CN112630806B - 一种动节点时间同步和快速定位方法 - Google Patents

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CN112630806B CN202011465895.8A CN202011465895A CN112630806B CN 112630806 B CN112630806 B CN 112630806B CN 202011465895 A CN202011465895 A CN 202011465895A CN 112630806 B CN112630806 B CN 112630806B
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    • G01S19/44—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method

Abstract

本发明公开了一种动节点时间同步和快速定位方法，属于卫星导航中的精密时间同步和高精度定位技术领域。它在传统PPP精密时间同步的基础上，采用PPP‑RTK方法实现时间同步，快速实现动节点用户与时频中心的时间同步，解决传统PPP精密时间比对需要较长收敛时间，无法满足动节点用户时间同步的实时和高精度需求问题；在此基础上，依据用户节点和时频中心的原子钟特性和时间同步结果的历史数据，采用预测的时间同步信息辅助的PPP‑RTK定位技术，大大提升动节点时间估计的精度，同时有力解决了PPP‑RTK高精度定位重新初始化收敛慢的问题，满足了动节点用户和时频中心间高精度时间同步和自身高精度定位需求。

Description

一种动节点时间同步和快速定位方法
技术领域
本发明涉及一种动节点时间同步和快速定位方法，属于卫星导航中的精密时间同步和高精度定位技术领域。
背景技术
GNSS作为导航、定位和授时的重要手段，满足了预知环境条件下无人机、飞艇和舰船等动节点载体的定位和时间服务需求，可实现动节点载体的实时、快速和高精度定位，满足了动节点载体向固定时间频率中心的校时、时间同步服务和时间溯源的需求，为动节点时间同步、用户间高精度相对测量和协同作业等提供了时空基准服务的基础信息。
然而，针对动节点用户而言，任务定义的动节点复杂运动状态和所处的复杂电磁异常环境下导致GNSS降效以至失效。例如，动节点用户剧烈变化环境会引起卫星的频繁升降、复杂电磁环境下信号中断或接收机重新捕获。因此，在该使用场景下，基于传统的PPP(precise point positioning，精密单点定位)和时间同步方法，动节点需要较长的时间才能收敛到预期的效果，尤其是无外部信息辅助条件下，此时高精度时间同步和定位将面临较长时间等待才能获得理想的效果。
发明内容
本发明针对在卫星频繁升降、重新初始化等复杂环境条件下，基于传统PPP方法实现动节点高精度定位和时间同步存在收敛时间较长的问题，提出了一种动节点时间同步和快速定位方法，可实现复杂环境下动节点用户的快速高精度定位和时间溯源服务。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种动节点时间同步和快速定位方法，包括如下步骤：
(1)在时频中心原子钟的驱动下，时频中心GNSS时间测量接收机实时采集GNSS伪距和载波相位观测值，并测量时频中心外部原子钟和时频中心综合原子时之间的时间偏差；
(2)时频中心基于自身采集的GNSS伪距和载波相位观测值，依托自身精确坐标，采用PPP-RTK方法，实时估计时频中心与GNSS系统之间的时间偏差，获得时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差；
(3)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据，以时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度为约束，采用附加约束的多项式拟合方法，预测当前时刻动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值，从而获得动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差；
(4)动节点时频用户在本地时钟的驱动下，实时采集GNSS伪距和载波相位测量值，同时以动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差为基础，构建虚拟观测量，联合GNSS伪距和载波相位观测数据，采用PPP-RTK定位方法实时确定动节点的精确坐标以及动节点与GNSS系统之间的实时钟差，完成动节点的快速定位；
(5)根据时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差，以及动节点与GNSS系统之间的实时钟差，获得动节点时频用户和时频中心之间的相对钟差，完成两者之间的时间同步。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)建立PPP-RTK方法的观测方程如下：
Figure BDA0002834189540000031
Figure BDA0002834189540000032
其中，
Figure BDA0002834189540000033
和
Figure BDA0002834189540000034
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距和载波测量值，
Figure BDA0002834189540000035
和
Figure BDA0002834189540000036
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，
Figure BDA0002834189540000037
代表时频中心与i卫星间的几何距离，Ii和γf分别代表时频中心所观测的i卫星对应的基准频率的电离层延迟和比例系数，Ti和Mel分别代表对流层延迟和投影函数，δti和δts分别代表i卫星的卫星钟差和时频中心的接收机钟差，C为光速，λf和
Figure BDA0002834189540000038
分别代表载波相位波长和i卫星的整数模糊度，
Figure BDA0002834189540000039
