CN116338754B - 一种固定模糊度的非差非组合gnss时间频率传递方法 - Google Patents

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Abstract

一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，所述固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法包括以下步骤；步骤一、接收机获取相关数据信息，构建卫星钟固定模型；步骤二、将卫星钟固定模型通过S变换进行参数重整，得到满秩卫星钟固定模型；步骤三、对满秩卫星钟固定模型进行模糊度固定，得到精确的接收机钟差。本设计更快的对多频多系统相位模糊度进行固定，模糊度固定后，相位观测可以转换成高精度距离观测值，使解算结果精度更高。

Description

一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法
技术领域
本发明涉及一种时间频率传递技术的改进，属于时间频率传递领域，尤其涉及一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法。
背景技术
精密的时间频率传递在相对论大地测量学、高分辨率射电天文学以及精密测量物理等研究领域起着至关重要的作用，同时对于金融、空间科学、交通运输和国防等关键基础设施建设也是必不可少的。当前时间传递技术主要有光纤、激光和GNSS等，GNSS因其操作简单、成本低而广泛应用于时间频率传递；目前较常用的GNSS时间频率传递方法为精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP），该方法原理是将基线两端接收机分别做PPP处理得到其对应的本地精确时间，这两个时间作差即可知道两端时间的差异，进而实现时间频率传递，其优点是不需要基线两端共视同一组卫星，可在全球范围内实现时间频率传递，但是依赖精密卫星钟差和精密轨道等外部精密产品；传统PPP技术基于消电离层组合（IF），且通常采用双频观测值，但观测值的线性组合不仅会放大了观测噪声，同时在多频场景下存在不灵活的缺点；而且PPP模型中的相位模糊度与卫星相位偏差等其它参数组合在一起并以浮点数形式存在，这导致模糊度丧失了整数特性，使得高精度载波相位观测值的优势未能得到充分利用。即使新出现的非组合PPP解决了消电离层组合PPP放大观测噪声以及在多频场景下不灵活的缺陷，但其模糊度参数也仍为非整数。
申请号为CN202210844843.4，申请日为2022年7月18日的中国专利申请揭示了一种模糊度固定方法以及系统。采用伪距和载波观测值构建无电离层组合观测值并进行滤波得到无电离层组合模糊度；对非组合的伪距和载波观测值进行滤波得到非组合模糊度，并以无电离层组合模糊度作为虚拟模糊度观测值对非组合模糊度进行单差约束；对无电离层组合观测值滤波的浮点解进行单差模糊度固定并从固定的单差模糊度中获取单差电离层估计值；以单差电离层估计值作为虚拟电离层观测值对非组合观测值滤波的浮点解进行单差约束，然后对非组合观测值滤波的浮点解进行单差模糊度固定。本申请可以不需要额外辅助信息，也不需要采用多个观测值频点组合，实现精密单点定位的模糊度快速固定，但是对比文件依旧没有解决多频多系统相位模糊度固定的问题。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在多频多系统相位模糊度固定的问题，提供了对多频多系统相位模糊度进行固定的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，所述固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法包括以下步骤；
步骤一、接收机获取相关数据信息，构建卫星钟固定模型；
步骤二、将卫星钟固定模型通过S变换进行参数重整，得到满秩卫星钟固定模型；
步骤三、对满秩卫星钟固定模型进行模糊度固定，得到精确接收机钟差。
所述接收机获取相关数据信息包括接收机A和接收机B的GNSS码、相位观测值，精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据以及广播星历。
所述接收机A和接收机B具体为：假设现有一条基线AB，基线两端为接收机A和B，共同跟踪同一组卫星s=1，2，…，m，观测频率j=1，2，…，f，则卫星钟固定模型为：
。
所述卫星钟固定模型包括电离层固定模型、电离层加权模型与电离层浮点模型，电离层固定模型用于短基线0-10km的时间传递，电离层加权模型用于中基线10-100km的时间传递，电离层浮点模型用于大于100km的时间传递。
所述电离层固定模型中两个测站的电离层延迟相同，则两个测站只估计同一组电离层延迟；
所述电离层加权模型中两个测站的电离层延迟不同但是有相关性，即两个测站的单差电离层延迟接近0，可引入伪观测值对单差电离层延迟进行约束，提高模型强度；
所述电离层浮点模型认为两个测站的电离层延迟不同且没有相关性，需要独立估计两组电离层延迟；
所述电离层浮点模型如下：
；
基线两端测站的精确位置已知，同时卫星精密轨道由IGS提供，精确计算卫星到接收机的站星距，/>对流层延迟，IF卫星钟差/>由IGS提供；其中/>为天顶对流层湿延迟需要在模型中估计，/>为湿延迟投影函数；/>为倾斜干延迟。
