CN116299585A - 一种顾及历元间差分信息的gnss载波相位时间传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及载波相位时间传递领域，具体涉及一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法。实时获取两个时间传递站的伪距观测值、载波相位观测值以及精密卫星轨道和钟差产品数据；对伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，并构建载波相位时间传递模型；建立历元间的差分解算模型，基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算，获取当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差；根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量。本发明通过历元间差分信息的获取对时间传递模型进行有效增强，提升了接收机钟差的解算强度，并进一步增强了GNSS载波相位时间传递的性能。

Description

一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法
技术领域
本发明涉及载波相位时间传递领域，具体涉及一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法。
背景技术
利用全球卫星导航系统（GNSS）的远程时间传递技术作为一种集应用效率高、成本低，设备体积小，机动灵活、维护简单等优势为一体的时间空间时频传递技术，已广泛应用于卫星导航，电力、通信、交通、国防军工、科学研究等领域。随着高精度的时间频率标准的不断发展，尤其是远程时间传递技术作为与国家标准时间频率建立联系的重要手段，对于时间传递性能也提出了更高的要求。
然而，传统的GNSS载波相位时间传递技术仅仅利用了当前历元的伪距和载波相位观测量，受观测环境和接收机硬件设备的影响，在观测量中随着传递时长的增加会产生异常，造成时间传递的精度衰减，究其原因是传统的GNSS载波相位时间传递方法并未考虑到两类观测量在时间域内的相关性，损失了大量有益的观测信息，因此如何有效融合GNSS观测量在时间域内的有效信息，进一步提升GNSS时间传递的可靠性是时间频率领域关注的热点问题。
发明内容
为了解决现有技术中在观测量中随着传递时长的增加会产生异常，造成时间传递的精度衰减的问题，本发明提供一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，该方案包括：实时获取两个时间传递站的伪距观测值、载波相位观测值以及精密卫星轨道和钟差产品数据；对伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，并构建载波相位时间传递模型；建立历元间的差分解算模型，基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算，获取当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差；根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量。本发明通过历元间差分信息的获取对时间传递模型进行有效增强，提升了接收机钟差的解算强度，并进一步增强了GNSS载波相位时间传递的性能。
本发明采用如下技术方案，一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，包括：
实时获取两个时间传递站每个历元的GNSS双频伪距观测值、载波相位观测值，以及对应的GNSS精密卫星轨道和钟差产品数据；
对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，并根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型；
当未发生周跳时，根据上一个历元与当前历元的双频伪距观测值以及载波相位观测值建立历元间的差分解算模型；
基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算，获取当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差；
根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量。
进一步的，对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理的方法为：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行数据分类、野值剔除以及潮汐和天线相位中心误差的修正。
进一步的，对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，还包括：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行周跳探测，并构建双频无电离层伪距和载波相位组合量，表示为：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_3
表示伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_6
表示载波相位的无电离层组合观 测量，
Figure SMS_8
和
Figure SMS_4
表示两个双频伪距观测量，
Figure SMS_5
和
Figure SMS_7
为两个双频载波相位观测量，
Figure SMS_9
和
Figure SMS_2
分 别为两个频率的频点。
进一步的，建立历元间的差分解算模型为：
Figure SMS_10
；
其中，
Figure SMS_13
为历元间一次差分运算符，k表示第k个历元，
Figure SMS_15
表示第k个历元的下 一个历元，i为卫星标识，r为接收机标识，
