CN116540282B - 一种基于惯性传感器辅助的gnss的移动载体精准时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法，其中将GNSS时频传递装置与惯性传感器安装至移动载体；由惯性传感器获得转向角度、运动里程信息，使用航位推算法，推算移动载体位置或伪距；最后，利用位置或伪距推算值与伪距定位方程联合解算移动载体坐标与钟差。

Description

一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递 方法

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，具体涉及一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法。

背景技术

时间是目前准确度最高、应用最广的物理量，时间单位“秒”是国际单位制7个基本单位中最准确和最基础的。高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，渗透到从基础研究领域到工程技术领域，以及国计民生诸多方面，关系国家社会安全稳定。以高速铁路列车、无人驾驶、机舰集群、舰船编组、车路协同等为代表应用的多移动载体场景，时间精密同步的需求日益凸显。

GNSS共视比对技术应用上最成熟、最广泛。GPS时间传递标准组(GGTTS)与1994发表了《GPS时间频率传递接收机软件标准化技术指南》，统一了GPS时间频率传递装置软件的处理过程和单站观测文件的格式，规范了时间比对数据文件格式，成为CGGTTS格式V1.0版本，目前版本为V2E，兼容GPS、GLONASS、北斗和Galileo四个系统。基于CGGTTS格式的码基时间传递技术实施过程中需要提前知道单站精确位置，之后进行单站时间传递结果解算。对于静止单站，精确坐标通常需要长时间静态测量和后处理得到，而动态场景下由于移动载体的坐标实时变化，难以实时获取与静态场景下同等精度的精密位置，这为后续时差解算引入误差。单独利用GNSS系统实时解算精密坐标的方法主要有实时动态(Real-timekinematic，RTK)法和精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术两种方式，它们要求分别需要具备可实时提供的精密星历和事先架设好的RTK参考站并配备参考实施差分数据播发能力，这些必要前提条件不能使方法很好的满足实时性要求，同时限制了方法使用的地理范围。

对于精密度更高的GPS载波相位时间频率传递法，目前主流的被国际时频权威机构国际计量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)采用的是加拿大自然资源局(Natural Resources Canada，NRC)的NRCan-PPP软件所使用的PPP算法。在BIPM主导的产生国际标准时间-协调世界时(Coordinated Universal Time，UTC)的时频领域唯一关键比对(CCTF-UTC.K001)中，GPS载波相位法和GPS码基时频传递法不确定度A类评定结果分别为0.3ns和0.7ns；B类评定由于主要受到比对链路(硬件延迟)校准的影响，两种方法的结果几乎都为1.5ns～2.5ns。PPP技术依赖于精密星历产品，国际GNSS服务组织(International GNSS Service，IGS)于2013年推出了实时服务(Real-Time Service，RTS)，用户通过网络获取SSR改正数，但网络链路不确定因素直接影响实时PPP解算；2020年7月北斗三号正式运营，SSR改正数通过北斗三号三颗GEO卫星的B2b信号播发，但目前仅为中国及周边地区用户提供实时PPP服务。

目前，对GNSS精准时间传递的研究多集中于TAI实验室间的比对和UTC的产生，时间比对双方均处于静止状态，时间传递不确定度评定结果基于静态条件。国内外对于移动载体GNSS时间传递研究甚少，未见将GNSS时频传递设备装载于移动载体进行动态时频传递实验及其不确定度分析的研究，无基于GNSS的移动载体精准时间传递的具体技术方案。同时，基于GNSS的时间传递高度依赖GNSS信号，当移动载体无法接收GNSS信号或信号强度很弱时，时间传递将被中断。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，弥补移动状态下GNSS时间传递技术研究空白，本发明提出基于惯性传感器辅助的移动载体基准时间传递方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法，包括如下步骤：

1)将GNSS时频传递装置与惯性传感器安装至移动载体A；

2)移动载体A通过GNSS时频传递装置获取伪距测量值，并构建伪距观测方程如式(1)，

P＝|X_sat-X_rec|-cδt_clock-ref+cδt_s+T_iono+T_tropo+∈ (1)

其中，P为伪距测量值；X_sat、X_rec为GNSS卫星、移动载体A的坐标；c为光速；δt_clock-ref为移动载体上接收机时间与GNSS系统时间时差；T_iono为电离层误差；T_tropo为对流层误差；∈为其他误差；

