CN115933356B - 一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航高精度授时领域，公开了一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统和方法，虚拟原子钟服务平台通过接入卫星导航连续运行基准站的观测数据，构建虚拟原子钟，在现有基准站网的基础上，通过虚拟原子钟方法，实现亚纳秒级时间同步，依据不同时频同步需求，共视接收机支持伪距共视、载波相位共视，相应的可实现纳秒级、亚纳秒级的快速时间同步服务，针对虚拟原子钟并不具备守时功能，且卫星导航数据容易受环境异常、网络异常等因素导致数据中断，单个虚拟原子钟无法持续提供高精度时间服务，针对这一问题，本发明提出的虚拟原子钟方法将卫星导航连续运行基准站组网，形成虚拟原子钟组，保障时频服务系统的连续性、可靠性。

Description

一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统和方法

技术领域

本发明属于卫星导航高精度授时领域，具体涉及一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统和方法。

背景技术

得益于覆盖范围广、全天候、成本低等优势，卫星导航成为一种有效的高精度时间同步技术手段。历经共视法、全视法以及精密单点定位方法，基于卫星导航的高精度时间同步精度可实现纳秒乃至亚纳秒级。精密单点定位时间传递方法综合使用高精度卫星轨道、卫星钟差产品以及载波观测信息，可实现亚纳秒级时间传递，相比共视法或者全视法提高1个数量级。其中，一种广域精确授时WPT系统和方法指出通过利用WPT系统可以实现广域范围优于1纳秒的授时服务。

不论是共视法或者精密单点定位，这两种方法均需要引入高精度时间基准或者时间参考。区别在于共视法是需要引入高精度频标，如铷钟、铯钟等作为时间参考源，精密单点定位的时间参考信息则源于高精度卫星轨道和卫星时钟产品。相应地，导致两种技术各有优劣。

共视法：由于要引入原子钟作为时间参考，布设成本以及运维成本高；采用的技术体制依赖误差空间相关性，决定了该方法只适用于局域范围，随着距离的增加，时间同步性能会逐步下降；要实现大范围应用需要引入多台原子钟，大幅提高建设成本，且原子钟之间难以实现实时高精度时间比对，无法保证广域范围内的时间同步一致性；但这种方法相对容易实现，且可实现纳秒级的时间同步；当扩展至基于载波相位的共视同步，可实现亚纳秒级的时间同步服务。

精密单点定位方法：相比共视法，精密单点定位可以实现全球范围的亚纳秒时间同步。专利一种广域精确授时WPT系统和方法公开了一种基于卫星导航系统的高精度授时系统和方法，可以面向全球用户提供可溯源的高精度时间服务产品，实现亚纳秒级时间同步。但这种方法需要精细化的处理时间传递过程中的系列误差，否则难以保障服务性能；另一方面，精密单点定位方法需要较长的初始化时间，难以满足机动场景下快速时间服务需求。

相比卫星导航时频应用，卫星导航位置服务发展更为迅速。全球范围内已有数十万个卫星导航基准站，国内亦有数万个卫星导航基准站。然而，现有的基准站网侧重于高精度定位服务，可支撑快速厘米级定位，仅有部分基准站配置了原子钟，且未进行原子钟站网的同步，难以满足高精度时间同步服务的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统和方法，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种虚拟原子钟的高精度时间同步方法，包括以下步骤：

S1：虚拟原子钟观测信息生成：通过接入WPT系统提供的高精度时间服务信息，解算基准站网时钟信息，并重构基准站观测信息；

S2：快速高精度时间同步：利用服务端生成的虚拟观测原子钟信息，实现基准站网覆盖范围内的快速高精度时间同步。

进一步的，所述步骤S1中，基准站的卫星观测观测信息表示如下：

其中，s代表卫星，i代表卫星信号频点，代表卫星到接收机的伪距观测值，/>代表载波相位观测值的测距，/>代表卫星到接收机的载波相位观测值，λ_i代表频点i载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，t_i代表接收机钟差，t^s代表卫星钟差，trop^s代表对流层延迟，/>代表电离层延迟，/>代表整周模糊度，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声。

