CN116338752B - 一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星导航高精度时频传递技术领域，提出了一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，首先基于时间主站和用户站的卫星观测数据，建立双差数学模型进行解算，获得双差模糊度的浮点解和对应的方差阵，并进行双差模糊度固定，其次基于双差模糊度固定解获得的基线解，选定参考卫星，通过伪距单差解算接收机钟差，并估计该颗卫星站间单差模糊度的基准值，进而反算出所有卫星的站间单差模糊度，再后将反算出的单差模糊度代入到站间单差载波相位观测方程，求解载波相位钟差参数，得到伪距和载波相位钟差的时延偏差，并对其时延进行补偿，最后通过宽巷模糊度检测和聚类法确定时间传递基准，实现基于载波相位单差的精准时间传递。

Description

一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法
技术领域
本发明属于卫星导航高精度时频传递技术领域，具体涉及一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法。
背景技术
基于卫星导航系统的时间传递方法因连续性好、成本低、全天候等特点成为高精度时间传递的重要手段之一，共视法(CV)作为一种经典的站间单差时间传递方法，是一种基于伪距观测的时间传递手段，而基于载波相位观测的卫星时间传递方法主要有基于非差的精密单点定位法(PPP)和载波相位单差法(SD)，由于载波相位观测精度比伪距观测提高两个量级，因此基于载波相位观测值的时间传递技术成为当前的主流技术。
相对于PPP时间传递，利用载波相位单差法存在三个优势，一是采用差分模式，观测值中很多误差可以进行高效处理，无需复杂的误差模型修正；二是在短距离基线场景下，载波相位单差法不需要实时精密星历，更加方便实时应用；三是载波相位单差法相比PPP方法，可实现快速时频传递，在动态场景下更灵活。
但实现上述时频传递性能的前提是实现单差模糊度固定，不同于双差模糊度，单差模糊度受接收机端信号时延偏差的影响，难以精确固定，在时频终端启动时或者信号中断恢复时，单差模糊度一旦固定出错，至少导致超过0.5纳秒的偏差，极大的限制了载波相位单差方法在高精度时频传递的应用，如何充分利用卫星导航多频点观测信息，实现精确的单差模糊度固定，对高精度时频传递、推广北斗高精度时频创新应用具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，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：
一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，包括如下步骤：
数据输入时，卫星观测模型采用伪距与载波相位观测方程，如公式(1)(2)所示：
其中，i代表接收机，s代表卫星，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代表载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，
δti代表接收机钟差，δts代表卫星钟差，代表对流层延迟，/>代表电离层延迟，代表整周模糊度，di代表接收机内部时间延迟，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声；
当A和B两接收机采用同一频率伪距和载波相位观测同一颗卫星时，将A接收机和B接收机的伪距和载波相位观测方程做差，得到伪距和载波相位单差观测方程，如公式(3)和公式(4)所示：
利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递，当A、B在短基线时，确定接收机内部硬件时延，得到接收机两接收机伪距相对钟差δtA-tB，单差载波相位观测方程公式(4)中固定单差模糊度在进行载波相位单差时频传递时，利用已求得的伪距钟差代入公式(4)并在一段历元内做平均，求得参考星的单差模糊度，再通过已知的双差模糊度，恢复出其他卫星的单差模糊度，如下公式所示：
其中为参考星单差模糊度，/>为其他卫星单差模糊度，/>为其他卫星相对于参考卫星的双差模糊度，将得到的单差模糊度带回到公式(4)得到接收机A、B之间的载波相位相对钟差；
将公式(3)计算得到的钟差ΔtP和公式(4)计算得到的钟差ΔtL做差，得到伪距和载波相位钟差的时延偏差Δte，将Δte对一段固定历元长度内求平均得到根据所得的转成模糊度带入方程(4)补偿其时延；