所述电离层浮点模型中观测值如下：
。
所述电离层加权模型如下：
；
为伪观测值，设为0即可，其权重设为/>，其中/>和/>分别表示AB基线长度和卫星高度角；
其中，为站间单差的差分码偏差；
为站间单差电离层延迟。
所述电离层固定模型如下：
；
和/>都是接收机相对卫星参考时间的时间差，在矫正了/>后，最终得到 A和B的时间差异/>，接收机B的时间改正/>后即可与A时间保持时间频率同步。
所述为站间单差的消电离层组合接收机码偏差，其值在恒定环境条件下是不变的，获取方法如下：将接收机A和B时钟接入同一频率源，A和B组成零或短基线，那么有，解算后直接得到/>。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法中，通过S变换对模糊度参数重整，消除了模糊度其与它参数之间的线性相关，使得整数模糊度参数独立可估，可实现模糊度固定，实现更快的初始化，更快的对多频多系统相位模糊度进行固定，模糊度固定后，相位观测可以转换成高精度距离观测值，使解算结果精度更高。因此，本设计可以对多频多系统相位模糊度进行固定，解算结果精度更高。
2、本发明一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法中，通过电离层固定模型、电离层加权模型与电离层浮点模型，可实现短、中、长基线以及全球范围内的时间频率传递，时间频率传递性能更好，可实现更好的时间频率稳定性，同时没有放大观测噪声，且可灵活处理多频数据。因此，本设计时间频率传递性能更好，数据处理灵活。
附图说明
图1是本发明的ROAG-SFER时间差示意图。
图2是本发明中ROAG-SFER的改进Allan方差示意图。
图3是本发明中NIST-AMC4时间差示意图。
图4是本发明中NIST-AMC4的改进Allan方差示意图。
图5是本发明中PTBB-ROAG时间差示意图。
图6是本发明中PTBB-ROAG的改进Allan方差示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图6，一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，所述固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法包括以下步骤；
步骤一、接收机获取相关数据信息，构建卫星钟固定模型；
步骤二、将卫星钟固定模型通过S变换进行参数重整，得到满秩卫星钟固定模型；
步骤三、对满秩卫星钟固定模型进行模糊度固定，得到精确接收机钟差。
所述接收机获取相关数据信息包括接收机A和接收机B的GNSS码、相位观测值，精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据以及广播星历。
所述接收机A和接收机B具体为：假设现有一条基线AB，基线两端为接收机A和B，共同跟踪同一组卫星s=1，2，…，m，观测频率j=1，2，…，f ，则卫星钟固定模型为：
。
所述卫星钟固定模型包括电离层固定模型、电离层加权模型与电离层浮点模型，电离层固定模型用于短基线0-10km的时间传递，电离层加权模型用于中基线10-100km的时间传递，电离层浮点模型用于大于100km的时间传递。
所述电离层固定模型中两个测站的电离层延迟相同，则两个测站只估计同一组电离层延迟；
所述电离层加权模型中两个测站的电离层延迟不同但是有相关性，即两个测站的单差电离层延迟接近0，可引入伪观测值对单差电离层延迟进行约束，提高模型强度；
所述电离层浮点模型认为两个测站的电离层延迟不同且没有相关性，需要独立估计两组电离层延迟。
所述电离层浮点模型如下：
；
基线两端测站的精确位置已知，同时卫星精密轨道由IGS提供，精确计算卫星到接收机的站星距，/>对流层延迟，IF卫星钟差/>由IGS提供；其中/>为天顶对流层湿延迟需要在模型中估计，/>为湿延迟投影函数；/>为倾斜干延迟。
所述电离层浮点模型中观测值如下：
。
所述电离层加权模型如下：
；
为伪观测值，设为0即可，其权重设为/>，其中/>和/>分别表示AB基线长度和卫星高度角；
其中，为站间单差的差分码偏差；
为站间单差电离层延迟。
所述电离层固定模型如下：
。
和/>都是接收机相对卫星参考时间的时间差，在矫正了/>后，最终得到 A和B的时间差异/>，接收机B的时间改正/>后即可与A时间保持时间频率同步。
所述为站间单差的消电离层组合接收机码偏差，其值在恒定环境条件下是不变的，获取方法如下：将接收机A和B时钟接入同一频率源，A和B组成零或短基线，那么有，解算后直接得到/>。
实施例1：
一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，所述固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法包括以下步骤；
步骤一、接收机获取相关数据信息，构建卫星钟固定模型；
步骤二、将卫星钟固定模型通过S变换进行参数重整，得到满秩卫星钟固定模型；