进一步的，所述步骤S1中，解算基准站网时钟信息时，采取以下步骤：

S11：解算基准站网时钟信息：采用WPT系统提供的高精度时间服务信息进行解算，采用无电离层组合可有效消除电离层延迟的影响，基于公式(1)-(2)，获得无电离层组合观测方程如下：

消除电离层延迟后，采用WPT系统提供的高精度卫星轨道与卫星时钟进行改正，最终待估计的参数接收机时钟t_IF，天顶对流层信息以及无电离层模糊度信息，采用卡尔曼滤波方法处理。

进一步的，对单站估计的无电离层模糊度进行站间双差模糊度检核，将无电离层组合模糊度分解为宽巷模糊度和窄巷模糊度，选取独立基线固定基准站间双差模糊度，使用A,B表示基准站A和基准站B，j和k表示卫星编号，则测站A和B以及卫星j和k组成的双差模糊度表示为对于具有R个基准站，s颗卫星的卫星导航基准站网而言，联立固定的双差模糊度/>及全部基准站的载波观测方程信息/>即式(4)，整网迭代估计基准站的时钟信息t_IF,，表示如下：

进一步的，所述步骤S1中，重构基准站观测信息时，采取以下步骤：

S12：重构基准站观测信息：将式(5)中解算的t_IF带入式(1)和式(2)，重新构建基准站伪距和载波相位观测方程：

其中，δt_i表示频点i时钟和无电离层时钟t_IF信息的差异，将重构的信息按照标准的RTCM格式进行编码。

进一步的，基准站包括多个，采用多个基准站观测信息生成虚拟格网点，并重复所述步骤S1，生成各个基准站对应的虚拟原子钟信息。

进一步的，所述步骤S2中，包括以下步骤：

S21：伪距共视时间传递：采用相位平滑伪距方法，降低伪距观测值噪声，依据基准站与时频同步终端的距离，选择双频伪距无电离层组合，按照高截止高度角选取观测值进行单差解算，从而实现高精度时间同步；

其中虚拟原子钟和用户时间终端对应的无电离层组合观测值如式(8)和式(9)，分别使用atom和user区分虚拟原子钟和用户时间终端的无电离层组合观测值：

对于已知坐标的用户时间终端，可以将坐标信息代入式(9)，进而通过站间单差(如式10)获取用户时间终端的时钟信息，具体如下：

对于坐标信息未知的用户时间终端，可以通过双差观测信息，解算用户坐标信息，进而采用式(10)，获取用户时间终端的时钟信息，最后将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的纳秒级时间同步。

S22：载波相位时间传递：依据虚拟原子钟与时频同步终端的距离，选取双频观测信息进行时间传递，分别给出虚拟原子钟和用户时间终端的载波无电离层组合观测值，如式(11)和式(12)所示。

采用双差载波模糊度固定的方法求解时间用户终端高精度位置信息，通过双差模糊度进一步确定单差模糊度，引入伪距单差观测信息，多个历元平滑后确定单差时间基准，解算最高高度角卫星的站间单差模糊度信息，进而引入双差模糊度约束信息，实现基于载波相位的高精度时间传递，如式(13)所示：

最后将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的亚纳秒级时间同步。

一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统，包括卫星导航观测数据接收与分发模块、差分改正数接收与解码模块、基准站网本地时钟解算模块、卫星导航观测信息重构模块以及虚拟原子钟数据播发模块；

所述卫星导航观测数据接收与分发模块用于接入与分发全球卫星导航基准站以及时间用户终端的卫星导航观测信息。

所述差分改正数接收与解码模块用于接入WPT系统生成的时间服务改正数，并进行解码；

所述基准站网本地时钟解算模块用于基于基准站网的原始观测数据以及解码后的差分改正数，采用WPT高精度时间传递方法，修正链路各项误差，并行解算本地时钟误差；

所述卫星导航观测信息重构模块用于扣除解算获得的本地时钟误差，重新生成基准站网观测信息，并按照RTCM格式将基准站网观测数据编码；

所述数据播发模块用于将高精度时间服务信息编码并播发给时间用户。

本发明具有以下有益效果：

(1)不依赖原子钟，在现有卫星导航基准站网的基础上进行再处理，满足高精度时频同步需求，大幅度降低时频服务系统建设成本；

(2)实现了高精度时空一体化的服务，可以同时满足实时分米、厘米级定位和纳秒级、亚纳秒级时间同步。

附图说明

图1为本发明的一种虚拟原子钟的高精度时间同步方法流程图；

图2为本发明基于虚拟原子钟的高精度时间同步方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图1-图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

