一种基于伪距辅助载波相位的北斗共视时间传递的方法

摘要

本发明属于高精度时间同步技术领域，具体涉及一种基于伪距辅助载波相位的北斗共视时间传递的方法。方法包括：两地用户通过北斗接收机获得伪距和载波相位观测数据以及广播电文，通过internet网络进行数据交换，应用北斗共视算法分别计算出伪码测距共视的钟差和载波相位共视的钟差，最后通过最小二乘拟合以及vondrak滤波，即可获得两地的实时钟差。本方法不进行周跳探测和模糊度解算，相对于目前纯载波相位进行共视时的算法简单，可实现亚ns量级的站间钟差实时解算。

说明书

技术领域

本发明属于高精度时间同步技术领域，具体涉及一种基于伪距辅助载波相位的北斗共视时间传递的方法。

背景技术

高精度时间已成为现代技术发展不可或缺的必要条件，精密时间在国民经济和国防建设中具有基础性作用，已经成为国家重要的战略参数和资源。随着科技的发展，高精度的时间频率应用范围也越来越广泛，从基础的电力、电信、金融证劵，到各种工程技术，再到现代的空间高技术领域等各个方面。尤其是基于时间的测量，实现距离、位置和速度测定的卫星导航系统，更需要高稳定频率源、精确的时间测量和高精度时间同步。时间频率技术的发展使得卫星导航系统定位得以实现，同时卫星导航系统又推动了远距离高精度时间传递技术的发展及时间同步精度的提高。量子频标精度的提高对现有的远距离时间传递也提出了更高的要求。当前光学原子钟的频率不确定度已经达到了10^-18量级，用它作为时间基准是未来发展的必然趋势，而随着时间基准的发展现有的时间传递技术其弱点逐渐凸显，因此进行更高精度的时间传递技术的研究是适应未来远程时间比对的客观要求。

在现有的远距离无线时间传递技术中，传递精度较高的方法主要是GPS共视、GPS全视、卫星双向时间比对(TWSTFT)、GPSPPP技术、载波相位法(CP)等。这些方法各有优劣，适用于各种对时间传递精度要求不同的场合。

GPS共视法是以GPS卫星钟时间作为公共参考源，相距遥远的两个时间实验室同步观测相同的卫星，测定实验室时间与卫星钟时间之差，通过比较两实验室的观测结果，来确定两实验室时间的相对偏差。

优点：时间比对结果可完全消除星钟误差的影响，设备便宜、使用费用低、操作简单、可连续运行。

缺点：只适合短基线进行时间传递，时间传递精度低，精度为5-8ns。

GPS全视法是异地观测站分别独立地观测多颗卫星，使用IGS提供的事后精密轨道和精密钟差计算本地时间与IGST之间的时差，然后交换资料，即可获得两地之间的时间偏差。

优点：长基线情况下，全视法可以消除共视法人为网络限制，有事后IGS精密轨道和精密钟差参与，时间比对的精度比共视方法高。

缺点：基于伪距进行的时间比对，精度提高不明显，且需要IGS事后修正，不能实时进行时间比对。

GPSPPP精密单点定位是GNSSAV的自然延伸，GNSSPPP是利用精密星历和精密钟差文件，使用无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值，对测站位置、接收机钟差、对流层延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计。

优点：时间比对精度高，可达到亚ns量级。

缺点：需要精密星历和精密钟差文件，不能实时进行时间比对，且需要解算相位模糊度，算法复杂。

卫星双向时间比对(TWSTFT)是精度最高的远程时间传递方法，由于其传递路径对称，链路上的传播延迟对流层可完全抵消，电离层时延在KU波段可以基本抵消，卫星转发器时延也可完全对消。

优点：链路的传播时延几乎完全抵消，时间传递精度比测码伪距共视的精度高一个量级，可达到亚ns量级。

缺点：需要租用卫星，链路复杂，用户建设费用较高。

载波相位法(CP)是利用载波相位测量数据进行时间比对，载波相位的测量精度可以达到毫米级，远高于伪距的测量精度，因此进行时间比对的精度较高。

优点：不受距离限制，时间比对精度高，可达到亚ns量级。

缺点：需要解算相位模糊度和周跳探测，模糊度解算和周跳探测算法复杂，解算的精度直接影响时间比对的精度。

远程高精度时间比对的方法各有优缺点，适合与不同的场合，有的比对方法精度很高，但不适合实时比对、比对设施或比对算法较复杂，有的比对方法设备简单，可进行实时时间比对，但时间传递的精度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有远程时间同步技术存在的缺陷和不足，提供一种基于伪距辅助载波相位的北斗共视时间传递的方法，本方法既可实现实时时间同步，又可实现高精度的时间传输。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供的方法用伪距辅助载波相位实现高精度的时间比对，用伪距和载波相位数据通过北斗共视算法计算同时获得两站的站间钟差，不需要进行周跳探测和模糊度解算的，算法和伪距共视的算法一样，简单易懂。由于没有进行模糊度解算，因此载波相位共视计算的钟差将含有系统差，通过最小二乘的方法将伪距共视的钟差和载波相位共视的钟差分段统计出系统差值，最后载波相位共视钟差分段消掉系统差后即可获得纯载波相位共视计算的钟差，该方法有效的避免了单纯载波相位共视法需进行周跳探测和模糊度解算这两个难题，实现了站间用户实时的亚ns量级的高精度时间传递，其精度与卫星双向比对的精度一致。