Figure SMS_18
表示卫星i与接收机r之间的距离，
Figure SMS_12
表示接 收机钟差，
Figure SMS_16
表示卫星钟差，
Figure SMS_19
表示伪距噪声，
Figure SMS_20
表示载波相位噪声，c为光速，
Figure SMS_11
表示 伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_14
表示载波相位的无电离层组合观测量，
Figure SMS_17
表示电离层延 迟。
进一步的，基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算的方法为：
基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行融合，构建历元间差分信息的接收机钟差解算模型；
所述接收机钟差解算模型包括函数模型和随机模型，函数模型为：
Figure SMS_21
；
其中，
Figure SMS_23
表示伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_27
表示载波相位的无电离层组合观测 量，
Figure SMS_30
表示卫星i与接收机r之间的距离，
Figure SMS_24
表示接收机钟差，
Figure SMS_28
表示卫星钟差，
Figure SMS_31
表示伪 距噪声，
Figure SMS_33
表示载波相位噪声，c为光速，
Figure SMS_22
为对流层延迟，
Figure SMS_26
为载波相位模糊度，
Figure SMS_29
为 历元间一次差分运算符，
Figure SMS_32
为第k个历元与第
Figure SMS_25
个历元之间的钟差差分量。
随机模型为：
Figure SMS_34
；
其中，
Figure SMS_35
为时间传递模型的权重分配，/>
Figure SMS_36
为时间传递模型中对应的中误差，/>
Figure SMS_37
为历元间的差分解算模型的权重分配，/>
Figure SMS_38
为历元间的差分解算模型中对应的中误差。
进一步的，进行钟差解算时还包括：
对接收机钟差解算模型中的参数进行修正，包括：
对流层延迟按照模型改正并结合随机游走的随机过程进行模拟和估计；
载波相位模糊度在连续无周跳情况下作为常数估计；
接收机钟差作为高斯白噪声逐历元估计。
进一步的，根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量的方法为：
获取两个时间传递站当前历元的接收机钟差量之间的差值，并根据该差值与时间传递链路中固有延迟之和，得到对应两个时间传递站之间的时间传递量。
进一步的，根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型，该模型具体为：
Figure SMS_39
；
其中，
Figure SMS_41
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure SMS_43
表示载波相位的无电离层组合观测量，i为卫星标识，r为接收机标识，c为光速，/>
Figure SMS_45
表示接收机钟差，/>
Figure SMS_42
表示卫星钟差，/>
Figure SMS_44
表示伪距噪声，/>
Figure SMS_46
表示载波相位噪声，/>
Figure SMS_47
为对流层延迟，/>
Figure SMS_40
为载波相位模糊度。
本发明的有益效果是：本发明建立基于历元间差分的钟差解算模型，能够有效获取历元间的差分信息，同时通过对基于历元间的差分信息模型化，并与载波相位时间传递模型进行融合，将GNSS观测量在时间域内的相关信息融入到GNSS载波相位时间传递模型中，能够考虑到观测量在时间域内的相关性，利用这些相关性提升了接收机钟速参数的估计精度，为进一步提升GNSS载波相位时间传递性能奠定了基础，同时为提升时间传递的可靠性提供了理论支撑。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法流程示意图；
图2为本发明实施例中一种构建接收机钟差解算模型的流程示意图。
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。
首先利用GNSS观测数据，构建历元间差分模型，获得接收机钟差参数在历元间的变化率，然后结合传统GNSS载波相位时间传递模型，构建基于历元间差分增强的时间传递模型，增强接收机钟差参数的解算强度，进一步达到提升GNSS时间传递性能的目的。如图1所示，给出了本发明实施例的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法流程示意图，包括：
101.实时获取两个时间传递站每个历元的GNSS双频伪距观测值、载波相位观测值，以及对应的GNSS精密卫星轨道和钟差产品数据；
102.对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，并根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型；
本发明对两个时间传递站的GNSS观测数据分别处理，包括测量完整性检查、异常值探测与剔除及周跳探测与标记，得到干净的观测数据。紧接着，通过对电离层误差、对流层、卫星及接收机相关的偏差，以及地球潮汐、海潮等误差的改正，完成模型观测方程生成前的各种准备。
具体的，对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理的方法为：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行数据分类、野值剔除以及潮汐和天线相位中心误差的修正。
对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，还包括：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行周跳探测，并构建双频无电离层伪距和载波相位组合量，表示为：
