CN115993617B - 一种gnss系统时间偏差的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GNSS系统时间偏差的监测方法，涉及卫星导航技术领域，该方法包括：采用GNSS监测接收机获得设定数量个卫星导航系统的观测数据和导航电文；基于每个所述卫星导航系统的观测数据和导航电文，采用实时精密单点定位方法计算每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差；根据每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，获得设定数量个卫星导航系统中任意两个卫星导航系统当前历元的系统时间偏差。本发明提高了导航系统时间偏差监测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种GNSS系统时间偏差的监测方法。
背景技术
卫星导航系统融合共用可以显著增加可视卫星的数目以及多个频点观测数据，不仅可以提高服务精度，还可以提升卫星导航系统的安全性和可靠性。卫星导航系统保持有自己的系统时间，且通过协调世界时(UniversalTime Coordinated，UTC)的不同物理实现溯源至UTC，因此不同导航系统之间存在系统时间偏差，该偏差值大约在几纳秒到几十纳秒的范围。
对于多系统组合定位与授时等应用，系统时间偏差是必须要考虑的因素，同时也是全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)兼容互操作的主要内容。目前获取GNSS时间偏差的主要方法有2种，方法1是在卫星导航系统层面监测，即在导航系统地面系统时间保持中心的之间建立卫星双向时间比对链路或GNSS时间比对链路，直接获得不同GNSS时间之间的偏差。方法2是通过接收GNSS空中信号，获取伪码观测值，从中扣除各项传输路径延迟，间接获得GNSS时间偏差。
第一种监测方法只能在卫星导航系统的地面时间保持中心实施，且需要彼此间交换数据。第二种监测方法不受监测地点的限制，也不需要数据交互的支撑，单站监测即可实现，但是该方法受限于伪码测量精度，只能实现约5ns的监测精度，且监测结果存在明显的周日变化。从监测数据的短期变化来看，由该监测方法引入的监测误差掩盖了系统时间偏差的真实变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种GNSS系统时间偏差的监测方法，提高了导航系统时间偏差监测的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种GNSS系统时间偏差的监测方法，包括：
采用GNSS监测接收机获得设定数量个卫星导航系统的观测数据和导航电文；
基于每个所述卫星导航系统的观测数据和导航电文，采用实时精密单点定位方法计算每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差；
根据每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，获得设定数量个卫星导航系统中任意两个卫星导航系统当前历元的系统时间偏差。
可选地，基于每个所述卫星导航系统的观测数据和导航电文，采用实时精密单点定位方法计算每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，具体包括：
对于设定数量个卫星导航系统中任意一个卫星导航系统，对所述观测数据进行周跳探测和钟跳探测的预处理，获得预处理后的观测数据；
基于所述导航电文中广播星历参数和天线相位中心改正文件确定各误差项改正值，所述误差项包括卫星钟差，星地几何距离，地球自转效应、相对论效应、相位缠绕误差、固体潮改正误差、卫星天线相位中心偏差和接收机天线相位中心偏差；
基于所述GNSS监测接收机与当前卫星导航系统对应的卫星位置，利用Saastamoinen模型确定天顶方向的对流层干延迟分量；
采用投影函数，将天顶方向的对流层干延迟分量转换到当前卫星导航系统对应的卫星至所述GNSS监测接收机连线方向的对流层干延迟分量；
从无电离层组合观测值中扣除对应所述各误差项的改正值，将天顶方向的对流层湿延迟分量、模糊度、接收机位置和接收机钟差作为待估计参数；
采样序贯最小二乘估计方法逐历元估计所述待估计参数，得到当前卫星导航系统对应的当前历元的接收机钟差。
可选地，所述投影函数为GMF。
可选地，所述设定数量为4，4个卫星导航系统分别为GPS、BDS、Galileo和GLONASS。
可选地，所述采用GNSS监测接收机获得设定数量个卫星导航系统的观测数据和导航电文，具体包括：
采用GNSS监测接收机获得GPSL1/L2、BDSB1I/B3I、GalileoE1/E5a和GLONASSL1/L2频点的观测数据，以及GPS、BDS、Galileo和GLONASS导航电文。
可选地，所述观测数据包括伪距观测数据和载波相位观测数据。
可选地，所述GNSS监测接收机工作在静态模式。
可选地，所述GNSS监测接收机的频率基准为10MHz频率信号，所述GNSS监测接收机的伪距测量的参考信号为1PPS时间信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用GNSS监测接收机获得多个卫星导航系统的观测数据和导航电文，基于实时精密单点定位算法实时解算卫星导航系统之间的系统时间偏差，从而提高了导航系统时间偏差监测的准确性，解决了多个卫星导航系统由于存在系统时间偏差导致的兼容互操作问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种GNSS系统时间偏差的监测方法流程示意图；
