CN112235033A - 一种基于rdss通信链路的gnss共视系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,包括GNSS定时接收机、电子计数器、工控板卡和RDSS通信设备,两站进行共视比对时,各站分别向GNSS共视终端提供10MHz频率信号和1PPS秒信号,并同时接收GNSS卫星信号,得到本地钟与卫星参考钟的差值,然后通过RDSS通信网进行数据交换和数据传输,产生共视比对结果,即得到两地钟差,从而实现两站之间的远程高精度时间同步。本发明通过几何时延改正技术,能够有效地改善时间比对结果的精度,提高了程序的执行效率,最终保证共视数据处理的准确性和实时性,实现多站对单站的高精度共视传递和比对。
Description
技术领域
本发明涉及RDSS通信链路领域,特别涉及一种基于RDSS通信链路的GNSS 共视系统。
背景技术
所谓“共视”就是两个不同位置的观测者,在同一时刻观测同一颗GNSS 卫星,其含义是在一颗GNSS卫星的视角内,地球上任何两个地点的钟可以利用同时收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对,GNSS共视比对的优点是能将可能出现的某些误差减到最小,卫星时钟误差会被全部消除,原因是两地接收机的这一误差是共同的,但是不能消除传输数据中的星历误差,只能将星历误差减至最小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于RDSS通信链路的 GNSS共视系统,包括GNSS定时接收机、电子计数器、工控板卡和RDSS通信设备,两站进行共视比对时,各站分别向GNSS共视终端提供10MHz频率信号和1PPS秒信号,并同时接收GNSS卫星信号,得到本地钟与卫星参考钟的差值,然后通过RDSS通信网进行数据交换和数据传输,产生共视比对结果,即得到两地钟差,从而实现两站之间的远程高精度时间同步。
优选的,所述共视原理为:
设A点的钟时间为tA,B点的钟时间为tB,GNSS时间为tGNSS,A、B两地的GNSS接收机在同一个共视时间表作用下,在同一时刻接收同一颗GNSS 卫星信号,接收机输出代表GNSS时间的秒脉冲,送至电子计数器,与本地原子钟输出的秒脉冲比较,在A地,得到本地时刻tA与tGNSS差ΔtAGNSS,同时,在B地得到tB与tGNSS的差ΔtBGNSS,B地的数据可通过通信网传到A地的计算机中,然后两相减可得两台原子钟之间的时间差;
ΔtAGNSS=tA-tGNSS ΔtBGNSS=tB-tGNSS
ΔtAGNSS-ΔtBGNSS=tA-tGNSS-tB+tGNSS=tA-tB=ΔtAB
若在某一时刻测得ΔtAB(ti),经过一段时间τ,即ti+τ时刻测的ΔtAB(ti+τ),则用下式可求出两台钟在τ时间内平均相对频率偏差:
优选的,所述GNSS共视终端包括主要功能如下:
(1)GNSS卫星信号接收功能:接收所有可见GNSS卫星的导航电文,提取导航电文中的星历参数、电离层改正模型等参数;
(2)时差计算功能:根据导航电文中的星历和星钟改正数计算所有可视卫星广播的时间与接收机时间的时差;
(3)数据拟合功能:每次全长跟踪对应780个伪距数据,将伪距数据分为52组,每组15个数据,进行52次的二次曲线拟合,然后对52个拟合结果作一次线性拟合,得到最后的拟合结果;
(4)电离层附加时延改正功能:通过导航电文中的电离层模型对电离层附加时延进行改正;
(5)时延校正功能:对天线电缆时延、本地参考时间的电缆时延和接收机内部时延进行修正,天线电缆时延、参考钟电缆时延和接收机内部时延通过软件界面输入,在共视数据处理时进行修正;
(6)数据保存与输出功能:在指定路径下保存GNSS卫星共视数据,每月生成一个文件,两地进行数据交换和比对后,增加两个文件,一个文件为对方的GNSS卫星共视数据,另一个文件为两地之间的共视比对结果文件。
优选的,所述几何时延改正是卫星位置到地面站接收机位置的几何距离时延,要计算几何时延必须知道接收机位置和卫星位置坐标,接收机位置可通过准确测量得到,卫星位置根据卫星星历计算得出;
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,卫星星历是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率,有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置及其速率,卫星星历分为广播星历和精密星历,广播星历是一种预报星历,由此计算得到的卫星位置精度约为20~40m,有时可达80m,由于卫星的运动是动态的,所以卫星位置不准确将造成信号传播的几何时延的计算误差;