Figure SMS_48
；
其中，
Figure SMS_50
表示伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_53
表示载波相位的无电离层组合观测 量，
Figure SMS_55
和
Figure SMS_51
表示两个双频伪距观测量，
Figure SMS_52
和
Figure SMS_54
为两个双频载波相位观测量，
Figure SMS_56
和
Figure SMS_49
分别为两个频率的频点。
根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型，该模型具体为：
Figure SMS_57
；
其中，
Figure SMS_59
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure SMS_61
表示载波相位的无电离层组合观测量，i为卫星标识，r为接收机标识，c为光速，/>
Figure SMS_63
表示接收机钟差，/>
Figure SMS_60
表示卫星钟差，/>
Figure SMS_62
表示伪距噪声，/>
Figure SMS_64
表示载波相位噪声，/>
Figure SMS_65
为对流层延迟，/>
Figure SMS_58
为载波相位模糊度。
103.当未发生周跳时，根据上一个历元与当前历元的双频伪距观测值以及载波相位观测值建立历元间的差分解算模型；
建立历元间的差分解算模型为：
Figure SMS_66
；
其中，
Figure SMS_69
为历元间一次差分运算符，k表示第k个历元，
Figure SMS_72
表示第k个历元的下 一个历元，i为卫星标识，r为接收机标识，
Figure SMS_75
表示卫星i与接收机r之间的距离，
Figure SMS_68
表示接收 机钟差，
Figure SMS_71
表示卫星钟差，
Figure SMS_74
表示伪距噪声，
Figure SMS_76
表示载波相位噪声，c为光速，
Figure SMS_67
表示 伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_70
表示载波相位的无电离层组合观测量，
Figure SMS_73
表示电离层延 迟。
在一个具体实施例中，若当前历元发生周跳，则在发生周跳的情况下通过标记周跳历元，并重新选取一个计算弧段，在该弧段的第二个历元处进行基于历元间差分的钟差解算模型的构建，从而进行历元间信息的提取和模型化。
104.基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算，获取当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差；
基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算的方法为：
基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行融合，构建历元间差分信息的接收机钟差解算模型，构建该接收机钟差解算模型的流程示意图如图2所示。
所述接收机钟差解算模型包括函数模型和随机模型，函数模型为：
Figure SMS_77
；
其中，
Figure SMS_79
表示伪距的无电离层组合观测量，
Figure SMS_84
表示载波相位的无电离层组合观测 量，
Figure SMS_87
表示卫星i与接收机r之间的距离，
Figure SMS_78
表示接收机钟差，
Figure SMS_82
表示卫星钟差，
Figure SMS_85
表示伪 距噪声，
Figure SMS_88
表示载波相位噪声，c为光速，
Figure SMS_80
为对流层延迟，
Figure SMS_83
为载波相位模糊度，
Figure SMS_86
为历 元间一次差分运算符，
Figure SMS_89
为第k个历元与第
Figure SMS_81
个历元之间的钟差差分量。
随机模型为：
Figure SMS_90
；
其中，
Figure SMS_91
为时间传递模型的权重分配，/>
Figure SMS_92
为时间传递模型中对应的中误差，/>
Figure SMS_93
为历元间的差分解算模型的权重分配，/>
Figure SMS_94
为历元间的差分解算模型中对应的中误差，在一个具体实施例中，通常按照2:1的经验值直接给出。
进行钟差解算时还包括对接收机钟差解算模型中的参数进行修正，包括：对流层延迟按照模型改正并结合随机游走的随机过程进行模拟和估计；载波相位模糊度在连续无周跳情况下作为常数估计；接收机钟差作为高斯白噪声逐历元估计。
105.根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量。
根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量的方法为：
获取两个时间传递站当前历元的接收机钟差量之间的差值，并根据该差值与时间传递链路中固有延迟之和，得到对应两个时间传递站之间的时间传递量，具体表达式为：
Figure SMS_95
；
其中，
Figure SMS_96
为时间传递量，A和B为时间传递站的标识，/>
Figure SMS_97
为时间传递链路的固有延迟。
本发明建立基于历元间差分的钟差解算模型，能够有效获取历元间的差分信息，同时通过对基于历元间的差分信息模型化，并与载波相位时间传递模型进行融合，将GNSS观测量在时间域内的相关信息融入到GNSS载波相位时间传递模型中，能够考虑到观测量在时间域内的相关性，利用这些相关性提升了接收机钟速参数的估计精度，为进一步提升GNSS载波相位时间传递性能奠定了基础，同时为提升时间传递的可靠性提供了理论支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，包括：
实时获取两个时间传递站每个历元的GNSS双频伪距观测值、载波相位观测值，以及对应的GNSS精密卫星轨道和钟差产品数据；