补偿该时延，进而准确实现高精度时间传递。
进一步的，当A、B两接收机观测两颗不同的卫星s、t时，得到两个单差观测方程，将两个单差观测方程再做差得到双差伪距和载波相位观测方程，如公式(5)和公式(6)所示：
进一步的，利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递之前，将两个频点的伪距观测方程公式(1)和载波相位观测方程公式(2)按如下公式进行组合：
PIF＝P1+P2(7)
LIF＝L1+L2(8)
其中组合后得到载波相位的无电离层组合观测方程：
其中为无电离层组合载波相位观测方程的实数模糊度，其表达式为：
其中，N1-N2称为宽巷模糊度，记为Nw。
进一步的，对于宽巷模糊度Nw，采用Melbourne-Wubeena组合的方法求解：
进一步的，利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递时，当A、B在中长基线时，采用精密星历的方法，并结合双频无电离层组合的方式，消除电离层延迟误差。
进一步的，利用载波相位观测方程进行解算时，将双差模糊度Nij变换为任意两卫星si和sj之间的双差模糊度矩阵：
双差模糊度Nij代表其他卫星si相对于参考星sj的双差模糊度，对于该矩阵，对于每一列相对于卫星sj的双差模糊度做出如下判决：
当该列半数以上卫星的双差模糊度发生跳变，且跳变周数相同时，程序判定是sj卫星的发生了周跳，此时将sj卫星的单差模糊度补偿相应的周跳数；
当该列一半以下卫星双差模糊度发生跳变或一半以上的卫星发生跳变且跳变周数不相同时，则判定其他卫星发生跳变，从而剔除相应的卫星；
重复上述步骤，对矩阵每一列进行遍历。
进一步的，对于时延补偿前后，通过公式(4)计算参与解算的各颗卫星的δtAB＝tA-tB，并通过聚类方法确定参考站与用户站间时间传递的时延。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明具有良好的可用性：考虑了由伪距观测值确定单差模糊度精度低、可靠性差对高精度时间传递的影响，提出了用于载波相位单差时间传递的精准单差模糊度固定方法，消除了单差模糊度固定的误差对时间传递乃至授时的影响；
(2)实时性：本方法可以在接收机进行实时站间钟差的准确估计，并且能实时反映出终端相比时间参考的时差结果；
(3)可扩展性强：本方法可以满足静态、动态场景下的高精度时频传递；在引入实时精密卫星轨道时亦可用于长基线时频传递.
附图说明
图1为本发明载波相位单差时间传递的流程图；
图2为本发明用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法流程图。
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。
本发明提供一种用于载波相位单差的精确模糊度固定方法。首先，基于时间主站和用户站的卫星观测数据，建立双差数学模型进行解算，获得双差模糊度的浮点解和对应的方差阵，并进行双差模糊度固定；其次，基于双差模糊度固定解获得的基线解，选定参考卫星，通过伪距单差解算接收机钟差，并估计该颗卫星站间单差模糊度的基准值，进而反算出所有卫星的站间单差模糊度；再后，将反算出的单差模糊度代入到站间单差载波相位观测方程，求解载波相位钟差参数，得到伪距和载波相位钟差的时延偏差，并对其时延进行补偿，最后，通过宽巷模糊度检测和聚类法确定时间传递基准，实现基于载波相位单差的精准时间传递。具体的技术方案如下：
S1.在实际的卫星观测模型中需要采用伪距与载波相位观测方程，如公式(1)(2)所示：
其中，i代表接收机，s代表卫星，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代表载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，
δti代表接收机钟差，δts代表卫星钟差，代表对流层延迟，/>代表电离层延迟，代表整周模糊度，di代表接收机内部时间延迟，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声。
S2.当A和B两接收机采用同一频率伪距和载波相位观测同一颗卫星时，可将A接收机和B接收机的伪距和载波相位观测方程做差，从而得到伪距和载波相位单差观测方程，如公式(3)和公式(4)所示：