A、B两站观测者同时观测同一颗卫星信息,在t时刻时,卫星共视接收机跟踪的某颗卫星在Sp,而根据广播星历表计算的卫星位置在Sb,|ApSp| 和|BpSp|是SbSp分别在ASb和BSb上的投影,因此在计算从卫星位置到接收机位置的几何时延时将把卫星位置误差引入几何时延;
根据不同的星历可以得到不同的几何时延,卫星共视接收机的内部软件根据接收机位置坐标和由广播星历计算的卫星位置坐标计算几何时延,也就是说,共视比对结果中已经扣除了根据广播星历表位置计算得到的几何时延△Tb,根据广播星历计算得到的卫星位置不准确,所以在共视比对结果中扣除△Tb必将影响比对结果的精度,因此需要用精密星历表位置计算的几何时延△Tp改正几何时延△Tb,在使用△Tp改正共视比对结果时,必须先加上几何时延△Tb,然后扣除△Tp。
优选的,所述电离层延迟模型包括8个参数:α0、α1、α2、α3、β0、β1、β2和β3,利用这8个参数和Klobuchar模型计算B1I信号的电离层延迟改正I′z(t),单位为秒,具体如下:
式中:t是接收机至卫星连线与电离层交点(穿刺点M)处的地方时(取值范围为0~86400),单位为秒,其计算公式为:
t=(tE+λM×43200/π)[模86400];
其中,tE是用户测量时刻的BDT,取周内秒计数部分,λM是电离层穿刺点的地理经度,单位为弧度;
A2为白天电离层延迟余弦曲线的幅度,用αn系数求得:
A4为余弦曲线的周期,单位为秒,用βn系数求得:
优选的,采用多线程技术对数据进行处理,软件采用多线程技术并行启动各进程,从而在采集GNSS卫星星历数据和计数器数据的同时,完成译码、共视数据处理、共视数据传递、交换和比对、存储和动态数据显示任务,共视数据处理主线程启用接收机数据实时译码子线程和接收机数据采集子线程,这两个子线程一直运行,其它子线程通过译码子线程进行控制,线程之间的共享资源通过临界区和互斥量实现同步。
优选的,所述GNSS共视数据处理方式采用CGGTTS规定的标准格式,一个共视周期为16分钟,其中接收数据时间为13分钟,2分钟的捕获和1分钟的数据处理,数据格式参数包括PRN、CL、MJD、STTIME、TRKL、ELV、AZTH、 REFSV、SRSV、REFGNSS、SRGNSS、DSG、IOE、MDTR、SMDT、MDIO、SMDI、ISG 和CK。
本发明的技术效果和优点:
(1)本发明提供的几何时延改正技术,能够有效地改善时间比对结果的精度,有效地减少时间同步过程中的误差;
(2)本发明提供的多线程的共视数据处理技术,提高了CPU的利用率和程序的执行效率,保证共视数据处理的准确性和实时性外,实现多站对单站的共视比对;
(3)本发明提供的共视数据处理格式,简单易懂,便于进行数据处理。
附图说明
图1为本发明GNSS共视终端的结构示意图。
图2为本发明GNSS共视原理图。
图3为本发明共视数据处理线程框图。
图4为本发明共视比对分布图。
图5为本发明几何时延改正示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-5所示的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,包括GNSS定时接收机、电子计数器、工控板卡和RDSS通信设备,其工作过程:
两站进行共视比对时,各站分别向GNSS共视终端提供10MHz频率信号和 1PPS秒信号,并同时接收GNSS卫星信号,得到本地钟与卫星参考钟的差值,然后通过RDSS通信网进行数据交换和数据传输,产生共视比对结果,即得到两地钟差,从而实现两站之间的远程高精度时间同步;
基于RDSS通信链路的GNSS共视终端主要功能如下:
(1)GNSS卫星信号接收功能:接收所有可见GNSS卫星的导航电文,提取导航电文中的星历参数、电离层改正模型等参数;
(2)时差计算功能:根据导航电文中的星历和星钟改正数计算所有可视卫星广播的时间与接收机时间的时差;
(3)数据拟合功能:每次全长跟踪对应780个伪距数据,将伪距数据分为52组,每组15个数据,进行52次的二次曲线拟合,然后对52个拟合结果作一次线性拟合,得到最后的拟合结果;
(4)电离层附加时延改正功能:通过导航电文中的电离层模型对电离层附加时延进行改正;
(5)时延校正功能:对天线电缆时延、本地参考时间的电缆时延和接收机内部时延进行修正,天线电缆时延、参考钟电缆时延和接收机内部时延通过软件界面输入,在共视数据处理时进行修正;
(6)数据保存与输出功能:在指定路径下保存GNSS卫星共视数据,每月生成一个文件,两地进行数据交换和比对后,增加两个文件,一个文件为对方的GNSS卫星共视数据,另一个文件为两地之间的共视比对结果文件;