代表i卫星f频率的伪距码相位偏差，
Figure BDA00028341895400000310
和
Figure BDA00028341895400000311
分别代表时频中心观测i卫星f频率的伪距多径和载波多径，
Figure BDA00028341895400000312
代表载波相位的整数相位偏差，包含卫星相位偏差
Figure BDA00028341895400000313
和接收机相位偏差Fcsb,f，其表达式为：
Figure BDA00028341895400000314
(202)在PPP-RTK观测方程中，卫星相位偏差
Figure BDA00028341895400000315
对流层延迟参数Ti、电离层延迟参数Ii、伪距码偏差
Figure BDA00028341895400000316
和卫星钟差δti均为已知量，在时频中心已知的自身精确坐标和精密星历支撑下，获得精确的
Figure BDA00028341895400000317
接着，采用卡尔曼滤波估计接收机钟差δts、接收机载波相位偏差Fcsb,f以及载波相位浮点模糊度
Figure BDA00028341895400000318
然后基于估计获得的载波相位浮点模糊度
Figure BDA00028341895400000319
采用LAMBDA方法获得各卫星的载波相位整数模糊度
Figure BDA00028341895400000320
由此获得模糊度固定解后的时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts；
(203)依据估计的时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts以及时频中心外部原子钟和时频中心综合原子时之间的时间偏差δtRef，获得时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps：
δtref-Gps＝δts+δtRef。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据δtref-mov(ti)，以时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度为约束，采用附加约束的多项式进行拟合：
δtref-mov(ti)-δtref-mov(t0)＝a0+a1(ti-t0)+a2(ti-t0)2
Figure BDA0002834189540000041
其中，δtref-mov(ti)代表ti时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-mov(t0)代表参考时刻t0动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，
Figure BDA0002834189540000044
分别代表时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度、测量偏差及其协方差矩阵，a0、a1和a2分别代表多项式拟合的常数项、线性项和二次项的拟合系数；联合PPP-RTK方法的观测方程，基于最小二乘估计获得拟合系数a0、a1和a2；
(302)基于拟合的多项式，预测获得当前时刻tn动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值，同时依据时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps，获得动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差
Figure BDA0002834189540000043
Figure BDA0002834189540000051
Figure BDA0002834189540000052
其中，
Figure BDA0002834189540000053
代表预测得到的tn时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-mov(t0)为t0时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-Gps(tn)为tn时刻时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差。
进一步的，步骤(4)的具体方式为：
(401)动节点基于实时采集的GNSS伪距
Figure BDA0002834189540000054
和载波相位观测数据
Figure BDA0002834189540000055
采用PPP-RTK方法估计接收机钟差，并将该接收机钟差作为动节点与GNSS系统之间的实时钟差δts,m，此处采用的PPP-RTK方法的观测方程与步骤(2)中的相同；其中，动节点的实时坐标为未知量，隐含在动节点与i卫星间的几何距离
Figure BDA0002834189540000056
中；
(402)动节点时频用户基于动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差，构建如下虚拟观测方程：
Figure BDA0002834189540000057
其中，
Figure BDA0002834189540000058
和
Figure BDA0002834189540000059
分别表示待估计的动节点和GNSS系统之间的测量误差及其协方差矩阵；
(403)依据动节点的PPP-RTK方法的观测方程，联合虚拟观测方程，基于广义最小二乘法，估计动节点的精确坐标(x，y，z)和实时钟差δts,m，完成动节点的快速定位。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
1、本发明方法可用于动节点时频用户与时频中心间的高精度时间同步和自身精确坐标的快速确定，它采用非差非组合PPP-RTK方法，有效实现了接收机钟差和坐标参数的快速估计。
2、本发明采用了原子钟和时间同步等历史信息辅助的PPP-RTK高精度定位和时间同步方法，进一步解决了高精度定位和时间同步面临模糊度重新初始化耗时较长，高精度定位收敛慢的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中动节点时间同步和快速定位的场景示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