本发明提供了基于卫星导航定位基准站的高精度时间同步方法，包括如下过程：

S1：虚拟原子钟观测信息生成。通过接入WPT系统提供的高精度时间服务信息，解算基准站网时钟信息，并重构基准站观测信息。不失一般性，将基准站的卫星观测观测信息表示如下：

其中，s代表卫星，i代表卫星信号频点，代表卫星到接收机的伪距观测值，/>代表载波相位观测值的测距，/>代表卫星到接收机的载波相位观测值，λ_i代表频点i载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，t_i代表接收机钟差，t^s代表卫星钟差，trop^s代表对流层延迟，/>代表电离层延迟，/>代表整周模糊度，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声。需要指出，t_i包含了接收机时钟钟差以及对应频点的硬件时延偏差，同样t^s亦包含了卫星钟钟差及对应频点的卫星端硬件时延偏差。具体的虚拟原子钟观测信息生成如下：

S11：解算基准站网时钟信息。为了能够实现高精度时间同步，基准站接收机时钟需实时溯源至时间基准，采用WPT系统提供的高精度时间服务信息进行解算。采用无电离层组合可有效消除电离层延迟的影响，基于公式(1)-(2)，获得无电离层组合观测方程如下：

消除电离层延迟后，采用WPT系统提供的高精度卫星轨道与卫星时钟进行改正，通常服务系统提供的卫星时钟是基于无电离层组合的，此处可以直接进行消除，对流层延迟将其表达为天顶方向的延迟与映射函数，采用经验模型消除干延迟，残余的天顶对流层延迟误差作为待估参数。进一步，为了保障接收机时钟信息可靠估计，将基准站坐标固定。因此，最终待估计的参数接收机时钟t_IF，天顶对流层信息以及无电离层模糊度信息，采用卡尔曼滤波方法即可实现。

上述方法仅实现了单站的接收机钟差估计，为了实现整个基准站网接收机钟差溯源的一致性，进一步对单站估计的无电离层模糊度进行站间双差模糊度检核。将无电离层组合模糊度分解为宽巷模糊度和窄巷模糊度，选取独立基线固定基准站间双差模糊度。使用A,B表示基准站A和基准站B，j和k表示卫星编号，则测站A和B以及卫星j和k组成的双差模糊度表示为对于具有R个基准站，s颗卫星的卫星导航基准站网而言，联立固定的双差模糊度/>及全部基准站的载波观测方程信息/>即式(4)，整网迭代估计基准站的时钟信息t_IF,，具体如下：

S12：重构基准站观测信息。将式(5)中解算的t_IF带入式(1)和式(2)，重新构建基准站伪距和载波相位观测方程，如式(6)和式(7)表示。

其中，δt_i表示频点i时钟和无电离层时钟t_IF信息的差异。将重构的信息按照标准的RTCM格式进行编码。特别指出，受δt_i的影响，公式(6)、公式(7)重构的伪距、载波观测信息无法直接用于高精度时间同步。用户需要采用双频无电离层组合信息，进而实现了溯源至时间基准的虚拟原子钟。

特别地，上述过程生成的虚拟原子钟信息无法保持时间基准的准确性，一旦卫星基准站数据缺失，则无法保证高精度时间同步。针对这一问题，系统可以采用多个基准站观测信息生成虚拟格网点，进而采用上述流程，进一步生成各个基准站对应的虚拟原子钟信息。该过程可以有效避免单基准站硬件故障、网络故障等因素导致的虚拟原子钟信息不连续的问题，进而实现连续可靠的时间同步服务。

