CN116243591B - 融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法,包括：获取北斗基准站事后数据，提取无电离层组合伪距残差，对所述无电离层组合伪距残差进行预处理，获取卫星端群延迟偏差修正值；基于北斗基准站结合所述卫星端延迟偏差修正值，对广域范围内或全球范围的北斗广播星历进行实时监测，对误差大的卫星进行标记；对标记的卫星进行预处理，结合直连UTC(k)基准站确定时差并对时钟进行重构，获取重构的广播星历时钟信息；对重构的广播星历时钟信息进行解码获取IODE，基于所述IODE进行匹配，获取授时的广播星历和卫星位置，基于所述卫星位置结合卫星时钟进行用户时钟信息解算，获取广播星历的高精度授时。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航高精度授时领域，尤其涉及融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法。
背景技术
得益于精密单点定位(PPP)授时方法服务范围广、时频传递性能高的优点，精密单点授时将成为卫星导航精密授时的主要技术手段之一。PPP授时需要依赖全球卫星导航基准站站网提供实时数据流用于实时精密卫星轨道与卫星钟差估计。可靠的基准站网、以及稳健的卫星轨道与卫星钟差估计对实现广域亚纳秒授时至关重要，维护全球卫星导航基准站网以及可靠的高精度授时服务难度较大。随着北斗卫星导航系统的不断升级与完善，北斗基本导航系统服务性能不断提升，北斗广播星历可以提供米级乃至分米级精度的卫星轨道改正数以及纳秒级的卫星钟差改正数。由于卫星轨道和卫星钟差的耦合性，北斗广播星历可以实现亚米级的用户综合测距误差改正。综合利用PPP技术的优势，有望利用广播星历实现纳秒乃至亚纳秒的授时服务。但是，目前北斗广播星历存在两个问题，卫星轨道的精度不统一，存在分米级乃至米级的变化；另一方面，受北斗信号时延偏差的影响，北斗卫星时钟同步精度较低，存在纳秒乃至数十纳秒的偏差。
发明内容
本发明的目的在于提出融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，能够避免精密单点定位授时方法对实时精密卫星轨道、实时精密卫星钟差的依赖，且进一步降低对卫星导航基准站网的依赖，通过融合UTC(k)、北斗广播星历以及少量的卫星导航基准站，即可轻量化、低成本实现北斗高精度授时。
为实现上述目的，本发明提供了融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，包括以下步骤：
获取北斗基准站事后数据，提取无电离层组合伪距残差，对所述无电离层组合伪距残差进行预处理，获取卫星端群延迟偏差修正值；
基于北斗基准站结合所述卫星端延迟偏差修正值，对广域范围内或全球范围的北斗广播星历进行实时监测，对误差大的卫星进行标记；
对标记的卫星进行预处理，结合直连UTC(k)基准站确定时差并对时钟进行重构，获取重构的广播星历时钟信息；
对重构的广播星历时钟信息进行解码获取IODE，基于所述IODE进行匹配，获取授时的广播星历和卫星位置，基于所述卫星位置结合卫星时钟进行用户时钟信息解算，获取广播星历的高精度授时。
可选的，提取无电离层组合伪距残差的方法包括：固定测站坐标，利用广播星历改正卫星轨道、卫星钟差以及TGD误差，通过卡尔曼滤波或最小二乘方法估计测站接收机钟差、天顶对流层延迟以及模糊度参数，获取无电离层组合伪距残差。
可选的，对所述无电离层组合伪距残差进行预处理的方法包括：选取截止高度角25°的伪距残差进行处理；剔除小于2小时的跟踪弧段。
可选的，获取卫星端群延迟偏差修正值的方法包括：
其中，为每个测站每颗卫星获得的伪距残差弧段求平均，δr,i为基准站特有的时延偏差，δtgdj为卫星端群延迟修正量。
可选的，对标记的卫星进行预处理的方法包括：对于标识为“0”的卫星进行剔除，不参与解算；对于标识为“0.5”的卫星综合卫星高度角进行降权处理；标识为“1”的卫星不进行预处理。
可选的，获取重构的广播星历时钟信息的方法包括：
Ts＝ts-δtgds-tr,UTC(k)
其中，Ts为重构后的卫星钟差信息，ts为原始的卫星钟差，δtgds为卫星端群延迟修正量，tr,UTC(k)为重构的广播星历时钟信息。
可选的，基于所述卫星位置结合卫星时钟进行用户时钟信息解算，获取广播星历的高精度授时包括：
其中，和/>分别表示用户的伪距无电离层和载波相位无电离层组合观测值，/>表示卫地距，tuseer为用户的时钟信息，Ts为重构后的卫星钟差信息，TGDS为修正后的卫星端延迟修正量，/>为用户的对流层延迟，λIF为无电离层组合波长，为相应的模糊度信息，εP,IF和εΦ,IF分别为用户伪距和载波相位的噪声。