由于两接收机接收同一颗卫星的信号，方程中完全可以去除卫星端共有误差即卫星钟差δts的影响。同时，当A、B两接收机距离足够近时，它们的对流层延迟和电离层延迟基本一致，因此在零基线和短基线的条件下，单差观测方程可以消除对流层延迟和电离层延迟的影响，即公式(3)和公式(4)中和/>均为0。
S3.伪距和载波相位单差观测方程是接收机A、B观测同一颗卫星所得，当A、B观测两颗不同的卫星s、t时，可得到两个单差观测方程，将两个单差观测方程再做差便可得到双差伪距和载波相位观测方程，如公式(5)和公式(6)所示：
与单差观测方程相同，当A、B两接收机距离足够近时，方程可以消除对流层延迟和电离层延迟的影响，即和/>均为0；同时从公式中可以看出，双差观测方程完全可以除去了接收机钟差和接收机内部时延的影响。
S4.在进行时频传递时，电离层延迟造成的误差是影响卫星导航观测值准确性的主要误差之一，除采用单频非组合的组合形式之外，还会采用双频无电离层组合的组合形式，以消除电离层误差的影响。由于导航信号在电离层中传播与信号频率有关，因此可以将两个频点的伪距观测方程见公式(1)和载波相位观测方程见公式(2)按如下公式进行组合：
PIF＝mP1+nP2 (7)
LIF＝mL1+nL2 (8)
其中组合后得到载波相位的无电离层组合观测方程：
其中为无电离层组合载波相位观测方程的实数模糊度，其表达式为：
其中，N1-N2称为宽巷模糊度，记为Nw。对于宽巷模糊度Nw可以采用Melbourne-Wubeena组合的方法求解：
根据Melbourne-Wubbena组合观测值的性质和特点，该组合观测值的计算结果中只包含宽巷初始整周模糊度参数。因此，采用M-W组合可以很好地完成宽巷周跳的探测和修复，剔除粗差以及宽巷初始整周模糊度的确定等工作。
S5.利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递，当A、B在短基线时可以基本消除对流层延迟与电离层延迟，只要确定接收机内部硬件时延，便可以得到接收机两接收机伪距相对钟差δtA-δtB。单差载波相位观测方程公式(4)中需要固定单差模糊度在进行载波相位单差时频传递时，利用已求得的伪距钟差代入公式(4)并在一段历元内做平均，求得参考星的单差模糊度，再通过已知的双差模糊度，恢复出其他卫星的单差模糊度，具体公式如下所示：
其中为参考星单差模糊度，/>为其他卫星单差模糊度，/>为其他卫星相对于参考卫星的双差模糊度。将得到的单差模糊度带回到单差载波相位观测方程中见公式(4)即可得到接收机A、B之间的载波相位相对钟差。
S6.当接收机A、B在中长基线(大于100km)时，无法消除对流层延迟误差与电离层延迟误差，且接收机A、B观测到的卫星也不尽相同，此时会引入星钟和星历误差，可以采用引入精密星历的方法，并结合双频无电离层组合的方式，消除电离层延迟误差。对于对流层延迟可实时估计。
S7.利用载波相位观测方程进行解算时，单差模糊度会存在出现周跳，因此我们需要先将双差模糊度Nij变换为任意两卫星si和sj之间的双差模糊度矩阵：
这里，双差模糊度Nij代表其他卫星si相对于参考星sj的双差模糊度。对于上述矩阵，对于每一列相对于卫星sj的双差模糊度做出如下判决：当该列半数以上卫星的双差模糊度发生跳变，且跳变周数相同时，程序判定是sj卫星的发生了周跳，此时将sj卫星的单差模糊度补偿相应的周跳数即可。当该列一半以下卫星双差模糊度发生跳变或一半以上的卫星发生跳变且跳变周数不相同时，则判定其他卫星发生跳变，从而剔除相应的卫星。重复上述步骤，对矩阵每一列进行遍历。
S8.基于公式(3)、(4)求平均进行估计参考星单差模糊度这里在估计/>时可能引入1～2周的整周误差，因此参考卫星的单差模糊度整周误差会传递到其他所有卫星。为解决单差模糊度/>的整周偏差，采用如下方法对该偏差进行修正。
S9.将公式(3)计算得到的钟差ΔtP和公式(4)计算得到的钟差ΔtL做差，得到伪距和载波相位钟差的时延偏差Δte，将Δte对一段固定历元长度内求平均得到根据所得的/>转成模糊度带入方程(4)补偿其时延。
S10.由于宽巷模糊度Nw容易固定，根据宽巷模糊度Nw＝N1-N2，如果时延补偿前的N1-N2更接近Nw，则保持补偿前各卫星单差模糊度；如果偏差补偿后N1-N2更接近Nw，则保持补偿后各卫星的单差模糊度。
S11.对于时延补偿前后，可以根据方程(4)计算参与解算的各颗卫星的δtAB＝δtA-δtB，并通过聚类方法最终确定参考站与用户站间时间传递的时延。
S12.补偿该时延，进而准确实现高精度时间传递。
