、全天时等特点被广泛应用。基于伪距观测的卫星时间传递方法有共视法(CV)，全视法(AV)；基于载波相位观测的卫星时间传递方法有非差的精密单点定位法(PPP)和站间单差法(SD)。载波相位观测精度是伪距观测的100倍，因此基于载波相位观测值的时间传递技术成为当前的主流技术。但是，当前的载波相位时间传递方法存在三个局限，一是采用非差或单差模式，观测值中很多误差难以高效处理，时间传递的精度受到影响；二是当前的时间传递解算中载波相位模糊度不具有整周特性，不可以进行整周模糊度固定，对参数估计的收敛性和精度均有影响；三是当前载波相位时间传递方法都是事后处理模式，需要精密星历支持，不方便实时应用。
如何高效修正观测误差，提高时间传递的精度，并实现载波相位观测值模糊度的归整和固定，进一步加快参数估计的收敛速度，同时容易实时操作，对实时的时间服务具有重要应用价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足以及对现有技术进行补充，本发明提供一种基于双差模式的实时精密时间传递方法。首先，基于时间主站和用户站的卫星观测数据，建立双差数学模型并约束测站坐标进行解算，获得双差模糊度的浮点解和对应的方差阵，并进行双差模糊度固定；其次，选定参考卫星，并给定该颗卫星站间单差模糊度的基准值，进而基于固定的双差整周模糊度，反算出所有卫星的站间单差模糊度；再后，建立站间单差的数学模型，将反算出的单差模糊度代入到站间单差观测方程，求解两站之间的时差参数，实现实时的时间传递。具体的技术方案如下：
第一步，数据获取。获得时间主站和用户站上卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据，包括广播星历，天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。
第二步，数据预处理。首先，对全部数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，删除非公共观测的卫星数据，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。其中相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正。这得说明的是，对于短距离的时间传递，由于误差的空间相关性较强，所以这些误差改正可以忽略。
第四步，建立双差数学模型。对于全部公共卫星，进行站间和星间差分，形成双差的观测方程，如下：
Figure BDA0002511947150000021
式中：P为伪距值，Φ为相位观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维基线向量，
Figure BDA0002511947150000022
为双差，R为主站，U为用户站，i和j代表不同卫星编号，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，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，如下：
Figure BDA0002511947150000031
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 BDA0002511947150000032
为两测站卫星高度角平均值，单位为弧度。
第五步，双差解算与双差模糊度固定。基于双差观测方程(1)和随机模型(2)，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。其中测站坐标进行强约束估计；对流层残差随机游走估计；双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。基于估计的双差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，采用Lambda算法进行双差模糊度固定。
第六步，确定参考星和单差模糊度基准。选定高度角最大且无周跳的卫星为参考卫星，并给定该颗卫星的单差模糊度基准值。
第七步，站间单差模糊度反算。基于第五步中固定的双差模糊度和第六步给定的单差模糊度基准值，反算出全部公共卫星的站间单差模糊度。
第八步，站间单差数学模型建立。其单差函数模型如下：
Figure BDA0002511947150000033
式中，C为光速，dt为时差，Δ表示站间单差，其他符号含义同式(1)中符号含义；随机模型同公式(2)。
第九步，时差参数计算。基于单差的数学模型，进行最小二乘计算，获得时差参数。其中，坐标参数强约束，对流层残差随机游走估计，单差模糊度直接代入，时差参数白噪声估计。
与现有的载波相位时间传递方法相比，本发明的有益效果是：
(1)相对于常规载波相位时间传递方法中非差或单差观测值误差难以高效修正，本发明通过组建双差的观测方程，可以很好的消除或削弱共性误差或非模型化误差，提高观测值误差的修正水平，进而提高时间传递精度。
(2)相对于常规载波相位时间传递方法中模糊度不具有整周特性，本发明使用双差观测值，模糊度实现了归整，可以进行固定，不仅加快了参数估计的收敛速度，同时也提高了时间传递精度。
(3)本发明提出的技术方法采用双差模型，与RTK定位方法类似，可以采用广播星历进行处理，方便实时应用。
附图说明
图1是本发明基于双差模式的实时精密时间传递技术流程图；
图2是本发明观测站获取的时差序列比较图。
图2中：A线为采用精密星历(PPP)的时间传递结果，B线为采用本发明广播星历的时间传递结果。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述。
实施例一
本发明将时间主站和用户站的观测组成双差数学模型，进行参数估计得到双差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，并实现双差模糊度的固定；同时选定参考卫星并给定参考卫星的站间单差模糊度基准值，反算出全部公共卫星的站间单差模糊度；建立站间单差观测的数学模型，代入反算出的站间单差模糊度，求解时差参数，实现实时的精密时间传递。
本发明的技术方案主要包括三大核心技术：
1、双差数学模型建立与参数初值求解
站间星间双差观测函数模型确定如下：
Figure BDA0002511947150000051
式中：P为伪距值，Φ为相位观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维基线向量，
Figure BDA0002511947150000052
为双差，R为主站，U为用户站，i和j代表不同卫星编号，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，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，如下：
Figure BDA0002511947150000053
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 BDA0002511947150000055
为两测站卫星高度角平均值，单位为弧度。
2、双差模糊度固定与单差模糊度反算