一种动节点时间同步和快速定位方法，该方法用到的设备包括：时间频率中心和动节点用户的GNSS天线、接收机和原子钟设备，示意图如图1所示，时间频率中心实时接收GNSS信号，在本地原子钟的驱动下，跟踪捕获得到载波相位测量和伪距测量数据，依据此获得本地原子钟和GNSS的时间偏差并发送给动节点用户，动节点用户依据本地GNSS高精度定位设备和时间频率中心发送过来的辅助信息，实现动节点用户的高精度定位和时间同步。
该方法具体包括如下步骤：
(1)在时频中心原子钟的驱动下，时频中心GNSS时间测量接收机实时采集GNSS伪距
Figure BDA0002834189540000061
和载波相位观测值
Figure BDA0002834189540000062
并测量外部原子钟和时频中心综合原子时之间的时间偏差δtRef；
(2)时频中心基于自身采集的GNSS伪距
Figure BDA0002834189540000071
和载波相位观测值
Figure BDA0002834189540000072
依托自身精确坐标，采用PPP-RTK方法，实时估计时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts，获得外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps；具体来说：
(201)时频中心基于自身采集的GNSS伪距和载波相位观测值，采用PPP-RTK方法的观测方程如下：
Figure BDA0002834189540000073
Figure BDA0002834189540000074
其中，
Figure BDA0002834189540000075
和
Figure BDA0002834189540000076
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距和载波测量值，
Figure BDA0002834189540000077
和
Figure BDA0002834189540000078
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，
Figure BDA0002834189540000079
代表时频中心与卫星i间的几何距离，Ii和γf分别代表时频中心所观测的i卫星对应的基准频率的电离层延迟和比例系数，Ti和Mel分别代表对流层延迟和投影函数，δti和δts分别代表i卫星的卫星钟差和时频中心的接收机钟差，λf和
Figure BDA00028341895400000710
分别代表载波相位波长和i卫星的整数模糊度，
Figure BDA00028341895400000711
代表i卫星f频率的伪距码相位偏差，
Figure BDA00028341895400000712
和
Figure BDA00028341895400000713
分别代表时频中心观测i卫星f频率的伪距多径和载波多径，
Figure BDA00028341895400000714
代表载波相位的整数相位偏差，包含卫星相位偏差
Figure BDA00028341895400000715
和接收机相位偏差Fcsb,f，其表达式为：
Figure BDA00028341895400000716
(202)时频中心基于上述PPP-RTK观测方程，依据自身精确坐标，实时估计时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts，其实现具体方法如下：
在上述PPP-RTK观测方程中，卫星相位偏差
Figure BDA0002834189540000081
对流层延迟参数Ti、电离层延迟参数Ii、伪距码偏差
Figure BDA0002834189540000082
和卫星钟差δti均为已知量，在时频中心已知精确坐标和精密星历支撑下，可精确获得
Figure BDA0002834189540000083
因此，上述方程估计参数包含接收机钟差δts、接收机载波相位偏差Fcsb,f以及载波相位整数模糊度
Figure BDA0002834189540000084
采用卡尔曼滤波估计上述参数，然后基于估计获得载波相位浮点模糊度
Figure BDA0002834189540000085
采用LAMBDA方法获得各卫星的载波相位整数模糊度
Figure BDA0002834189540000086
由此获得模糊度固定解后的时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts。
(203)依据估计的时频中心与GNSS系统间的时间偏差δts以及外部原子钟和时频中心综合原子时间的时间偏差δtRef，获得外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps的方法如下：
δtref-Gps＝δts+δtRef
(3)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据δtref-mov(ti)，以时频中心和动节点用户间的相对时间频率准确度
Figure BDA00028341895400000810
为约束，采用附加约束的多项式式拟合方法，预测获得当前时刻动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值
Figure BDA0002834189540000087
从而获得动节点与GNSS系统之间的时间偏差量
Figure BDA0002834189540000088
具体来说：
(301)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据δtref-mov(ti)，以时频中心和动节点用户的相对时间频率准确度为约束，采用附加约束的多项式进行拟合，其实现方法如下：
δtref-mov(ti)-δtref-mov(t0)＝a0+a1(ti-t0)+a2(ti-t0)2
Figure BDA0002834189540000089