S2：快速高精度时间同步。利用服务端生成的虚拟观测原子钟信息，实现基准站网覆盖范围内的快速高精度时间同步，具体包括以下过程：

S21：伪距共视时间传递。针对伪距观测值噪声大、且虚拟原子钟数据通常会同时有载波相位和伪距观测值，首先采用相位平滑伪距方法，进一步降低伪距观测值噪声；其次依据基准站与时频同步终端的距离，选择双频伪距无电离层组合，按照高截止高度角(如20°)选取观测值进行单差解算，从而实现高精度时间同步。虚拟原子钟和用户时间终端对应的无电离层组合观测值如式(8)和式(9)，分别使用atom和user区分虚拟原子钟和用户时间终端的无电离层组合观测值。

对于已知坐标的用户时间终端，可以将坐标信息代入式(9)，进而通过站间单差(如式10)获取用户时间终端的时钟信息，具体如下：

对于坐标信息未知的用户时间终端，可以通过双差观测信息，解算用户坐标信息，进而采用式(10)，获取用户时间终端的时钟信息，需要指出，此时受限于伪距观测精度局限性，解算的坐标有误差，进而会影响用户时间终端的时间信息的准确度。最后，将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的纳秒级时间同步。

S22：载波相位时间传递。类似伪距共视时间传递流程，依据虚拟原子钟与时频同步终端的距离，选取双频观测信息进行时间传递。类似式(8)和(9)，分别给出虚拟原子钟和用户时间终端的载波无电离层组合观测值，如式(11)和式(12)所示。

为了能够充分的利用载波观测信息，采用双差载波模糊度固定的方法求解时间用户终端高精度位置信息，此时与传统的高精度定位方法类似。但这种方法消除了时间信息，无法实现高精度时间传递。因此，需要通过双差模糊度进一步确定单差模糊度。引入伪距单差观测信息，多个历元平滑后确定单差时间基准，解算最高高度角卫星的站间单差模糊度信息，进而引入双差模糊度约束信息，实现基于载波相位的高精度时间传递，如式(13)所示。

进一步，将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的亚纳秒级时间同步。

本发明可以应用于例如面向5G/6G的移动通信、精密时频计量、铁路时频系统、分布式雷达、二次雷达等应用领域。

本发明还包括一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统，包括：

虚拟原子钟的高精度时间同步系统，包括卫星导航观测数据接收与分发模块、差分改正数接收与解码模块、基准站网本地时钟解算模块、卫星导航观测信息重构模块以及虚拟原子钟数据播发模块。

(1)卫星导航观测数据接收与分发模块：用于接入与分发全球卫星导航基准站以及时间用户终端的卫星导航观测信息。

(2)差分改正数接收与解码模块：用于接入WPT系统生成的时间服务改正数，并进行解码；

(3)基准站网本地时钟解算模块：用于基于基准站网的原始观测数据以及解码后的差分改正数，采用WPT高精度时间传递方法，修正链路各项误差，并行解算本地时钟误差；

(4)卫星导航观测信息重构模块：用于扣除解算获得的本地时钟误差，重新生成基准站网观测信息，并按照RTCM格式将基准站网观测数据编码；

(5)数据播发模块：用于将高精度时间服务信息编码并播发给时间用户。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种虚拟原子钟的高精度时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：虚拟原子钟观测信息生成：通过接入WPT系统提供的高精度时间服务信息，解算基准站网时钟信息，并重构基准站观测信息；

S2：快速高精度时间同步：利用服务端生成的虚拟观测原子钟信息，实现基准站网覆盖范围内的快速高精度时间同步；

所述步骤S1中，基准站的卫星观测信息表示如下：

其中，s代表卫星，i代表卫星信号频点，P_i ^s代表卫星到接收机的伪距观测值，代表载波相位观测值的测距，/>代表卫星到接收机的载波相位观测值，λ_i代表频点i载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，t_i代表接收机钟差，t^s代表卫星钟差，trop^s代表对流层延迟，/>代表电离层延迟，/>代表整周模糊度，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声；

所述步骤S1中，解算基准站网时钟信息时，采取以下步骤：

S11：解算基准站网时钟信息：采用WPT系统提供的高精度时间服务信息进行解算，采用无电离层组合可有效消除电离层延迟的影响，基于公式(1)-(2)，获得无电离层组合观测方程如下：