3)由惯性传感器获得转向角度、运动里程信息，使用航位推算法，推算移动载体A位置；其中所述航位推算法是通过已知移动载体A的初始精确坐标为(x₀，y₀，z₀)，由惯性传感器得到初始时刻到当前时刻航向角变化量θ_H、θ_V及位移D，可通过下式(2)推算当前时刻移动载体A的坐标，

获得移动载体A的坐标后，对式(1)进行等式变换，将δt_clock-ref提至等号左边，其余项放至等号右边，结合移动载体A获取的伪距测量值，可得当前时刻移动载体A的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}，计算如式(3)，

X_sat，1是当前时刻卫星位置坐标；P₁为当前时刻移动载体A伪距测量值；为基于上一时刻推算出的当前移动载体A的坐标；t_iono是电离层延迟；t_tropo是对流层延迟；δt_s是当前时刻卫星时钟相对于GNSS系统时间时差；ε是其他误差项；

4)对于移动载体B，重复上述步骤1)-3)，同样获取自身与GNSS系统时间时差，将获取的这两个时差数据做差即可获得移动载体A、B间时差，实现移动载体A、B间时间传递；

进一步地，若GNSS信号丢失，将GNSS信号丢失前最后一刻认为是航位推算的初始时刻，当前时刻移动载体坐标可由上式(2)获得。

进一步地，计算当前时刻伪距值包括根据下式(4)计算过渡伪距值P_m：

根据过渡伪距以及下式(5)计算当前时刻伪距值并且计算/>与移动载体的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}：

其中P₀是初始时刻伪距测量值；X_rec，0为初始时刻移动载体坐标；X_sat，0是初始时刻卫星位置坐标；α是GNSS卫星位移矢量与矢量(X_rec，0-X_sat，0)的夹角；β为移动载体位移矢量与矢量(X_sat，1-X_rec，0)的夹角。

与现有技术相比，本发明提出基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递技术，并对该技术实现时间传递进行完整不确定度评定，弥补了移动状态下GNSS时间传递技术研究空白；多传感器融合解决码基时间传递动态定位不精确问题，提高时差解算精度；引入基于惯性传感器的航位推算法，改变时差解算过度依赖GNSS信号的情况，当移动载体无法接收GNSS信号时，使用航位推算法推算移动载体坐标或伪距值，实现时差解算，满足无GNSS信号下时差解算需求，保证时差解算的连续性，同时移动载体无需通过其他数据链路接收额外的信息，增加了技术的可靠性和鲁棒性。

附图说明：

图1为航位推算法中坐标推算示意图；

图2为基于坐标推算值的GNSS码基时间传递原理示意图；

图3为GNSS信号丢失时伪距值推算示意图；

图4为GNSS信号丢失时基于坐标推算值、伪距推算值的GNSS码基时间传递原理示意图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对发明做进一步的详细说明：

GNSS码基时间传递具有实时性好、使用便捷的优点，基于惯性传感器的定位技术具有短期内定位精度高、定位自主性强的优点。将GNSS时频传递装置与惯性传感器安装至移动载体；由惯性传感器获得转向角度、运动里程等信息，使用航位推算法，推算移动载体位置或伪距值；最后，利用位置或伪距推算值与伪距定位方程联合解算移动载体坐标与钟差。GNSS码基时间传递原理基于伪距观测方程，伪距观测方程如式(1)，

P＝|X_sat-X_rec|-cδt_clock-ref+cδt_s+T_iono+T_tropo+∈ (1)

其中，P为伪距测量值；X_sat、X_rec为GNSS卫星、移动载体坐标；c为光速；δt_clock-ref为移动载体上接收机时间与GNSS系统时间时差；T_iono为电离层误差；T_tropo为对流层误差；∈为其他误差。

针对移动载体可获取伪距观测值而坐标解算不精确的情况，根据惯性传感器输出信息，利用航位推算法，基于上一时刻精确坐标推算当前移动载体坐标，辅助时差解算。如图1为航位推算法示意图，已知移动载体初始精确坐标为(x₀，y₀，z₀)，由惯性传感器得到初始时刻到当前时刻航向角变化量θ_H、θ_V及位移D，

则可通过式(2)推算当前时刻载体坐标，

获得移动载体坐标后，结合伪距观测方程，可得当前时刻移动载体的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}如式(3)，