步骤三、对满秩卫星钟固定模型进行模糊度固定，得到精确接收机钟差。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述接收机获取相关数据信息包括接收机A和接收机B的GNSS码、相位观测值，精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据以及广播星历。
所述接收机A和接收机B具体为：假设现有一条基线AB，基线两端为接收机A和B，共同跟踪同一组卫星s=1，2，…，m，观测频率j=1，2，…，f ，则卫星钟固定模型为：
；
卫星钟固定模型中所使用的符号定义如下表所示
所述卫星钟固定模型包括电离层固定模型、电离层加权模型与电离层浮点模型，电离层固定模型用于短基线0-10km的时间传递，电离层加权模型用于中基线10-100km的时间传递，电离层浮点模型用于大于100km的时间传递。
所述电离层固定模型中两个测站的电离层延迟相同，则两个测站只估计同一组电离层延迟；
所述电离层加权模型中两个测站的电离层延迟不同但是有相关性，即两个测站的单差电离层延迟接近0，可引入伪观测值对单差电离层延迟进行约束，提高模型强度；
所述电离层浮点模型认为两个测站的电离层延迟不同且没有相关性，需要独立估计两组电离层延迟。
实施例3：
实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：
一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，所述电离层浮点模型如下：
；
为了实现高精度的时间和频率传递，基线两端测站的精确位置已知，同时卫星精密轨道由IGS提供，精确计算卫星到接收机的站星距，/>对流层延迟，IF卫星钟差/>由IGS提供，其中/>为天顶对流层湿延迟需要在模型中估计，/>为湿延迟投影函数；/>为倾斜干延迟，可以通过经验模型来提前改正；
所述电离层浮点模型中观测值如下：
所有参数均独立可估，相位模糊度为双差整数形式，可实现模糊度固定，两个测站的电离层独立估计，没有考虑测站A和B电离层延迟的空间相关性。
实施例4：
实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：
一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，接收机A和接收机B的电离层延迟有较强的空间相关性，可将站间单差电离层延迟作为伪观测值，构建电离层延迟约束模型，提高模型强度，引入单差电离层伪观测值后，所述电离层加权模型如下：
；
为伪观测值，设为0即可，其权重设为/>，其中/>和/>分别表示AB基线长度和卫星高度角；
其中，为站间单差的差分码偏差；
为站间单差电离层延迟。
实施例5：
实施例5与实施例1基本相同，其不同之处在于：
一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，当时间传递的距离（基线长度）不足十公里，可认为站间单差电离层延迟为零，所述电离层固定模型如下：
；
和/>都是接收机相对卫星参考时间的时间差，在矫正了/>后，最终得到 A和B的时间差异/>，接收机B的时间改正/>后即可与A时间保持时间频率同步。
所述为站间单差的消电离层组合接收机码偏差，其值在恒定环境条件下是不变的，获取方法如下：将接收机A和B时钟接入同一频率源，A和B组成零或短基线，那么有，解算后直接得到/>；
得到基线两端的接收机钟差后即可实现时间传递（剩下步骤与前面相同）。但需要注意的是，不管是采用电离层固定模型、电离层加权模型或电离层浮点模型，基线两端需要有共视卫星才能实现模糊度固定，当基线长度到达数千公里或更长时，基线两端已没有足够或没有共视卫星，此时需要在接收机A和B附近分别架设辅助站C和D，A和C、B和D可分别组成零、短或中基线，这时采用电离层加权模型或电离层浮点模型分别解算基线AC和基线BD即可解算出A和B的钟差，进而实现时间频率传递（剩下步骤也与之前相同），但需要注意的是，辅助站C和D只是为了辅助模糊度固定，所以不需要接入原子钟，且这种方法不再受制于基线长度，可实现超长基线或全球范围内的时间频率传递。
实施例6：
实施例6与实施例1基本相同，其不同之处在于：
一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，采用一些实验室公开的短、中、长基线接收机观测数据，这些接收机均接入了原子钟，具体信息如下表所示：
上表中为SCF时间传递实验中涉及的GNSS和原子钟等信息；
短基线：测站ROAG和SFER组成短基线ROAG-SFER，长度124m，采用SCF Ion-Fixed模型和两个站分别采用传统PPP技术进行处理，得到这两个测站的钟差，并计算这两个测站的时间差，结果见图1，对两种方案得到的时间差进行Allan方差估计，结果见图2；图1和2分别给出了ROAG-SFER的时间差以及相应的改进Allan方差；本实验以及后续实验中引入了时间差的历元差作为评估指标，该指标通常用来表征原子钟单位时间内的变化，进而反映时间传递的性能；SCF Ion-Fixe模型相比于传统PPP模型在历元差的标准差上有31.7%的提升（分别为5.65 ps和8.27 ps）；此外，SCF模型在频率稳定度方面比传统PPP模型也有明显的提升；以3840 s的频率稳定度为例，两个模型的频率稳定度分别为和/>（图2）；此外，SCF模型和传统PPP模型的天稳分别为/>和/>（图2）；上述结果表明了SCF模型相比于传统PPP模型的优势；
