CN111766614B - 一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，用以解决现有技术原子钟时间比对的实时性和精确度问题。所述守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，根据观测站接收机数据分类基准站、参考站和流动站，在周跳探测、剔除粗差数据及对IGU卫星轨道插值计算后，并对观测数据进行误差模型改正，联合组建整体观测方程，进行参数估计，得到相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差。本发明通过联合多个守时实验室观测数据，基于IGU轨道产品实现了组网亚纳秒量级实时时间传递，增加多余观测量，将卫星钟差和测站钟差作为未知数统一解算，进而实现高精度的实时时间传递。

Description

一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种守时实验室联合组网的亚纳秒时间比对方法。
背景技术
随着全球卫星技术的发展，卫星导航系统在军事、生活、生产中得到了越来越广泛的应用。导航系统的核心是原子钟，原子钟的准确度和稳定度直接影响导航系统卫星导航、空间探测、发射测控等服务性能。要确保原子钟的准确、稳定运行，需要各监测站原子钟进行远程实时比对。目前，原子钟的频率稳定度已经达到E-16量级，对原子钟实时比对监测不确定度要求达到亚纳秒量级。20世纪 80年代开始，国内外学者相继开展了基于GPS C/A码、P码和载波相位观测值的远程时间频率传递研究。
GPS共视时间传递(GPS Come View，GPS CV)、GPS全视时间传递(GPS All View，GPS AV)的时间比对A类不确定度在5ns以内。GPS载波相位时间传递(GPS Carrier Phase，GPS CP)的单站授时后处理不确定度优于1ns，普通双频接收机非校正模式亦可达到纳秒量级不确定度。中长距离站间单差GPS CP的时间比对不确定度优于0.3ns。GPS精密单点定位(GPS Precise Point Positioning，GPS PPP)方法利用非差伪距和载波相位观测值，在高精度时频传递上具有可行性，距离几百甚至上千公里的天频率稳定度可达10-15量级。
现有技术中，参与国际原子时计算的守时实验室主要采用GPS CV和GPS PPP进行远程时间传递。GPS CV可实时处理观测数据，进行实时共视时间比对，但是其A类不确定度约2ns，无法满足亚纳秒时间传递的需求。GPS PPP的A 类不确定度约0.3ns，但是需要精密星历和卫星钟差产品，国际GNSS服务组织 (International GNSS Service，IGS)发布的GPSPPP产品一般有17～41个小时的延迟，无法实现实时时间比对。
发明内容
本发明实施例的目的是为了实现导航系统中原子钟的亚纳秒实时时间比对，提出了一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，联合多个守时实验室观测数据，基于超快速星历产品IGU实现多站联合实时时间比对，时间比对结果与IGS最终钟差的一致性达到0.3ns以内，比对结果的天频率稳定度优于 2.5×10-15。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，所述亚纳秒实时时间比对方法包括如下步骤：
步骤S1，读取观测站接收机数据及IGU卫星轨道信息，根据所述观测站接收机数据指定基准站、参考站和流动站，并输入基准站和参考站的坐标；
步骤S2，对所述观测站接收机数据进行周跳探测，剔除接收机粗差数据，并对观测历元的IGU卫星轨道进行插值计算；
步骤S3，对基准站、参考站和流动站的实时观测数据进行误差模型改正；
步骤S4，依据基准站、参考站和流动站的实时观测数据，联合组建整体观测方程，进行参数估计，得到相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差；
步骤S5，输出相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差，完成实时时间比对。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S1中指定基准站、参考站和流动站，进一步为：
当观测站的接收机时钟为基准钟且测站坐标已知时，该观测站为基准站；
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标已知时，该观测站为参考站，
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标未知时，该观测站为流动站。
作为本发明的一个优选实施例，所述基准站仅有1个，误差方程为：
其中，δtj、di＝1,Tzd和为未知参数；δtj＝dtj-dti＝1，为卫星钟的钟差；
所述参考站的误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和为未知参数；δti＝2＝dti＝2-dti＝1，为参考站与基准站的钟差；
所述流动站的误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和/>为未知参数；/>包含流动站坐标的3个未知数；
式(5)～(6)中，为伪距和载波相位无电离层组合观测值；/>为接收机到卫星的几何距离；c为光速；dti和dtj分别为接收机钟差和卫星钟差；/>为对流层延迟；λ为波长；/>为无电离层组合模糊度参数；/>和/>分别表示未模型化的误差影响；当卫星坐标为(xj,yj,zj)，观测站近似坐标为/>时，