X_sat，1是当前时刻卫星位置坐标；P₁为当前时刻移动载体伪距测量值；为基于上一时刻推算出的当前移动载体坐标；t_iono是电离层延迟；t_tropo是对流层延迟；δt_s是当前时刻卫星时钟相对于GNSS系统时间时差；ε是其他误差项。基于坐标航位推算值的时间传递过程如图2，移动载体A通过GNSS时频传递装置获取伪距测量值，通过惯性传感器组合获取自身坐标推算值，结合广播星历即可获得自身与GNSS系统时间时差；同理，移动载体B获取自身与GNSS系统时间时差。移动载体A、B各自与GNSS系统时间时差通过数据链交换，将这两个时差数据做差即可获得A、B间时差，实现移动载体A、B间时间传递。

针对移动站进入例如隧道等无法接收GNSS信号的场景，则推算移动站伪距值与坐标，实现时差解算。将GNSS信号丢失前最后一刻认为是航位推算的初始时刻，当前时刻移动载体坐标可由式(2)获得。由于广播星历更新时间一般为1或2小时，所以无GNSS信号的短时间内卫星位置、电离层延迟、对流层延迟、卫星时钟相对于GNSS系统时间时差等仍使用初始时刻广播星历播发的参数计算。当前时刻伪距值推算示意图如图3，

其中X_rec，0为初始时刻移动载体坐标；X_sat，0是初始时刻卫星位置坐标；α是GNSS卫星位移矢量与矢量(X_rec，0-X_sat，0)的夹角；β为移动载体位移矢量与矢量的夹角；P_m为过度伪距，用于后续/>值的计算；其余变量含义见上文。

P_m计算如式(4)，

与移动载体的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}计算如式(5)，

式(4)、(5)中的变量含义见上文。

基于坐标推算值、伪距推算值的时间传递过程如图4，原理与图2类似，不同的是由于当前无GNSS信号，伪距值不可直接观测获得，需要根据惯性传感器组输出信息，对伪距值与载体坐标进行推算，最后使用移动载体坐标推算值与伪距推算值进行时差解算。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将GNSS时频传递装置与惯性传感器安装至移动载体A；

2)移动载体A通过GNSS时频传递装置获取伪距测量值，并构建伪距观测方程如式(1)，

P＝|X_sat-X_rec|-cδt_clock-ref+cδt_s+T_iono+T_tropo+∈ (1)

其中，P为伪距测量值；X_sat、X_rec为GNSS卫星、移动载体A的坐标；c为光速；δt_clock-ref为移动载体上接收机时间与GNSS系统时间时差；T_iono为电离层误差；T_tropo为对流层误差；∈为其他误差；

3)由惯性传感器获得转向角度、运动里程信息，使用航位推算法，推算移动载体A位置；其中所述航位推算法是通过已知移动载体A的初始精确坐标为(x₀，y₀，z₀)，由惯性传感器得到初始时刻到当前时刻航向角变化量θ_H、θ_V及位移D，可通过下式(2)推算当前时刻移动载体A的坐标，

获得移动载体A的坐标后，对式(1)进行等式变换，将δt_clock-ref提至等号左边，其余项放至等号右边，结合移动载体A获取的伪距测量值，可得当前时刻移动载体A的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}，计算如式(3)，

X_sat，1是当前时刻卫星位置坐标；P₁为当前时刻移动载体A伪距测量值；为基于上一时刻推算出的当前移动载体A的坐标；t_iono是电离层延迟；t_tropo是对流层延迟；δt_s是当前时刻卫星时钟相对于GNSS系统时间时差；ε是其他误差项；

4)对于移动载体B，重复上述步骤1)-3)，同样获取自身与GNSS系统时间时差，将获取的这两个时差数据做差即可获得移动载体A、B间时差，实现移动载体A、B间时间传递。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法，若GNSS信号丢失，将GNSS信号丢失前最后一刻认为是航位推算的初始时刻，当前时刻移动载体坐标可由上式(2)获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于惯性传感器辅助的GNSS的移动载体精准时间传递方法，计算当前时刻伪距值包括根据下式(4)计算过渡伪距值P_m：

根据所述过渡伪距值以及下式(5)计算当前时刻伪距值并且计算/>与移动载体的接收机时间与GNSS系统时间时差δt_{clock-ref，1}：

其中P₀是初始时刻伪距测量值；X_rec，0为初始时刻移动载体坐标；X_sat，0是初始时刻卫星位置坐标；α是GNSS卫星位移矢量与矢量(X_rec，0-X_sat，0)的夹角；β为移动载体位移矢量与矢量((X_sat，1-X_rec，0)的夹角。