中长基线实验中：NIST和AMC4组成中基线NIST-AMC4（146.8 km）, 分布采用SCFIon-Weighted模型和两个站分别采用传统PPP技术进行处理，得到这两个测站的钟差，并计算这两个测站的时间差，结果见图3。对两种方案得到的时间差进行Allan方差估计，结果见图4；图3为两种方案估计的NIST-AMC4时间差；SCF Ion-Weighted模型和传统PPP历元差的标准差分别为5.61 ps和6.71 ps，有16.4%的提升；图4给出了NIST-AMC4时间差的改进Allan方差，结论为： SCF Ion-Weighted在几十至几千秒的频率稳定度上相比于传统PPP有15%至30%的提升；SCF电离层加权模型比传统PPP在天稳定性上有7.9%的提升；这说明SCF模型在短期稳定度和长期稳定度均比PPP方法有明显的改善；
长基线实验中：PTBB和ROAG组成长基线PTBB-ROAG（2182.3 km）, 此时时间链路两端没有足够的共视卫星，无法实现模糊度固定，这时在PTBB和ROAG站附近分别架设辅助站C和D，并采用SCF Ion-Fixed模型解算短基线PTBB-C和ROAG-D，得到PTBB和ROAG的接收机钟差，在做差即可得到时间差，与传统PPP处理方式进行比较，时间差估计结果及Allan方差分析结果见图5-6；图5和图6结果表明，对于几十秒到几千秒的频率稳定度，SCF模型比传统PPP模型有明显的提升。然而，对于4000秒至30000秒的频率稳定度，SCF模型与传统PPP模型的结果相当。此外，SCF模型的天稳定性同样比传统PPP模型的结果好。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于:所述固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法包括以下步骤：
步骤一、接收机获取相关数据信息，构建卫星钟固定模型；
步骤二、将卫星钟固定模型通过S变换进行参数重整，得到满秩卫星钟固定模型；
步骤三、对满秩卫星钟固定模型进行模糊度固定，得到精确接收机钟差；
所述接收机获取相关数据信息包括接收机A和接收机B的GNSS码、相位观测值，精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据以及广播星历；
所述接收机A和接收机B具体为：假设现有一条基线AB，基线两端为接收机A和B，共同跟踪同一组卫星s＝1，2，…，m，观测频率j＝1，2，…，f，则卫星钟固定模型为：
所述卫星钟固定模型包括电离层固定模型、电离层加权模型与电离层浮点模型，电离层固定模型用于短基线0-10km的时间传递，电离层加权模型用于中基线10-100km的时间传递，电离层浮点模型用于大于100km的时间传递；
当基线长度大于1000公里时，在接收机A和B附近分别架设辅助站C和D，A和C、B和D可分别组成零、短或中基线，此时采用电离层加权模型或电离层浮点模型分别解算基线AC和基线BD即可解算出A和B的钟差，进而实现时间频率传递。
2.根据权利要求1所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述电离层固定模型中两个测站的电离层延迟相同，则两个测站只估计同一组电离层延迟；
所述电离层加权模型中两个测站的电离层延迟不同但是有相关性，即两个测站的单差电离层延迟接近0，可引入伪观测值对单差电离层延迟进行约束，提高模型强度；
所述电离层浮点模型认为两个测站的电离层延迟不同且没有相关性，需要独立估计两组电离层延迟。
3.根据权利要求1所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述电离层浮点模型如下：
基线两端测站的精确位置已知，同时卫星精密轨道由IGS提供，精确计算卫星到接收机的站星距对流层延迟，IF卫星钟差/>由IGS提供；其中τr为天顶对流层湿延迟需要在模型中估计，/>为湿延迟投影函数；/>为倾斜干延迟。
4.根据权利要求3所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述电离层浮点模型中观测值如下：
5.根据权利要求1所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述电离层加权模型如下：
为伪观测值，设为0即可，其权重设为/>其中lAB和Es分别表示AB基线长度和卫星高度角；
其中，为站间单差的差分码偏差；
为站间单差电离层延迟。
6.根据权利要求1所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述电离层固定模型如下：
dtA和dtB都是接收机相对卫星参考时间的时间差，在矫正了dAB，IF后，最终得到A和B的时间差异接收机B的时间改正dtAB后即可与A时间保持时间频率同步。
7.根据权利要求6所述的一种固定模糊度的非差非组合GNSS时间频率传递方法，其特征在于：所述dAB，IF为站间单差的消电离层组合接收机码偏差，其值在恒定环境条件下是不变的，获取方法如下：将接收机A和B时钟接入同一频率源，A和B组成零或短基线，那么有dtA＝dtB，解算后直接得到
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