以上所述，仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明。综上所述，采用本发明的内容，可有效检测智能时频终端GNSS干扰，在不对智能终端进行硬件结构修改的情况下，保证时频终端时频传递乃至时间同步的可靠性与安全性，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 (7)

1.一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，包括如下步骤：
数据输入时，卫星观测模型采用伪距与载波相位观测方程，如公式(1)(2)所示：
其中，i代表接收机，s代表卫星，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代表载波波长，/>代表卫星到接收机的几何距离，c代表光速，δti代表接收机钟差，δts代表卫星钟差，Ti s代表对流层延迟，代表电离层延迟，Ni s代表整周模糊度，di代表接收机内部时间延迟，/>代表伪距观测噪声，/>代表载波相位观测噪声；
当A和B两接收机采用同一频率伪距和载波相位观测同一颗卫星时，将A接收机和B接收机的伪距和载波相位观测方程做差，得到伪距和载波相位单差观测方程，如公式(3)和公式(4)所示：
利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递，当A、B在短基线时，确定接收机内部硬件时延，得到接收机两接收机伪距相对钟差δtA-δtB，单差载波相位观测方程公式(4)中固定单差模糊度在进行载波相位单差时频传递时，利用已求得的伪距钟差代入公式(4)并在一段历元内做平均，求得参考星的单差模糊度，再通过已知的双差模糊度，恢复出其他卫星的单差模糊度，如下公式所示：
其中为参考星单差模糊度，/>为其他卫星单差模糊度，/>为其他卫星相对于参考卫星的双差模糊度，将得到的单差模糊度带回到公式(4)得到接收机A、B之间的载波相位相对钟差；
将公式(3)计算得到的钟差ΔtP和公式(4)计算得到的钟差ΔtL做差，得到伪距和载波相位钟差的时延偏差Δte，将Δte对一段固定历元长度内求平均得到根据所得的/>带入方程(4)补偿其时延；
补偿该时延，进而准确实现高精度时间传递。
2.根据权利要求1所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，当A、B两接收机观测两颗不同的卫星s、t时，得到两个单差观测方程，将两个单差观测方程再做差得到双差伪距和载波相位观测方程，如公式(5)和公式(6)所示：
3.根据权利要求1所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递之前，将两个频点的伪距观测方程公式(1)和载波相位观测方程公式(2)按如下公式进行组合：
PIF＝mP1+nP2 (7)
LIF＝mL1+nL2 (8)
其中组合后得到载波相位的无电离层组合观测方程：
其中为无电离层组合载波相位观测方程的实数模糊度，其表达式为：
其中，N1-N2称为宽巷模糊度，记为Nw。
4.根据权利要求3所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，对于宽巷模糊度Nw，采用Melbourne-Wubeena组合的方法求解：
5.根据权利要求1所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，利用伪距单差观测方程(3)进行时间传递时，当A、B在中长基线时，采用精密星历的方法，并结合双频无电离层组合的方式，消除电离层延迟误差。
6.根据权利要求1所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，利用载波相位观测方程进行解算时，将双差模糊度Nij变换为任意两卫星si和sj之间的双差模糊度矩阵：
双差模糊度Nij代表其他卫星si相对于参考星sj的双差模糊度，对于该矩阵，对于每一列相对于卫星sj的双差模糊度做出如下判决：
当该列半数以上卫星的双差模糊度发生跳变，且跳变周数相同时，程序判定是sj卫星的发生了周跳，此时将sj卫星的单差模糊度补偿相应的周跳数；
当该列一半以下卫星双差模糊度发生跳变或一半以上的卫星发生跳变且跳变周数不相同时，则判定其他卫星发生跳变，从而剔除相应的卫星；
重复上述步骤，对矩阵每一列进行遍历。
7.根据权利要求1所述的一种用于载波相位单差时间传递的精确模糊度固定方法，其特征在于，对于时延补偿前后，通过公式(4)计算参与解算的各颗卫星的δtAB＝δtA-δtB，并通过聚类方法确定参考站与用户站间时间传递的时延。
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