本发明技术效果：本发明公开了融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，以低成本实现广域范围内的亚纳秒级授时；灵活性高、成本低：通过融合UTC(k)及少量卫星导航基准站实现北斗高精度授时，国内可用于溯源的UTC(k)包括中国计量科学研究院UTC(NIM)和中国科学院国家授时中心UTC(NTSC)；同时可灵活扩展至其他卫星导航系统，即融合UTC(k)和GPS等其他导航系统的广播星历同样可亚纳秒级授时；本发明可以实现北斗时与UTC(k)的时差实时监测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例中提供融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，包括以下步骤：
引入北斗无电离层组合观测方程，如下：
式中和/>表示北斗B1I和B3I组成的伪距、载波相位无电离层组合观测值；表示经过固体潮、地球自转、天线相位中心等各项误差改正后测站至卫星的几何距离，tr表示接收机钟差；ts表示卫星钟差；δr表示直连UTC(k)接收机的硬件时延偏差，对于普通的卫星导航接收机该项偏差可设为0；TGDS表示卫星端群延迟改正；/>是信号传播路径上的对流层延迟；/>表示载波观测值模糊度；λIF是无电离层组合载波相位观测值波长；εP,IF和εΦ,IF分别表示伪距和载波相位观测值噪声。
S1卫星端群延迟偏差修正：受卫星信号畸变偏差的影响，北斗广播星历的钟差及群延迟存在固有的偏差，进而影响了北斗卫星时钟同步精度。为了避免不同类型接收机信号畸变偏差对群延迟修正的影响，选取与直连UTC(k)相同类型的接收机进行组网。
S11：提取无电离层组合伪距残差。固定测站坐标，利用广播星历改正卫星轨道、卫星钟差以及TGD误差，通过卡尔曼滤波或最小二乘方法估计各测站接收机钟差、天顶对流层延迟以及模糊度参数，获得无电离层组合伪距残差。
S12：无电离层组合伪距残差预处理。为了避免伪距多路径的影响，选取截止高度角25°的伪距残差进行处理；另一方面，剔除小于2小时的跟踪弧段。
S13：整网估计卫星端群延迟偏差修正值。假设选取的基准站共有M个，对于每个测站每颗卫星获得的伪距残差弧段求平均，记为受每个基准站信号时延偏差的影响，/>包含基准站特有的时延偏差δr,i及卫星端群延迟修正量δtgdj。因此可获得以下方程组
为了解决式(2)存在的秩亏，以直连UTC(k)基准站为参考，扣除校准值δr，采用最小二乘方法获取各卫星群延迟修正量δtgdj。
S2北斗广播星历质量实时监测：利用基准站网对广域范围内或全球范围的北斗广播星历进行实时质量监测，实时探测精度较差的北斗卫星并进行标记。为了保证异常卫星轨道能够进行有效、可靠探测，选取每颗卫星不少于5个基准站可见，且站间距可大于1000公里。假设接入N个基准站，其中包括直连UTC(k)的基准站。固定N个基准站的坐标，式(1)中未知的参数包括接收机钟差，天顶对流层延迟以及模糊度信息，采用卡尔曼滤波方法估计各未知参数，最终获得计算测站i、卫星j的伪距和相位残余误差，记为和/>对于卫星j，可跟踪卫星j的测站伪距残差的均方差大于2m，则认为该颗卫星的广播星历误差较大，否则进一步判断可跟踪卫星j的测站相位残差的均方差是否大于0.5m，如大于0.5m，则认为该颗卫星的广播星历误差较大，具体公式如下，
S3：北斗广播星历溯源至UTC(k)：通过直连UTC(k)基准站将北斗广播星历溯源至UTC(k)。
S31：广播星历预处理。该过程利用S2过程获得的广播星历标记对可见卫星进行处理，对于标识为“0”的卫星进行剔除，不参与解算；对于标识为“0.5”的卫星综合卫星高度角进行降权处理；标识为“1”的卫星不做额外处理。
S32：直连UTC(k)基准站时差确定。基于式(1)，固定测站坐标，并改正接收机的硬件时延偏差以及S1过程中的卫星端群延迟修正值，重新求解接收机钟差，记为tr,UTC(k)。
S33：广播星历时钟重构。基于S1获得的卫星端群延迟修正值以及S32获得的tr,UTC(k),重新生成广播星历卫星时钟信息，具体如下：
Ts＝ts-δtgds-tr,UTC(k) (4)
其中，Ts为重构后的卫星钟差信息，ts为原始的卫星钟差，δtgds为卫星端群延迟修正量，tr,UTC(k)为重构的广播星历时钟信息。