图2为本发明一种GNSS系统时间偏差的监测方法的具体流程示意图。
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。
本发明的目的是提供一种GNSS系统时间偏差的监测方法，提高了导航系统时间偏差监测的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明一种GNSS系统时间偏差的监测方法，包括：
步骤101：采用GNSS监测接收机获得设定数量个卫星导航系统的观测数据和导航电文。
设定数量为4，4个卫星导航系统分别为GPS(GlobalPositioningSystem)、BDS、Galileo和GLONASS。
其中GPS为美国的全球定位系统，BDS为中国的北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)，GLONASS为俄罗斯的全球卫星导航系统，Galileo为伽利略卫星导航系统(Galileosatellitenavigation system)，Galileo为欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。
GNSS监测接收机工作在静态模式，GNSS监测接收机的型号为SeptentrioPolax5TR。
GNSS监测接收机的外部参考信号输入端口，分别接入UTC(NTSC)的1PPS时间信号和10MHz频率信号，10MHz频率信号为GNSS监测接收机提供频率参考，1PPS时间信号为GNSS监测接收机提供伪距测量的参考信号。
其中，步骤101具体包括：
采用GNSS监测接收机获得GPSL1/L2、BDSB1I/B3I、GalileoE1/E5a和GLONASSL1/L2频点的观测数据，以及GPS、BDS、Galileo和GLONASS导航电文。更具体地，GNSS监测接收机连接的天线接收GPS/GLONASS/Galileo/BDS空中信号，输出GPSL1、L2、BDSB1I、B3I、GalileoE1、E5a和GLONASSL1、L2频点的观测数据，以及GPS、BDS、Galileo和GLONASS的导航电文。
观测数据包括伪距观测数据和载波相位观测数据。
步骤102：基于每个所述卫星导航系统的观测数据和导航电文，采用实时精密单点定位方法计算每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差。
步骤103：根据每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，获得设定数量个卫星导航系统中任意两个卫星导航系统当前历元的系统时间偏差。
其中，步骤102具体包括：
对于设定数量个卫星导航系统中任意一个卫星导航系统，对所述观测数据进行周跳探测和钟跳探测的预处理，获得预处理后的观测数据。
基于所述导航电文中广播星历参数和天线相位中心改正文件确定各误差项改正值，所述误差项包括卫星钟差，星地几何距离，地球自转效应、相对论效应、相位缠绕误差、固体潮改正误差、卫星天线相位中心偏差和接收机天线相位中心偏差。
其中，天线相位中心改正文件是IGS机构发布的，本发明将天线相位中心从天线相位中心改正文件下载到本地。
基于所述GNSS监测接收机与当前卫星导航系统对应的卫星的位置，利用Saastamoinen模型确定天顶方向的对流层干延迟分量。
采用投影函数，将天顶方向的对流层干延迟分量转换到当前卫星导航系统对应的卫星至所述GNSS监测接收机连线方向的对流层干延迟分量，天顶方向的对流层湿延迟分量作为未知数估计。
对接收机输出的双频观测数据构造双频无电离层组合模型，得到无电离层组合观测值。
从无电离层组合观测值中扣除对应所述各误差项的改正值，作为已知量，将天顶方向的对流层湿延迟分量、模糊度、接收机位置和接收机钟差作为待估计参数。
采样序贯最小二乘估计方法逐历元估计所述待估计参数，得到当前卫星导航系统对应的当前历元的接收机钟差。
所述投影函数采用全球投影函数(GlobalMappingFunction，GMF)。
本发明基于广播星历实施实时精密单点定位算法实现GNSS系统时间偏差的高精度实时监测。
下面以GPS为例，计算GPS当前历元的接收机钟差，具体步骤如下。
Step1：对GPSL1/L2频点的观测数据进行预处理，对观测数据进行预处理主要包括周跳探测和接收机钟跳探测。基于L1、L2频点的伪距和载波相位观测数据采用MW(Melbourne/Wubbena)组合模型和无几何距离(GeometryFree，GF)模型联合探测并修复载波相位观测数据中的周跳；利用相邻历元的伪距和载波相位观测数据判断是否存在接收机钟跳，若存在则剔除相应历元的伪距和载波相位观测数据。
Step2：卫星位置和卫星钟差基于广播星历参数实时外推计算得到，地球自转、相对论效应、相位缠绕、固体潮改正、卫星和接收机天线相位中心等误差采用模型改正，即获得各项的误差。不考虑不同导航系统不同坐标系之间的差异(厘米级)，潮汐改正中不考虑海洋潮汐(厘米级)和极移潮汐(毫米级)的影响。
Step3：对流层延迟利用Saastamoinen模型估算天顶方向的干延迟，投影函数为GMF，根据天顶方向的对流层延迟转换到卫星至接收机连线方向的对流层干延迟分量。
