CN116299580A - 一种面向ppp授时的远程高精度硬件时延标校系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星导航高精度授时领域,公开了一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统和方法,该系统是通过直连UTC(k)测站将实时精密钟差基准溯源至UTC(k),重新生成实时硬件时延标校产品,并用于授时用户终端进行硬件时延标校的一个系统,包括卫星导航数据管理单元,实时精密钟差溯源单元,硬件时延标校产品生成单元以及硬件时延标校单元,本发明具有良好的可用性:可以满足北斗/GNSS各系统链路硬件时延的精确校准,在PPP时间同步以及高精度授时中有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航高精度授时领域,具体涉及一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统和方法。
背景技术
在时间比对和测量过程中,接收机设备进行信号的接收、处理时,均会带来一定的时延,时间比对接收机以及用户授时终端硬件时延校准在进行精确时间传递以及时间同步过程中必不可少,目前,接收机硬件时延校准技术可以分为绝对时延校准和相对时延校准技术,研究表明,接收机单频绝对硬件时延校准的不确定度在1ns左右,然而,较为复杂的操作以及较为严苛的实验环境限制了接收机绝对硬件时延校准的应用,相对较为简单的相对硬件时延校准方法被广泛应用在国际计量局的校准工作中,为了确保时间参考的一致性,国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)综合全球80余个时间实验室实时维持的本地时间(UTC(k)),生成世界协调时(Coordinated Universal Time,UTC),目前基于旅行接收机与本地接收机的共钟差比对,可以间接获得系统时延值,其进行无电离层组合标校的不确定性为1.5ns。
如果将参与比对的实验室看作一条时间链路,则时间传递系统的硬件时延可以链路进行校准,将各实验室中时间比对系统的时延看作一个整体,减小了接收机设备分段校准多次测量的累积误差,减小了时间比对中校准的不确定度,可以应用在时间比对与授时型接收机中,授时用户接收机进行标校需要引入昂贵的原子钟或者需要将授时或同步设备送入特定的检测机构,且授时接收机受温度等环境影响,需要定时进行检测,极大的限制了授时设备使用的灵活性与使用效率。
为此,本发明提出了一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统和方法,满足授时用户无需昂贵的原子钟或者设备搬运即可实现高精度、快速的硬件时延标校。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统和方法,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:
一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统,包括:
卫星导航数据管理单元:用于管理直连UTC(k)接收机实时观测数据、授时用户接收机实时观测数据以及事后观测数据;
实时精密钟差溯源单元:通过综合直连UTC(k)接收机实时观测数据以及实时精密卫星轨道、卫星钟差,在线解算直连UTC(k)接收机钟差;
硬件时延标校产品生成单元:将接收的实时卫星钟差进行重构,并进行编码,采用标准的卫星轨道、卫星钟差格式进行存储;
硬件时延标校单元:通过生成的硬件时延标校产品对授时用户接收机进行标校。
进一步的,所述卫星导航数据管理单元中,授时用户将采集的数据上传:
对于采集的事后观测数据,需要不少于72小时连续观测,采用率不低于300s,通过FTP方式上传;
对于实时采集的观测数据,通过Ntrip协议上传,数据采样率不低于30s,连续发送时间不少于72小时。
一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,包括如下步骤:
S1:获取溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品;
S2:远程硬件时延标校过程:通过S1过程获得的溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品对用户的授时接收机进行远程校准;
进一步的,所述步骤S1中,包括:
S11:实时接收实时精密卫星轨道、卫星钟差改正数以及直连UTC(k)的基准站实时观测数据;
S12:采用实时PPP方法解算直连UTC(k)基准站的接收机钟差,基于无电离层组合的GNSS观测方程可以表达为:
其中,为无电离层组合伪距观测值,/>为无电离层组合载波相位观测值,/>为卫星到接收机端的几何距离,c为光速,dts为卫星钟差,dtr为接收机钟差,/>为对流层延迟,λIF为无电离层组合载波相位波长,/>为无电离层组合模糊度,εP,IF和εL,IF分别表示在无电离层伪距和载波相位观测中观测噪声、多路径效应和其他未被模型化的误差;
S13:利用步骤S12计算的接收机钟差dtr以及事先获得的硬件延迟δutc,计算溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品,将该产品记为dTs,其计算公式如下:
dTs=dts-(dtr-δutc)(2)
S14:对步骤S13计算的dTs进行编码播发广域实时标校使用,并按照标准的卫星钟差文件存储用于事后标校使用;
进一步的,所述步骤S2中,包括:
S21:接收机r本地钟Clockr相较于真实信号T存在硬件时延偏差δt,解算得到的接收机钟差结果中包括了导航信号从天线信号输入口到接收机1PPS输出过程中的硬件时延,即:
T=Clockr-δt(3)
S22:通过利用式(1)进行PPP解算,用户获取本地授时接收机钟差dtr,利用式(1)解算调控后的接收机钟差为授时接收机预先设定的硬件时延偏差δt;
S23:计算授时接收机的硬件时延偏差,对连续3天以上的δti进行如下运算:
基于GNSS多系统分别采用不同的频点组合进行PPP解算,即可获得各系统相应频点组合的链路硬件时延校准结果。
进一步的,所述步骤S2中,对获取的授时用户数据,包括事后或者在线标校两种模式,调取不同的硬件时延标校产品:
S221:对于事后标校模式,依照上传的数据时段,从硬件时延标校系统调取对应时段的精密卫星轨道与卫星钟差产品;
S222:对于在线标校模式,从硬件时延标校系统获取相应的实时卫星轨道与卫星钟差改正数产品;
进一步的,所述步骤S23中,通过事后或者在线的方式解算授时用户接收机时差;
对于事后标校模式,将解算的用户接收机时差求取平均值,并按照其标准差的5倍作为标校的不确定度;
对于在线标校模式,将其连续解算的接收机时差求取平均值,同样按照其标准差的5倍作为标校的不确定度。
进一步的,通过事先解算授时接收机的位置,并将其固定,迭代解算授时接收机时差,此时按照3倍的接收机时差标准差作为标校不确定度。
本发明具有以下有益效果:
(1)、本发明具有良好的可用性:可以满足北斗/GNSS各系统链路硬件时延的精确校准,在PPP时间同步以及高精度授时中有着广阔的应用前景;
(2)、本发明具有良好的灵活性:可以满足任意位置、任意时间比对接收机以及授时型接收机的硬件时延校准需求,可以实现多台时频终端相对硬件延迟的统一标校;
(3)、本发明除了满足静态场景的授时接收机硬件时延标校,还适用于动态场景下的硬件时延标校;
(4)、本发明除了可用于硬件时延标校外,还可满足守时实验室UTC(k)之间的在线时差监测。
附图说明
图1是远程高精度硬件时延标校系统流程图;
图2是授时用户接收机链路相对硬件延迟标校流程图。
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。
本发明公开的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统是通过直连UTC(k)测站将实时精密钟差基准溯源至UTC(k),重新生成实时硬件时延标校产品,并用于授时用户终端进行硬件时延标校的一个系统,包括卫星导航数据管理单元;实时精密钟差溯源单元;硬件时延标校产品生成单元以及硬件时延标校单元,具体地,包括:
卫星导航数据管理单元:用于管理直连UTC(k)接收机实时观测数据、授时用户接收机实时观测数据以及事后观测数据,该单元支持Ntrip、FTP协议。在此单元,授时用户将采集的数据上传至硬件时延标校系统,包括两种方式:1-1:对于采集的事后观测数据,需要不少于72小时连续观测,采用率不低于300s,通过FTP方式上传至硬件时延标校系统;1-2:对于实时采集的观测数据,通过Ntrip协议上传至硬件时延标校系统,数据采样率不低于30s,连续发送时间不少于72小时;
实时精密钟差溯源单元:通过综合直连UTC(k)接收机实时观测数据以及实时精密卫星轨道、卫星钟差,在线解算直连UTC(k)接收机钟差,需特别指出,该接收机需要事先进行标校;