共视原理图如图2所示,设A点的钟时间为tA,B点的钟时间为tB,GNSS时间为tGNSS,A、B两地的GNSS接收机在同一个共视时间表作用下,在同一时刻接收同一颗GNSS卫星信号,接收机输出代表GNSS时间的秒脉冲,送至电子计数器,与本地原子钟输出的秒脉冲比较,在A地,得到本地时刻tA与 tGNSS差ΔtAGNSS,同时,在B地得到tB与tGNSS的差ΔtBGNSS,B地的数据可通过通信网传到A地的计算机中,然后两相减可得两台原子钟之间的时间差;
ΔtAGNSS=tA-tGNSS ΔtBGNSS=tB-tGNSS
ΔtAGNSS-ΔtBGNSS=tA-tGNSS-tB+tGNSS=tA-tB=ΔtAB
若在某一时刻测得ΔtAB(ti),经过一段时间τ,即ti+τ时刻测的ΔtAB(ti+τ),则用下式可求出两台钟在τ时间内平均相对频率偏差:
实施例一:
本发明的第一个目的是提供一种卫星共视时间同步的几何时延改正技术,能够通过改正几何时延改善时间比对结果的精度,有效地减少时间同步过程中的误差;
实现本发明第一个目的的技术方案是:几何时延改正是卫星位置到地面站接收机位置(指接收机天线的相位中心)的几何距离时延,要计算几何时延必须知道接收机位置和卫星位置坐标,接收机位置可通过准确测量得到,卫星位置根据卫星星历计算得出;
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,卫星星历是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率,有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置及其速率,卫星星历分为广播星历和精密星历,广播星历是一种预报星历,由于不能充分了解作用在卫星上的各种摄动因素的大小及变化规律,所以预报数据中存在着较大的误差,由此计算得到的卫星位置精度约为20~40m,有时可达 80m,由于卫星的运动是动态的,所以卫星位置不准确将造成信号传播的几何时延的计算误差,卫星星历表误差对共视比对的影响如图4、2和1所示;
A、B两站观测者同时观测同一颗卫星信息,在t时刻时,卫星共视接收机跟踪的某颗卫星在Sp(由精密星历计算得到),而根据广播星历表计算的卫星位置在Sb,|ApSp|和|BpSp|是SbSp分别在ASb和BSb上的投影,因此在计算从卫星位置到接收机位置的几何时延时将把卫星位置误差引入几何时延,例如:在基线为3000km的远程共视时间比对中,卫星位置误差对计算的相对钟差的影响最大约为0.4ns,可见为达到1ns(0.1ns)的计算精度,卫星位置误差不能超过2.5m(0.25m);
广播星历对实时应用的用户有极其重要的作用,但在高精度远程时间比对中,广播星历的精度不能满足ns级的要求,而需要一种精度较高的精密星历,精密星历是国际GPS服务(IGS)根据全球卫星观测资料进行卫星定轨计算而事后得到的,这种星历提供在用户观测时间内的卫星星历,避免了星历外推的误差,因此是一种提供精密轨道信息的星历;
根据不同的星历可以得到不同的几何时延,卫星共视接收机的内部软件根据接收机位置坐标(经过准确测量得到)和由广播星历计算的卫星位置坐标计算几何时延,也就是说,共视比对结果中已经扣除了根据广播星历表位置计算得到的几何时延△Tb,根据广播星历计算得到的卫星位置不准确,所以在共视比对结果中扣除△Tb必将影响比对结果的精度,因此需要用精密星历表位置计算的几何时延△Tp改正几何时延△Tb,从而改善比对结果的精度,在使用△Tp改正共视比对结果时,必须先加上几何时延△Tb,然后扣除△Tp;
实施例二:
本发明的第二个目的是提供一种电离层延迟模型,实现本发明第二个目的的技术方案是:电离层延迟模型包括8个参数:α0、α1、α2、α3、β0、β1、β2和β3,利用这8个参数和Klobuchar模型计算B1I信号的电离层延迟改正I′z(t),单位为秒,具体如下:
式中:t是接收机至卫星连线与电离层交点(穿刺点M)处的地方时(取值范围为0~86400),单位为秒,其计算公式为:
t=(tE+λM×43200/π)[模86400]
其中,tE是用户测量时刻的BDT,取周内秒计数部分,λM是电离层穿刺点的地理经度,单位为弧度;
A2为白天电离层延迟余弦曲线的幅度,用αn系数求得:
A4为余弦曲线的周期,单位为秒,用βn系数求得:
实施例三:
本发明的第三个目的是提供一种多线程的共视数据处理技术,实现本发明第三个目的的技术方案是:根据卫星数据传输的实时性和连续性特点,对共视数据处理技术进行合理的设计,不仅提高CPU的利用率,而且要提高程序的执行效率,最终保证共视数据处理的准确性和实时性外,还需要实现多站对单站的共视比对,因此,在基于RDSS通信链路的GNSS共视终端中采用多线程技术对数据进行处理;