其中，δtref-mov(ti)代表ti时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差值，δtref-mov(t0)代表参考时刻t0动节点时频用户与时频中心间的时间偏差值，
Figure BDA0002834189540000098
分别代表时频中心和动节点用户的相对时间频率准确度、测量偏差及其协方差矩阵，a0、a1和a2分别代表多项式拟合的常数项、线性项和二次项的拟合系数，联合上述的观测方程，基于最小二乘估计即可获得a0、a1和a2多项式系数；
(302)基于上述拟合的多项式，预测获得当前时刻tn动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值，同时依据外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps，获得动节点与GNSS系统之间的时间偏差量
Figure BDA0002834189540000092
其方法如下：
Figure BDA0002834189540000093
Figure BDA0002834189540000094
(4)动节点时频用户在本地时钟的驱动下，实时采集GNSS伪距和载波相位测量值，同时以预测的动节点和GNSS系统间的时间偏差量
Figure BDA0002834189540000095
为基础，构建虚拟观测量，联合GNSS伪距和载波相位观测数据，采用PPP-RTK定位方法实时确定动节点的精确坐标(x，y，z)和实时钟差δts,m，确定动节点与GNSS系统时间的时间偏差δts,m；具体来说：
(401)动节点基于动节点GNSS伪距
Figure BDA0002834189540000096
和载波相位观测数据
Figure BDA0002834189540000097
所采用PPP-RTK定位方法的观测方程形式与上述时频中心所采用PPP-RTK观测方程的一致，估计的接收机钟差δts即为动节点与GNSS系统之间的时间偏差δts,m，另外在该方程中，由于动节点的实时坐标属于未知量，隐含在动节点与卫星i间的几何距离
Figure BDA0002834189540000101
其函数表达式为：
Figure BDA0002834189540000102
其中：xi、yi和zi代表卫星的位置，可基于PPP-RTK精密星历获得，x、y和z代表动节点的坐标，是待估计的参数；
(402)动节点时频用户基于预测的动节点和GNSS系统间的时间偏差量，构建的虚拟观测方程如下：
Figure BDA0002834189540000103
其中δts,m、
Figure BDA0002834189540000104
和
Figure BDA0002834189540000105
分别代表待估计的动节点和GNSS系统间的时间偏差、测量误差及其协方差矩阵；
(403)依据上述的动节点PPP-RTK方程，联合上述虚拟观测方程，基于广义最小二乘的思路，估计动节点的精确坐标(x，y，z)和实时钟差δts,m，即可获得动节点与GNSS系统时间的时间偏差δts,m。
(5)根据时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps，以及动节点与GNSS系统时间的时间偏差δts,m，获得动节点用户和时频中心之间的相对钟差，其实现方法如下：
δtref-mov(tn)＝δtref-Gps(tn)-δts,m
本发明针对卫星频繁升降、重新初始化等异常复杂的环境，提出了一种适用于动节点时频用户与时频中心间高精度时间同步和自身精确坐标快速确定方法，它采用PPP-RTK方法实现动节点高精度时间同步和快速定位，解决了传统PPP精密时间比对需要较长时间才能收敛到预期效果的问题。在此基础上，采用原子钟和时间同步等历史信息辅助的PPP-RTK高精度定位和时间同步方法，进一步解决了PPP-RTK高精度定位和时间同步面临模糊度重新初始化耗时较长，精确时间同步和高精度定位收敛慢的问题。本发明适用于无人机、飞艇和舰船等高速运动高精度导航和向时频中心的时间溯源，具有重要的工程实际应用价值。

Claims (1)

1.一种动节点时间同步和快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在时频中心原子钟的驱动下，时频中心GNSS时间测量接收机实时采集GNSS伪距和载波相位观测值，并测量时频中心外部原子钟和时频中心综合原子时之间的时间偏差；
(2)时频中心基于自身采集的GNSS伪距和载波相位观测值，依托自身精确坐标，采用PPP-RTK方法，实时估计时频中心与GNSS系统之间的时间偏差，获得时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差；具体方式为：
(201)建立PPP-RTK方法的观测方程如下：
Figure FDA0003626660750000011
Figure FDA0003626660750000012
其中，
Figure FDA0003626660750000013
和
Figure FDA0003626660750000014
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距和载波测量值，
Figure FDA0003626660750000015
和
Figure FDA0003626660750000016
分别代表时频中心所观测的i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，
Figure FDA0003626660750000017
代表时频中心与i卫星间的几何距离，Ii和γf分别代表时频中心所观测的i卫星对应的基准频率的电离层延迟和比例系数，Ti和Mel分别代表对流层延迟和投影函数，δti和δts分别代表i卫星的卫星钟差和时频中心的接收机钟差，C为光速，λf和
Figure FDA0003626660750000018
分别代表载波相位波长和i卫星的整数模糊度，
Figure FDA0003626660750000019
代表i卫星f频率的伪距码相位偏差，
Figure FDA00036266607500000110
和
Figure FDA00036266607500000111
分别代表时频中心观测i卫星f频率的伪距多径和载波多径，
Figure FDA00036266607500000112