硬件时延标校产品生成单元:将接收的实时卫星钟差进行重构,并进行编码,采用标准的卫星轨道、卫星钟差格式进行存储,以便用户后续标校;
硬件时延标校单元:通过生成的硬件时延标校产品对授时用户接收机进行标校。
本发明还包括一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,包括如下步骤:
S1:获取溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品,还包括如下子过程:
S11:实时接收实时精密卫星轨道、卫星钟差改正数以及直连UTC(k)的基准站实时观测数据;
S12:采用实时PPP方法解算直连UTC(k)基准站的接收机钟差,基于无电离层组合的GNSS观测方程可以表达为:
其中,为无电离层组合伪距观测值,/>为无电离层组合载波相位观测值,/>为卫星到接收机端的几何距离,c为光速,dts为卫星钟差,dtr为接收机钟差,/>为对流层延迟,λIF为无电离层组合载波相位波长,/>为无电离层组合模糊度,εP,IF和εL,IF分别表示在无电离层伪距和载波相位观测中观测噪声、多路径效应和其他未被模型化的误差。
经过PPP解算获得的接收机钟差dtr包括了硬件延迟δutc,需要进一步进行修正。
S13:利用S12计算的接收机钟差dtr以及事先获得的硬件延迟δutc,计算溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品,将该产品记为dTs,其计算公式如下:
dTs=dts-(dtr-δutc)(2)
S14:对S13计算的dTs进行编码播发广域实时标校使用,并按照标准的卫星钟差文件存储用于事后标校使用。
S2:远程硬件时延标校过程,指通过S1过程获得的溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品对用户的授时接收机进行远程校准,包括如下子步骤。
S21:授时接收机端天线、线缆及接收机内部亦存在硬件时延,即接收机r本地钟Clockr相较于真实信号T存在硬件时延偏差δt,解算得到的接收机钟差结果中包括了导航信号从天线信号输入口到接收机1PPS输出过程中的硬件时延,即
T=Clockr-δt (3)
授时接收机在工作过程中会对已知的硬件延迟偏差δt进行修正,进而根据T计算调控量,实现1PPS输出。
S22:通过利用式(1)进行PPP解算,用户可获取本地授时接收机钟差dtr,由于授时接收机按照式(3)中的T进行调控,利用式(1)解算调控后的接收机钟差即为授时接收机预先设定的硬件时延偏差δt,为了便于区分,此时将解算的偏差记为δti,其中下标i表示解算时刻对应的编号;
S23:计算授时接收机的硬件时延偏差,对连续3天以上的δti进行如下运算:
其中,N表示PPP解算的历元个数,δt,new为授时接收机硬件时延偏差标校结果,为解算硬件延迟的标准差,用于标校的不确定评估。接收机硬件时延在短期内基本不变,基于GNSS多系统分别采用不同的频点组合进行PPP解算,即可获得各系统相应频点组合的链路硬件时延校准结果。
进一步的,在所述步骤S2中,对获取的授时用户数据,针对事后或者在线标校两种模式,调取不同的硬件时延标校产品,包括以下两种:
S221:对于事后标校模式,依照上传的数据时段,从硬件时延标校系统调取对应时段的精密卫星轨道与卫星钟差产品;
S222:对于在线标校模式,从硬件时延标校系统获取相应的实时卫星轨道与卫星钟差改正数产品;
进一步的,所述步骤S23中,通过事后或者在线的方式解算授时用户接收机时差,对于事后标校模式,将解算的用户接收机时差求取平均值,并按照其标准差的5倍作为标校的不确定度;对于在线标校模式,将其连续解算的接收机时差求取平均值,同样按照其标准差的5倍作为标校的不确定度。特别说明,为了降低标校的不确定度,可以通过事先解算授时接收机的位置,并将其固定,迭代解算授时接收机时差,此时按照3倍的接收机时差标准差作为标校不确定度。
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 (8)
1.一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统,其特征在于,包括:
卫星导航数据管理单元:用于管理直连UTC(k)接收机实时观测数据、授时用户接收机实时观测数据以及事后观测数据;
实时精密钟差溯源单元:通过综合直连UTC(k)接收机实时观测数据以及实时精密卫星轨道、卫星钟差,在线解算直连UTC(k)接收机钟差;
硬件时延标校产品生成单元:将接收的实时卫星钟差进行重构,并进行编码,采用标准的卫星轨道、卫星钟差格式进行存储;