S34：重构的信息编码与播发。将解算历元时刻、每颗卫星PRN号、对应的数据龄期IODE、S2过程计算的Indicator以及S33计算的Ts进行编码并进行广播。该过程相比传统PPP授时方法，播发的数据量更小。且优于广播星历的预报特性，播发频次无需太高，进一步降低了通信带宽的需求。
S4：基于重构的广播星历的高精度授时方法。
S41：数据接收与解码。接收S34生成的重构的广播星历时钟信息，并按照相应的编码方法进行解码。
S42：广播星历处理。依据解码获得的IODE进行匹配，获取用于授时的广播星历，计算卫星位置，卫星时钟则由S41过程解码获得。同样，用户依照S31过程中的预处理方法对广播星历进行调权处理。
S43：基于重构广播星历的时间传递。不同于式(1)，依据式(5)，利用S42解算的卫星位置与卫星时钟信息进行用户时钟信息解算。
其中，和/>分别表示用户的伪距无电离层和载波相位无电离层组合观测值，/>表示卫地距，tuseer为用户的时钟信息，Ts为重构后的卫星钟差信息，TGDS为修正后的卫星端延迟修正量，/>为用户的对流层延迟，λIF为无电离层组合波长，为相应的模糊度信息，εP,IF和εΦ,IF分别为用户伪距和载波相位的噪声。
特别指出，Ts由S42过程计算的卫星时钟信息进行改正。此外，解算获得的tuser会吸收用户接收机的硬件时延偏差，用户需要进行相应的标校才能实现高精度授时。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取北斗基准站事后数据，提取无电离层组合伪距残差，对所述无电离层组合伪距残差进行预处理，获取卫星端群延迟偏差修正值；
基于北斗基准站结合所述卫星端群延迟偏差修正值，对广域范围内或全球范围的北斗广播星历进行实时监测，对误差大的卫星进行标记；
对标记的卫星进行预处理，结合直连UTC(k)基准站确定时差并对时钟进行重构，获取重构的广播星历时钟信息；
对重构的广播星历时钟信息进行解码获取IODE，基于所述IODE进行匹配，获取授时的广播星历和卫星位置，基于所述卫星位置结合卫星时钟进行用户时钟信息解算，获取广播星历的高精度授时；
对所述无电离层组合伪距残差进行预处理的方法包括：选取截止高度角25°的伪距残差进行处理；剔除小于2小时的跟踪弧段；
对标记的卫星进行预处理的方法包括：对于标识为“0”的卫星进行剔除，不参与解算；对于标识为“0.5”的卫星综合卫星高度角进行降权处理；标识为“1”的卫星不进行预处理。
2.如权利要求1所述的融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，其特征在于，提取无电离层组合伪距残差的方法包括：固定测站坐标，利用广播星历改正卫星轨道、卫星钟差以及TGD误差，通过卡尔曼滤波或最小二乘方法估计测站接收机钟差、天顶对流层延迟以及模糊度参数，获取无电离层组合伪距残差。
3.如权利要求1所述的融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，其特征在于，获取卫星端群延迟偏差修正值的方法包括：
其中，为每个测站每颗卫星获得的伪距残差弧段求平均，δr,i为基准站特有的时延偏差，δtgdj为卫星端群延迟修正量。
4.如权利要求1所述的融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，其特征在于，获取重构的广播星历时钟信息的方法包括：
Ts＝ts-δtgds-tr,UTC(k)
其中，Ts为重构后的卫星钟差信息，ts为原始的卫星钟差，δtgds为卫星端群延迟修正量，tr,UTC(k)为重构的广播星历时钟信息。
5.如权利要求1所述的融合UTC(k)和北斗广播星历的亚纳秒级授时方法，其特征在于，基于所述卫星位置结合卫星时钟进行用户时钟信息解算，获取广播星历的高精度授时包括：
其中，和/>分别表示用户的伪距无电离层和载波相位无电离层组合观测值，/>表示卫地距，tuser为用户的时钟信息，Ts为重构后的卫星钟差信息，TGDS为修正后的卫星端延迟修正量，/>为用户的对流层延迟，λIF为无电离层组合波长，为相应的模糊度信息，εP,IF和εΦ,IF分别为用户伪距和载波相位的噪声。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 广域实时精密定位与时间服务系统;施闯等;测绘学报;第51卷(第7期);1206-1214 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116243591A (zh) | 2023-06-09 |
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