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S2中的周跳探测，采用TurboEdit 方法。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S3的误差模型改正项至少包括电离层延迟、对流层延迟、相对论效应、天线相位缠绕、天线相位中心改正、硬件码延迟。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S4中进行参数估计，通过采用卡尔曼滤波方法进行参数估计。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例的守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，相对传统的GPS CV和GPS PPP时间比对，同时兼具了两者实时性和高精度的优点。一是实时性方面：采用了IGU卫星轨道产品，克服了GPS PPP所采用的IGR或 IGS卫星轨道钟差产品时延较长的缺陷；二是高精度方面：采用了IGU卫星轨道产品，为了避免卫星钟差产品的影响，将卫星钟差作为未知数，通过增加观测量和测站坐标信息实现卫星钟差、测站钟差联合解算，满足亚纳秒量级时间传递需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法原理示意图；
图2为本发明实施例守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法流程图。
具体实施方式
下面通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
传统的GPS PPP时间传递方法是一种事后数据处理方法，计算结果的实时性主要依赖于精密星历产品的延迟，一般约17～41小时。针对守时实验室的高精度实时时间比对需求，本发明联合多个守时实验室观测数据，基于IGU超快速星历产品实现多站联合实时时间比对，时间比对结果与IGS最终钟差的一致性达到了0.3ns以内，比对结果的天频率稳定度优于2.5×10-15。
GPS PPP数据处理的观测模型包括无电离层组合模型、UofC模型和非组合模型。无电离层组合模型采用双频观测量消除电离层延迟误差，以IGS精密星历(精度2cm～3cm)和卫星钟差(精度优于0.1ns)作为解算输入条件，计算接收机坐标和钟差。伪距和载波相位数学模型如下：
其中，为伪距和载波相位无电离层组合观测值；/>为接收机到卫星的几何距离；c为光速；dti和dtj分别为接收机钟差和卫星钟差；/>为对流层延迟；λ为波长；/>为无电离层组合模糊度参数；/>和/>分别表示未模型化的误差影响。
卫星坐标(xj,yj,zj)和卫星钟差dtj采用IGS所提供的精密星历和钟差产品。测站坐标(xi,yi,zi)、接收机钟差dti、无电离层组合模糊度及对流层延迟/>为未知数，对流层延迟/>采用天顶对流层延迟di,Tzd和映射函数M表示。设测站近似坐标为/>则式(7)和式(8)经过线性化后的误差方程为：
本发明提出的守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，以IGS预报星历产品为基础，将卫星钟差作为未知数，通过利用多个测站联合观测增加多余观测量，实现接收机钟差的高精度实时解算。图1所示为本发明实施例守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法原理示意图。如图1所示，基准站、流动站及多个参考站的守时实验室联合组网，同时对多个GNSS卫星的时间进行实时比对，达到亚纳秒量级。由式(9)和式(10)可知，若直接解算卫星钟差和接收机钟差，方程会出现奇异，本发明选取某个时钟作为基准钟，计算接收机时钟和卫星钟相对于基准钟的钟差。
如图1所示，本发明中，根据测站的接收机时钟是否为基准钟和测站坐标是否为已知，将所有测站分为基准站、参考站和流动站，不同类型测站的误差方程略有区别。若测站1的接收机时钟为基准钟且测站坐标已知，则该测站为基准站，基准站仅有1个，其误差方程为：
其中，δtj、di＝1,Tzd和为未知参数。δtj＝dtj-dti＝1，即卫星钟的钟差。
若测站2的接收机时钟不是基准钟，同时测站坐标已知，则该测站为参考站，其误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和为未知参数。δti＝2＝dti＝2-dti＝1，即测站2与测站1 的钟差。
若测站3的接收机时钟不是基准钟，同时测站坐标未知，则该测站为流动站，其误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和/>为未知参数。/>包含了流动站坐标的3个未知数。
根据式(5)～式(6)可知，当区域内测站的共视卫星数量足够多时，可联合解算出参考站、流动站的接收机钟差和卫星钟差，进而实现时间比对。
下面结合附图，通过实施例对本发明的守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法进一步详细的说明。
图2所示为本实施例所述守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法流程图。如图2所示，所述亚纳秒实时时间比对方法包括如下步骤：
步骤S1，进行数据导入：读取观测站接收机数据，根据所述观测站接收机数据指定基准站、参考站和流动站，并输入基准站和参考站的坐标，确保有足够多的可视卫星数和观测站坐标信息，同时读取IGU卫星轨道信息。
所述指定基准站、参考站、流动站，具体为：
当观测站的接收机时钟为基准钟且测站坐标已知时，该观测站为基准站，基准站仅有1个，误差方程为：