硬件时延标校单元:通过生成的硬件时延标校产品对授时用户接收机进行标校。
2.根据权利要求1所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校系统,其特征在于,所述卫星导航数据管理单元中,授时用户将采集的数据上传:
对于采集的事后观测数据,需要不少于72小时连续观测,采样率不低于300s,通过FTP方式上传;
对于实时采集的观测数据,通过Ntrip协议上传,数据采样率不低于30s,连续发送时间不少于72小时。
3.一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:获取溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品;
S2:远程硬件时延标校过程:通过S1过程获得的溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品对用户的授时接收机进行远程校准。
4.根据权利要求3所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,所述步骤S1中,包括:
S11:实时接收实时精密卫星轨道、卫星钟差改正数以及直连UTC(k)的基准站实时观测数据;
S12:采用实时PPP方法解算直连UTC(k)基准站的接收机钟差,基于无电离层组合的GNSS观测方程可以表达为:
其中,为无电离层组合伪距观测值,/>为无电离层组合载波相位观测值,ρr s为卫星到接收机端的几何距离,c为光速,dts为卫星钟差,dtr为接收机钟差,/>为对流层延迟,λIF为无电离层组合载波相位波长,/>为无电离层组合模糊度,εP,IF和εL,IF分别表示在无电离层伪距和载波相位观测中观测噪声、多路径效应和其他未被模型化的误差;
S13:利用步骤S12计算的接收机钟差dtr以及事先获得的硬件延迟δutc,计算溯源至UTC(k)的硬件时延标校产品,将该产品记为dTs,其计算公式如下:
dTs=dts-(dtr-δutc)(2)
S14:对步骤S13计算的dTs进行编码播发广域实时标校使用,并按照标准的卫星钟差文件存储用于事后标校使用。
5.根据权利要求4所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,所述步骤S2中,包括:
S21:接收机r本地钟Clockr相较于真实信号T存在硬件时延偏差δt,解算得到的接收机钟差结果中包括了导航信号从天线信号输入口到接收机1PPS输出过程中的硬件时延,即:
T=Clockr-δt(3)
S22:通过利用式(1)进行PPP解算,用户获取本地授时接收机钟差dtr,利用式(1)解算调控后的接收机钟差为授时接收机预先设定的硬件时延偏差δt;
S23:计算授时接收机的硬件时延偏差,对连续3天以上的δti进行如下运算:
基于GNSS多系统分别采用不同的频点组合进行PPP解算,即可获得各系统相应频点组合的链路硬件时延校准结果。
6.根据权利要求3所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,所述步骤S2中,对获取的授时用户数据,包括事后或者在线标校两种模式,调取不同的硬件时延标校产品:
S221:对于事后标校模式,依照上传的数据时段,从硬件时延标校系统调取对应时段的精密卫星轨道与卫星钟差产品;
S222:对于在线标校模式,从硬件时延标校系统获取相应的实时卫星轨道与卫星钟差改正数产品。
7.根据权利要求5所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,所述步骤S23中,通过事后或者在线的方式解算授时用户接收机时差;
对于事后标校模式,将解算的用户接收机时差求取平均值,并按照其标准差的5倍作为标校的不确定度;
对于在线标校模式,将其连续解算的接收机时差求取平均值,同样按照其标准差的5倍作为标校的不确定度。
8.根据权利要求7所述的一种面向PPP授时的远程高精度硬件时延标校方法,其特征在于,通过事先解算授时接收机的位置,并将其固定,迭代解算授时接收机时差,此时按照3倍的接收机时差标准差作为标校不确定度。
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武美芳 等: "基于国家标准时间的BDS精密时间服务方法", 第十三届中国卫星导航年会论文集, pages 1 - 5 * |
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