对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，并根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型；
当未发生周跳时，根据上一个历元与当前历元的双频伪距观测值以及载波相位观测值建立历元间的差分解算模型；所述接收机钟差解算模型包括函数模型和随机模型，函数模型为：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_4
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure QLYQS_6
表示载波相位的无电离层组合观测量，
Figure QLYQS_10
表示卫星i与接收机r之间的距离，/>
Figure QLYQS_3
表示接收机钟差，/>
Figure QLYQS_8
表示卫星钟差，/>
Figure QLYQS_12
表示伪距噪声，/>
Figure QLYQS_14
表示载波相位噪声，/>
Figure QLYQS_5
为光速，/>
Figure QLYQS_7
为对流层延迟，/>
Figure QLYQS_11
为载波相位模糊度，/>
Figure QLYQS_13
为历元间一次差分运算符，/>
Figure QLYQS_2
为第k个历元与第/>
Figure QLYQS_9
个历元之间的钟差差分量；
随机模型为：
Figure QLYQS_15
其中，
Figure QLYQS_16
为时间传递模型的权重分配，/>
Figure QLYQS_17
为时间传递模型中对应的中误差，/>
Figure QLYQS_18
为历元间的差分解算模型的权重分配，/>
Figure QLYQS_19
为历元间的差分解算模型中对应的中误差；
基于载波相位时间传递模型以及历元间的差分解算模型进行钟差解算，获取当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差；
根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量。
2.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理的方法为：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行数据分类、野值剔除以及潮汐和天线相位中心误差的修正。
3.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，对所述双频伪距观测值以及载波相位观测值进行预处理，还包括：
对获取到的GNSS双频伪距观测值以及载波相位观测值进行周跳探测，并构建双频无电离层伪距和载波相位组合量，表示为：
Figure QLYQS_20
其中，
Figure QLYQS_23
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure QLYQS_25
表示载波相位的无电离层组合观测量，
Figure QLYQS_27
和/>
Figure QLYQS_22
表示两个双频伪距观测量，/>
Figure QLYQS_24
和/>
Figure QLYQS_26
为两个双频载波相位观测量，/>
Figure QLYQS_28
和/>
Figure QLYQS_21
分别为两个频率的频点。
4.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，建立历元间的差分解算模型为：
Figure QLYQS_29
其中，
Figure QLYQS_31
为历元间一次差分运算符，k表示第k个历元，/>
Figure QLYQS_34
表示第k个历元的下一个历元，i为卫星标识，r为接收机标识，/>
Figure QLYQS_37
表示卫星i与接收机r之间的距离，/>
Figure QLYQS_32
表示接收机钟差，/>
Figure QLYQS_35
表示卫星钟差，/>
Figure QLYQS_38
表示伪距噪声，/>
Figure QLYQS_40
表示载波相位噪声，/>
Figure QLYQS_30
为光速，/>
Figure QLYQS_33
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure QLYQS_36
表示载波相位的无电离层组合观测量，/>
Figure QLYQS_39
表示电离层延迟。
5.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，进行钟差解算时还包括：
对接收机钟差解算模型中的参数进行修正，包括：
对流层延迟按照模型改正并结合随机游走的随机过程进行模拟和估计；
载波相位模糊度在连续无周跳情况下作为常数估计；
接收机钟差作为高斯白噪声逐历元估计。
6.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于：根据当前历元两个时间传递站的GNSS接收机钟差获取时间传递量的方法为：
获取两个时间传递站当前历元的接收机钟差量之间的差值，并根据该差值与时间传递链路中固有延迟之和，得到对应两个时间传递站之间的时间传递量。
7.根据权利要求1所述的一种顾及历元间差分信息的GNSS载波相位时间传递方法，其特征在于，根据预处理后的双频伪距观测值以及载波相位观测值构建载波相位时间传递模型，该模型具体为：
Figure QLYQS_41
其中，
Figure QLYQS_43
表示伪距的无电离层组合观测量，/>
Figure QLYQS_45
表示载波相位的无电离层组合观测量，i为卫星标识，r为接收机标识，c为光速，/>
Figure QLYQS_47
表示接收机钟差，/>
Figure QLYQS_44
表示卫星钟差，/>
Figure QLYQS_46
表示伪距噪声，/>
Figure QLYQS_48
表示载波相位噪声，/>
Figure QLYQS_49
为对流层延迟，/>
Figure QLYQS_42
为载波相位模糊度。
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