软件采用多线程技术并行启动各进程,从而在采集GNSS卫星星历数据和计数器数据的同时,完成译码、共视数据处理、共视数据传递、交换和比对、存储和动态数据显示任务,但在多线程的应用中,存在同一资源访问冲突的问题,为避免数据共享冲突,必须建立同步机制如:互斥量、临界区和事件对象来协调多线程的并行工作,确保任意时刻只有一个线程访问共享资源,共视比对过程中的多线程及同步控制机制如图2所示,共视数据处理主线程启用接收机数据实时译码子线程和接收机数据采集子线程,这两个子线程一直运行,其它子线程通过译码子线程进行控制,线程之间的共享资源通过临界区和互斥量实现同步,这种多任务之间的同步控制策略不仅提高了CPU的利用率,而且提高了程序的执行效率,最终保证共视数据处理的准确性和实时性,实现多站对单站的高精度共视传递和比对,多站与单站的共视比对分布图如图3所示;
实施例四:
本发明的第四个目的是提供一种共视数据处理格式,实现本发明第四个目的的技术方案是:基于RDSS通信链路的GNSS共视数据处理方式采用CGGTTS 规定的标准格式,一个共视周期为16分钟,其中接收数据时间为13分钟,2 分钟的捕获和1分钟的数据处理,数据格式参数包括(PRN、CL、MJD、STTIME、 TRKL、ELV、AZTH、REFSV、SRSV、REFGNSS、SRGNSS、DSG、IOE、MDTR、SMDT、 MDIO、SMDI、ISG和CK),各变量的含义如下表所示:
序号 | 名称 | 具体描述 | 备注 |
1 | PRN | 卫星编号 | |
2 | CL | 共视类别 | |
3 | MJD | 跟踪时刻的约化儒略日天数 | |
4 | STTIME | 跟踪的中间时刻 | |
5 | TRKL | 跟踪时间长度 | |
6 | ELV | 被跟踪卫星的高度角 | |
7 | AZTH | 被跟踪卫星的方位角 | |
8 | REFSV | 参考时间与卫星时间之差 | |
9 | SRSV | REFSV的斜率 | |
10 | REFGNSS | 参考时间与系统时间之差 | |
11 | SRGNSS | REFGNSS的斜率 | |
12 | DSG | REFGNSS的均方根误差 | |
13 | IOE | 星历标识号(参数IODE) | |
14 | MDTR | 对流层延迟改正 | |
15 | SMDT | MDTR的斜率 | |
16 | MDIO | 单频电离层延迟改正 | |
17 | SMDI | MDIO的斜率 | |
18 | MSIO | 实测电离层延迟改正 | |
19 | SMSI | MSIO的斜率 | |
20 | ISG | MSIO的均方根误差 | |
21 | CK | 行结束标识符 |
表1为本发明的共视数据表:
表一
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (7)
1.一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,包括GNSS定时接收机、电子计数器、工控板卡和RDSS通信设备,两站进行共视比对时,各站分别向GNSS共视终端提供10MHz频率信号和1PPS秒信号,并同时接收GNSS卫星信号,得到本地钟与卫星参考钟的差值,然后通过RDSS通信网进行数据交换和数据传输,产生共视比对结果,即得到两地钟差,从而实现两站之间的远程高精度时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,所述共视原理为:
设A点的钟时间为tA,B点的钟时间为tB,GNSS时间为tGNSS,A、B两地的GNSS接收机在同一个共视时间表作用下,在同一时刻接收同一颗GNSS卫星信号,接收机输出代表GNSS时间的秒脉冲,送至电子计数器,与本地原子钟输出的秒脉冲比较,在A地,得到本地时刻tA与tGNBS差ΔtAGNSS,同时,在B地得到tB与tGNSS的差ΔtBGNSS,B地的数据可通过通信网传到A地的计算机中,然后两相减可得两台原子钟之间的时间差;
ΔtAGNSS=tA-tGNSS ΔtBGNBB=tB-tGNSS
ΔtAGNSS-ΔtBGNSS=tA-tGNSS-tB+tGNSS=tA-tB=ΔtAB
若在某一时刻测得ΔtAB(ti),经过一段时间τ,即ti+τ时刻测的ΔtAB(ti+τ),则用下式可求出两台钟在τ时间内平均相对频率偏差:
3.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,所述GNSS共视终端包括主要功能如下:
(1)GNSS卫星信号接收功能:接收所有可见GNSS卫星的导航电文,提取导航电文中的星历参数、电离层改正模型等参数;
(2)时差计算功能:根据导航电文中的星历和星钟改正数计算所有可视卫星广播的时间与接收机时间的时差;
(3)数据拟合功能:每次全长跟踪对应780个伪距数据,将伪距数据分为52组,每组15个数据,进行52次的二次曲线拟合,然后对52个拟合结果作一次线性拟合,得到最后的拟合结果;
(4)电离层附加时延改正功能:通过导航电文中的电离层模型对电离层附加时延进行改正;
(5)时延校正功能:对天线电缆时延、本地参考时间的电缆时延和接收机内部时延进行修正,天线电缆时延、参考钟电缆时延和接收机内部时延通过软件界面输入,在共视数据处理时进行修正;
(6)数据保存与输出功能:在指定路径下保存GNSS卫星共视数据,每月生成一个文件,两地进行数据交换和比对后,增加两个文件,一个文件为对方的GNSS卫星共视数据,另一个文件为两地之间的共视比对结果文件。
4.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,所述几何时延改正是卫星位置到地面站接收机位置的几何距离时延,要计算几何时延必须知道接收机位置和卫星位置坐标,接收机位置可通过准确测量得到,卫星位置根据卫星星历计算得出;
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,卫星星历是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率,有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置及其速率,卫星星历分为广播星历和精密星历,广播星历是一种预报星历,由此计算得到的卫星位置精度约为20~40m,有时可达80m,由于卫星的运动是动态的,所以卫星位置不准确将造成信号传播的几何时延的计算误差;
A、B两站观测者同时观测同一颗卫星信息,在t时刻时,卫星共视接收机跟踪的某颗卫星在Sp,而根据广播星历表计算的卫星位置在Sb,|ApSp|和|BpSp|是SbSp分别在ASb和BSb上的投影,因此在计算从卫星位置到接收机位置的几何时延时将把卫星位置误差引入几何时延;
根据不同的星历可以得到不同的几何时延,卫星共视接收机的内部软件根据接收机位置坐标和由广播星历计算的卫星位置坐标计算几何时延,也就是说,共视比对结果中已经扣除了根据广播星历表位置计算得到的几何时延△Tb,根据广播星历计算得到的卫星位置不准确,所以在共视比对结果中扣除△Tb必将影响比对结果的精度,因此需要用精密星历表位置计算的几何时延△Tp改正几何时延△Tb,在使用△Tp改正共视比对结果时,必须先加上几何时延△Tb,然后扣除△Tp。
5.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,所述电离层延迟模型包括8个参数:α0、α1、α2、α3、β0、β1、β2和β3,利用这8个参数和Klobuchar模型计算B1I信号的电离层延迟改正I′z(t),单位为秒,具体如下:
式中:t是接收机至卫星连线与电离层交点(穿刺点M)处的地方时(取值范围为0~86400),单位为秒,其计算公式为:
t=(tE+λM×43200/π)[模86400];
其中,tE是用户测量时刻的BDT,取周内秒计数部分,λM是电离层穿刺点的地理经度,单位为弧度;
A2为白天电离层延迟余弦曲线的幅度,用αn系数求得:
A4为余弦曲线的周期,单位为秒,用βn系数求得:
6.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,采用多线程技术对数据进行处理,软件采用多线程技术并行启动各进程,从而在采集GNSS卫星星历数据和计数器数据的同时,完成译码、共视数据处理、共视数据传递、交换和比对、存储和动态数据显示任务,共视数据处理主线程启用接收机数据实时译码子线程和接收机数据采集子线程,这两个子线程一直运行,其它子线程通过译码子线程进行控制,线程之间的共享资源通过临界区和互斥量实现同步。
7.根据权利要求1所述的一种基于RDSS通信链路的GNSS共视系统,其特征在于,所述GNSS共视数据处理方式采用CGGTTS规定的标准格式,一个共视周期为16分钟,其中接收数据时间为13分钟,2分钟的捕获和1分钟的数据处理,数据格式参数包括PRN、CL、MJD、STTIME、TRKL、ELV、AZTH、REFSV、SRSV、REFGNSS、SRGNSS、DSG、IOE、MDTR、SMDT、MDIO、SMDI、ISG和CK。
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