消除电离层延迟后，采用WPT系统提供的高精度卫星轨道与卫星时钟进行改正，最终待估计的参数接收机时钟t_IF，天顶对流层信息以及无电离层模糊度信息，采用卡尔曼滤波方法处理；

对单站估计的无电离层模糊度进行站间双差模糊度检核，将无电离层组合模糊度分解为宽巷模糊度和窄巷模糊度，选取独立基线固定基准站间双差模糊度，使用A,B表示基准站A和基准站B，j和k表示卫星编号，则测站A和B以及卫星j和k组成的双差模糊度表示为对于具有R个基准站，s颗卫星的卫星导航基准站网而言，联立固定的双差模糊度及全部基准站的载波观测方程信息/>即式(4)，整网迭代估计基准站的时钟信息t_IF,R，表示如下：

所述步骤S1中，重构基准站观测信息时，采取以下步骤：

S12：重构基准站观测信息：将式(5)中解算的t_IF带入式(1)和式(2)，重新构建基准站伪距和载波相位观测方程：

其中，δt_i表示频点i时钟和参数接收机时钟t_IF信息的差异，将重构的信息按照标准的RTCM格式进行编码；

所述步骤S2中，包括以下步骤：

S21：伪距共视时间传递：采用相位平滑伪距方法，降低伪距观测值噪声，依据基准站与时频同步终端的距离，选择双频伪距无电离层组合，按照高截止高度角选取观测值进行单差解算，从而实现高精度时间同步；

其中虚拟原子钟和用户时间终端对应的无电离层组合观测值如式(8)和式(9)，分别使用atom和user区分虚拟原子钟和用户时间终端的无电离层组合观测值：

对于已知坐标的用户时间终端，将坐标信息代入式(9)，进而通过站间单差获取用户时间终端的时钟信息，具体如下：

对于坐标信息未知的用户时间终端，通过双差观测信息，解算用户坐标信息，进而采用式(10)，获取用户时间终端的时钟信息，最后将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的纳秒级时间同步；

S22：载波相位时间传递：依据虚拟原子钟与时频同步终端的距离，选取双频观测信息进行时间传递，分别给出虚拟原子钟和用户时间终端的载波无电离层组合观测值，如式(11)和式(12)所示；

采用双差载波模糊度固定的方法求解时间用户终端高精度位置信息，通过双差模糊度进一步确定单差模糊度，引入伪距单差观测信息，多个历元平滑后确定单差时间基准，解算最高高度角卫星的站间单差模糊度信息，进而引入双差模糊度约束信息，实现基于载波相位的高精度时间传递，如式(13)所示：

最后将用户时间终端的硬件时延标校值扣除，实现用户时间终端的亚纳秒级时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟原子钟的高精度时间同步方法，其特征在于：基准站包括多个，采用多个基准站观测信息生成虚拟格网点，并重复所述步骤S1，生成各个基准站对应的虚拟原子钟信息。

3.一种虚拟原子钟的高精度时间同步系统，采用如权利要求1-2任意一项所述的虚拟原子钟的高精度时间同步方法，其特征在于：包括卫星导航观测数据接收与分发模块、差分改正数接收与解码模块、基准站网本地时钟解算模块、卫星导航观测信息重构模块以及虚拟原子钟数据播发模块；

所述卫星导航观测数据接收与分发模块用于接入与分发全球卫星导航基准站以及时间用户终端的卫星导航观测信息；

所述差分改正数接收与解码模块用于接入WPT系统生成的时间服务改正数，并进行解码；

所述基准站网本地时钟解算模块用于基于基准站网的原始观测数据以及解码后的差分改正数，采用WPT高精度时间传递方法，修正链路各项误差，并行解算本地时钟误差；

所述卫星导航观测信息重构模块用于扣除解算获得的本地时钟误差，重新生成基准站网观测信息，并按照RTCM格式将基准站网观测数据编码；

所述虚拟原子钟数据播发模块用于将高精度时间服务信息编码并播发给时间用户。