代表载波相位的整数相位偏差，包含卫星相位偏差
Figure FDA00036266607500000113
和接收机相位偏差Fcsb，f，其表达式为：
Figure FDA0003626660750000021
(202)在PPP-RTK观测方程中，卫星相位偏差
Figure FDA0003626660750000022
对流层延迟参数Ti、电离层延迟参数Ii、伪距码偏差
Figure FDA0003626660750000023
和卫星钟差δti均为已知量，在时频中心已知的自身精确坐标和精密星历支撑下，获得精确的
Figure FDA0003626660750000024
接着，采用卡尔曼滤波估计接收机钟差δts、接收机载波相位偏差Fcsb，f以及载波相位浮点模糊度
Figure FDA0003626660750000025
然后基于估计获得的载波相位浮点模糊度
Figure FDA0003626660750000026
采用LAMBDA方法获得各卫星的载波相位整数模糊度
Figure FDA0003626660750000027
由此获得模糊度固定解后的时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts；
(203)依据估计的时频中心与GNSS系统之间的时间偏差δts以及时频中心外部原子钟和时频中心综合原子时之间的时间偏差δtRef，获得时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps：
δtref-Gps＝δts+δtRef；
(3)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据，以时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度为约束，采用附加约束的多项式拟合方法，预测当前时刻动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值，从而获得动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差；具体方式为：
(301)依据动节点时频用户与时频中心间的历史比对数据δtref-mov(ti)，以时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度为约束，采用附加约束的多项式进行拟合：
δtref-mov(ti)-δtref-mov(t0)＝a0+a1(ti-t0)+a2(ti-t0)2
Figure FDA0003626660750000031
其中，δtref-mov(ti)代表ti时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-mov(t0)代表参考时刻t0动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，
Figure FDA0003626660750000032
Figure FDA0003626660750000033
分别代表时频中心和动节点时频用户间的相对时间频率准确度、测量偏差及其协方差矩阵，a0、a1和a2分别代表多项式拟合的常数项、线性项和二次项的拟合系数；联合PPP-RTK方法的观测方程，基于最小二乘估计获得拟合系数a0、a1和a2；
(302)基于拟合的多项式，预测获得当前时刻tn动节点时频用户与时频中心之间的时间同步值，同时依据时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差δtref-Gps，获得动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差
Figure FDA0003626660750000034
Figure FDA0003626660750000035
Figure FDA0003626660750000036
其中，
Figure FDA0003626660750000037
代表预测得到的tn时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-mov(t0)为t0时刻动节点时频用户与时频中心间的时间偏差，δtref-Gps(tn)为tn时刻时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差；
(4)动节点时频用户在本地时钟的驱动下，实时采集GNSS伪距和载波相位测量值，同时以动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差为基础，构建虚拟观测量，联合GNSS伪距和载波相位观测数据，采用PPP-RTK定位方法实时确定动节点的精确坐标以及动节点与GNSS系统之间的实时钟差，完成动节点的快速定位；具体方式为：
(401)动节点基于实时采集的GNSS伪距
Figure FDA0003626660750000041
和载波相位观测数据
Figure FDA0003626660750000042
采用PPP-RTK方法估计接收机钟差，并将该接收机钟差作为动节点与GNSS系统之间的实时钟差δts，m，此处采用的PPP-RTK方法的观测方程与步骤(2)中的相同；其中，动节点的实时坐标为未知量，隐含在动节点与i卫星间的几何距离
Figure FDA0003626660750000043
中；
(402)动节点时频用户基于动节点与GNSS系统之间的预测时间偏差，构建如下虚拟观测方程：
Figure FDA0003626660750000044
其中，
Figure FDA0003626660750000045
和
Figure FDA0003626660750000046
分别表示待估计的动节点和GNSS系统之间的测量误差及其协方差矩阵；
(403)依据动节点的PPP-RTK方法的观测方程，联合虚拟观测方程，基于广义最小二乘法，估计动节点的精确坐标(x，y，z)和实时钟差δts，m，完成动节点的快速定位；
(5)根据时频中心外部原子钟和GNSS系统之间的时间偏差，以及动节点与GNSS系统之间的实时钟差，获得动节点时频用户和时频中心之间的相对钟差，完成两者之间的时间同步。
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