Step4：根据Step1中经过预处理的伪距和载波相位观测数据构造双频无电离层组合模型，得到无电离层组合观测值。
Step5：从Step4得到的无电离层组合观测值中扣除Step2和Step3中的各项误差改正值，作为已知量，将对流层天顶方向的湿延迟分量、模糊度、接收机位置和接收机钟差作为待估计参数。
Step6：采用序贯最小二乘参数估计方法逐历元估计Step5中的待估参数，得到当前历元的接收机钟差，即参考时间与GPST的时差，记为Tref_GPST。
同样地分别对GLONASS、Galileo和BDS系统的观测数据按照Step2～Step6实施，估计得到当前历元的时差Tref_GLNT、Tref_GST和Tref_BDT。
对于当前历元的Tref_GPST、Tref_GLNT、Tref_GST和Tref_BDT时差数据进行互差，即可得到当前历元任意两个卫星导航系统的系统时间之间的偏差。
采用相同的步骤估计得到下个历元卫星导航系统的系统时间之间的偏差，从而获得各个历元卫星导航系统的系统时间之间的偏差。
本发明相对于现有的GNSS系统时差监测技术，具有精度高和实施灵活的优点。目前第三方机构提供的精密星历与钟差产品文件或实时数据流只能获得卫星与产品时间参考的偏差，不能建立与GNSS系统时间的关系。随着卫星导航系统的不断升级，目前卫星导航系统的用户测距精度已优于1m。使用导航系统广播的星钟参数可以得到卫星与系统时间的偏差，结合接收机输出的伪距和载波相位观测值，可以实现GNSS系统时间偏差的高精度的监测。不需要额外的第三方数据支撑，对网络资源无要求。
相比于现有的方法1，本发明方法更为灵活，不要求监测地点部署在卫星导航系统的地面时间保持中心，对监测条件的要求更为宽松，只需要稳定的时间频率参考信号作为输入。此外，本发明方法只需在一个地点部署高性能GNSS监测接收机开展监测即可，不要求2个及以上的站点同时部署，也不需要数据交换。
相比于现有的方法2，本发明方法实现的GNSS系统时间偏差监测精度更高，不仅使用了伪距观测量(测量精度约3m)，还使用了测距精度更高的载波相位观测量(测量精度2.9cm)，并且误差改正更为精细。基于伪码的监测方法2直接采用模型改正对流层延迟，本发明给出的方法中干分量采用模型改正，对难以模型化的湿分量作为未知参数与钟差同时估计。此外，本发明方法还进行了固体潮改正，相位缠绕误差改正。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种GNSS系统时间偏差的监测方法，其特征在于，包括：
采用GNSS监测接收机获得设定数量个卫星导航系统的观测数据和导航电文，具体包括：
采用GNSS监测接收机获得GPS L1/L2、BDS B1I/B3I、Galileo E1/E5a和GLONASS L1/L2频点的观测数据，以及GPS、BDS、Galileo和GLONASS导航电文；
基于每个所述卫星导航系统的观测数据和导航电文，采用实时精密单点定位方法计算每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，具体包括：
对于设定数量个卫星导航系统中任意一个卫星导航系统，对所述观测数据进行周跳探测和钟跳探测的预处理，获得预处理后的观测数据；
基于所述导航电文中广播星历参数和天线相位中心改正文件确定各误差项改正值，所述误差项包括卫星钟差、星地几何距离、地球自转效应、相对论效应、相位缠绕误差、固体潮改正误差、卫星天线相位中心偏差和接收机天线相位中心偏差；其中，卫星位置和卫星钟差基于广播星历参数实时外推计算得到，地球自转效应、相对论效应、相位缠绕误差、固体潮改正误差、卫星天线相位中心偏差和接收机天线相位中心偏差采用模型改正；
基于所述GNSS监测接收机与当前卫星导航系统对应的卫星位置，利用Saastamoinen模型确定天顶方向的对流层干延迟分量；
采用投影函数，将天顶方向的对流层干延迟分量转换到当前卫星导航系统对应的卫星至所述GNSS监测接收机连线方向的对流层干延迟分量；
对接收机输出的双频观测数据构造双频无电离层组合模型，得到无电离层组合观测值；观测数据包括伪距观测数据和载波相位观测数据；
从无电离层组合观测值中扣除对应所述各误差项的改正值，将天顶方向的对流层湿延迟分量、模糊度、接收机位置和接收机钟差作为待估计参数；
采用序贯最小二乘估计方法逐历元估计所述待估计参数，得到当前卫星导航系统对应的当前历元的接收机钟差；
根据每个所述卫星导航系统当前历元的接收机钟差，获得设定数量个卫星导航系统中任意两个卫星导航系统当前历元的系统时间偏差。
2.根据权利要求1所述的GNSS系统时间偏差的监测方法，其特征在于，所述投影函数为GMF。
3.根据权利要求1所述的GNSS系统时间偏差的监测方法，其特征在于，所述设定数量为4，4个卫星导航系统分别为GPS、BDS、Galileo和GLONASS。
4.根据权利要求1所述的GNSS系统时间偏差的监测方法，其特征在于，所述GNSS监测接收机工作在静态模式。
5.根据权利要求1所述的GNSS系统时间偏差的监测方法，其特征在于，所述GNSS监测接收机的频率基准为10MHz频率信号，所述GNSS监测接收机的伪距测量的参考信号为1PPS时间信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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