其中，δtj、di＝1,Tzd和为未知参数。δtj＝dtj-dti＝1，即卫星钟的钟差。
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标已知时，该观测站为参考站，其误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和为未知参数。δti＝2＝dti＝2-dti＝1，即测站2与测站1 的钟差。
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标未知时，该观测站为流动站，其误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和/>为未知参数。/>包含了流动站坐标的3个未知数。
步骤S2，对所述观测站接收机数据进行周跳探测，剔除接收机粗差数据，并对观测历元的IGU卫星轨道进行插值计算。优选地，本步骤采用TurboEdit方法进行周跳探测。通过本步骤中的插值计算，对数据点进行加密，原来的数据点 15分钟一个点，插值以后变成了30s一个点。
步骤S3，对所述基准站、参考站和流动站的实时观测数据进行误差模型改正：误差模型改正项包括电离层延迟、对流层延迟、相对论效应、天线相位缠绕、天线相位中心改正、硬件码延迟等；采用增加了误差模型改正项后的观测模型，得到各观测站的观测数据。
步骤S4，模型解算：依据基准站、参考站和流动站的观测数据联合组建整体观测方程，进行参数估计，得到相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差。优选地，本步骤中采用卡尔曼滤波方法进行参数估计。
步骤S5，钟差结果输出：输出相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差，完成实时时间比对。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例的守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，采用传统的GPS PPP时间传递结合IGR卫星星历和钟差产品，分别计算出每个守时实验室与参考时间基准的时差，然后进行互差实现实时高精度时间传递。本发明联合多个守时实验室观测数据，增加多余观测量，将卫星钟差和测站钟差作为未知量进行统一解算，避免了IGU卫星钟差产品精度低的缺陷，同时实现了亚纳秒量级的实时时间传递。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种守时实验室联合组网的亚纳秒实时时间比对方法，其特征在于，所述亚纳秒实时时间比对方法同时对多个GNSS卫星的时间进行实时比对，达到亚纳秒量级，并具体包括如下步骤：
步骤S1，读取观测站接收机数据及IGU卫星轨道信息，根据所述观测站接收机数据指定基准站、参考站和流动站，并输入基准站和参考站的坐标；
步骤S2，对所述观测站接收机数据采用TurboEdit方法进行周跳探测，剔除接收机粗差数据，并对观测历元的IGU卫星轨道进行插值计算，通过插值计算对数据点进行加密，原来的数据点15分钟一个点，插值以后变成了30s一个点；
步骤S3，对基准站、参考站和流动站的实时观测数据进行误差模型改正；采用增加了误差模型改正项后的观测模型，得到各观测站的观测数据；
步骤S4，依据基准站、参考站和流动站的观测数据联合组建整体观测方程，采用卡尔曼滤波方法进行参数估计，得到相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差；
步骤S5，输出相对于基准站时钟钟差的卫星钟差、参考站钟差和流动站钟差，完成实时时间比对。
2.根据权利要求1所述的亚纳秒实时时间比对方法，其特征在于，所述步骤S1中指定基准站、参考站和流动站，进一步为：
当观测站的接收机时钟为基准钟且测站坐标已知时，该观测站为基准站；
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标已知时，该观测站为参考站，
当观测站接收机时钟不是基准钟、同时测站坐标未知时，该观测站为流动站。
3.根据权利要求2所述的亚纳秒实时时间比对方法，其特征在于，
所述基准站仅有1个，误差方程为：
其中，δtj、di＝1,Tzd和为未知参数；δtj＝dtj-dti＝1，为卫星钟的钟差；
所述参考站的误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和为未知参数；δti＝2＝dti＝2-dti＝1，为参考站与基准站的钟差；
所述流动站的误差方程为：
其中，δti＝2、δtj、di＝2Tzd和/>为未知参数；/>包含流动站坐标的3个未知数；
式(5)～(6)中，Pi j、为伪距和载波相位无电离层组合观测值；/>为接收机到卫星的几何距离；c为光速；dti和dtj分别为接收机钟差和卫星钟差；/>为对流层延迟；λ为波长；/>为无电离层组合模糊度参数；/>和/>分别表示未模型化的误差影响；当卫星坐标为(xj,yj,zj)，观测站近似坐标为/>时，
4.根据权利要求1所述的亚纳秒实时时间比对方法，其特征在于，所述步骤S3的误差模型改正项至少包括电离层延迟、对流层延迟、相对论效应、天线相位缠绕、天线相位中心改正、硬件码延迟。
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GPS多站组网的亚纳秒实时时间比对算法;蔺玉亭 等;《武汉大学学报(信息科学版)》;第1-2节 *

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