基于求解的双差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，采用Lambda算法进行双差模糊度固定。同时，选定参考卫星并给定参考卫星的站间单差模糊度基准值，反算出全部公共卫星的单差模糊度。
3、站间单差数学模型建立与时间传递解算
站间单差的函数模型如下：
Figure BDA0002511947150000054
式中，C为光速，dt为时差，Δ表示站间单差，其他符号含义同式(1)中符号含义；随机模型同公式(2)。
基于站间单差数学模型和反算的单差模糊度，实时估计时差参数，即可以实现实时的时间传递。
实施例二
实施例二是基于实施例一中的三大核心技术进行建立的，具体的实施例如下：
如图1所示，本发明的实施例包括数据获取，数据预处理，误差模型改正，建立双差数学模型，双差解算与双差模糊度固定，确定参考星和单差模糊度基准，站间单差模糊度反算，站间单差数学模型建立，时差参数求解九个部分。
第一步，数据获取。获得时间主站和用户站上卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据，包括广播星历，天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。选取时间主站PTBB，用户站PT11，2020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。对数据进行质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，并删除非公共的卫星数据，得到干净可用的数据，进行周跳探测，给出周跳探测结果。
第三步，误差模型改正。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，其中相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正。
第四步，建立双差数学模型。对于公共卫星，进行站间星间差分，形成双差的观测方程，并依据高度角和观测噪声确定随机模型。
第五步，双差解算与双差模糊度固定。采用最小二乘算法进行参数估计，其中，测站坐标强约束估计；对流层残差随机游走估计；双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。基于求解的双差模糊度浮点解和对应的方差阵，采用Lambda算法进行双差模糊度固定。
第六步，确定参考星和单差模糊度基准。根据卫星高度角最大且无周跳原则，选择参考卫星。同时给定参考卫星的站间单差模糊度基准为零值。
第七步，站间单差模糊度反算。基于第五步中固定的双差模糊度和第六步确定的参考卫星单差模糊度基准值，反算出全部公共卫星的站间单差模糊度。
第八步，站间单差数学模型建立。对于共用卫星，建立站间单差的数学模型，包括函数模型和随机模型。
第九步，时差参数求解。基于站间单差数学模型和第七步求解的站间单差模糊度，计算时差参数，实现实时的时间传递。图2为本发明采用广播星历与采用精密星历(常规PPP方法)的时间传递结果对比，可以看出本专利方法收敛快，实时精度与事后精度相当。
实验例
图2为本专利方法采用广播星历与采用精密星历(常规PPP方法)的时间传递结果对比，从图中可以看出本发明在实时精度与事后精度相当的前提下，收敛更快。

Claims (6)

1.一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1:数据的获取与预处理：获取时间主站和用户站上卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据；对上述数据进行筛选处理，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
S2:误差修正与模型建立：对步骤S1中预处理后的数据进行误差修正，根据所述修正数据建立双差观测方程和随机模型；
S3:确定双差模糊度：基于步骤S2中的双差观测方程和随机模型，估算出双差模糊度初值和对应的方差-协方差阵，然后进行双差模糊度固定；
S4:确定单差模糊度基准值：选定高度角最大且无周跳的卫星为参考卫星，并给定该颗卫星的单差模糊度基准值；
S5:确定站间单差模糊度与建立站间单差数学模型：基于步骤S3中确定的双差模糊度和步骤S4中确定的单差模糊度基准值，反算出全部公共卫星的站间单差模糊度，并以此建立站间单差数学模型；
S6:确定时差参数：基于步骤S5中建立的单差数学模型，计算出时差参数，实现实时的时间传递。
2.如权利要求1所述的一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤S1中，辅助参数包括广播星历，天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标和潮汐参数。
3.如权利要求1所述的一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤S2中，对数据的误差修正方式包括：相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正；
所述相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型修正；对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正。
4.如权利要求1所述的一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤S2中，卫星的双差观测方程是基于对全部公共卫星，进行站间和星间差分建立的，具体如公式(1)：
Figure FDA0002511947140000021
卫星的随机模型是基于卫星的高度角建立的，具体如式(2)：
Figure FDA0002511947140000022
式中：P为伪距值，Φ为相位观测值，A为站星间单位方向矢量，x为三维基线向量，
Figure FDA0002511947140000023
为双差，R为主站，U为用户站，i和j代表不同卫星编号，trop代表对流层残差，F为投影系数，ρ为站星几何距离，model为各种模型化误差总和，ε代表观测噪声，a为观测值精度，
Figure FDA0002511947140000024
为两测站卫星高度角平均值。
5.如权利要求1所述的一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，所述步骤S3中，相关数据的估算方法为：对观测站坐标参数进行强约束估计；对流层残差进行随机游走估计；双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。
6.如权利要求1所述的一种基于双差模式的实时精密时间传递方法，其特征在于，所述站间单差数学模型，具体如式(3)：
Figure FDA0002511947140000025
随机模型同式(2)；
式中，C为光速，dt为时差，Δ表示站间单差，其他符号含义同式(1)中符号含义。
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