附图说明

图1为本发明GNSS共视组成图；

图2为本发明数据处理流程图；

图3为本发明步骤二基于伪距共视计算的数据处理流程图；

图4为本发明步骤三基于载波相位共视计算的数据处理流程图；

图5为本发明基于测码伪距共视计算的站间钟差波形图；

图6为本发明基于载波相位共视计算的站间钟差波形图；

图7为本发明消除系统差后载波相位共视钟差波形图；

图8为本发明基于载波相位和伪距共视计算的波形比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图2，本发明提供的方法包括以下步骤：

步骤一：通过北斗测量型接收机采集两个站的伪距数据和载波相位数据以及导航电文；

步骤二：应用北斗共视算法获得基于伪距的两站钟差；

参见图3，具体包括：

a.读取两站原始伪距数据；

b.用中位数法循环剔除掉伪距粗差值；

c.提取频点、支路、类型的伪距数据；

d.读取两个站的坐标并对坐标值进行校正；

e.读取广播星历找出伪距观测时间最近的星历数据；

f.计算卫星的位置；

g.采用无电离层组合消除电离层误差；

h.消除对流层、相对论效应、地球自转误差；

i.获得两个站时间与卫星钟的时间差；

j.用最小二乘分别拟合为每半小时的钟差数据；

k.对齐时间点作差，获得两个站基于伪距的钟差数据。

步骤三：应用北斗共视算法获得基于载波相位的两站钟差，且不进行周跳探测和模糊度解算；

参见图4，具体包括：

a.读取两个站的多频点的载波相位数据；

b.剔除掉粗大值和超限值；

c.将载波相位的数据与波长相乘获得距离；

d.采用双频组合消掉电离层；

e.消除对流层、多路径效应误差；

f.计算卫星的位置；

g.获得星地时差；

h.两个站的星地时差作差获得带有模糊度的站间钟差。

步骤四：采用最小二乘法分段获得两种钟差的系统差；

步骤五：基于载波相位计算的钟差扣除掉系统差获得两个站连贯的钟差数据；

步骤六：采用vondark滤波方法滤除两个站时差的随机噪声；

步骤七：获得两个站高精度的时差数据。

两地用户通过北斗接收机获得伪距和载波相位观测数据以及广播电文，通过internet网络进行数据交换，应用北斗共视算法分别计算出伪码测距共视的钟差和载波相位共视的钟差，最后通过最小二乘拟合以及vondrak滤波，即可获得两地的实时钟差。

参见图1，两个站分别放置卫星共视接收机，如果在相同的时间观测同样一颗卫星I，则可得到导航卫星钟与用户时间1的时差如式(1)和导航卫星钟与用户时间2的时差如式(2)。

Δt_NI＝(t_I-t_N)(1)

Δt_BI＝(t_I-t_B)(2)

两式作差可得用户1和用户2的时差，如式(3)。

Δt_NI-Δt_BI＝t_B-t_N(3)

t_I为卫星钟，t_N，t_B用户时间。

载波相位观测方程与伪距观测方程分别为：

P_i＝ρ+cdt_r-cdt_s+d_orb+d_trop+d_ionp+d_mulp+ε_p

L_i＝ρ+cdt_r-cdt_s+d_orb+d_trop-d_ionl+λ_iN_i+d_mull+ε_l

其中，

P_i为i频率上的码伪距观测值，L_i为i频率上的相位观测值，ρ为测站和卫星几何距离，cdt_r为接收机钟差改正项，cdt_s为卫星钟差改正项，d_orb为卫星轨道误差，d_trop为对流层延迟，λ_iN_i为相位整周模糊度，d_ionp，d_ionl为电离层延迟项，d_mulp，d_mull为多路径效应，ε_p，ε_l为伪距，相位测量噪声。

伪距和相位的无电离层组合观测值分别表示为：

$P_{IF}=\frac{f_1^2{P}_1-f_2^2{P}_2}{f_1^2-f_2^2}=\rho +c({\mathrm{dt}}_r-{\mathrm{dt}}_s)+d_{trop}+d_{mulp}+{ϵ}_p$

$L_{IF}=\frac{f_1^2{L}_1-f_2^2{L}_2}{f_1^2-f_2^2}=\rho +c({\mathrm{dt}}_r-{\mathrm{dt}}_s)+d_{trop}+{\lambda }_w{N}_w+d_{mull}+{ϵ}_l$

其中为无电离层组合载波相位观测值模糊度。

将A,B两站个的载波相位观测方程相减，即可得到A,B两站的站间钟差：

单频共视时，用k8模型修正电离层，双频时直接无电离层组合消掉了电离层时延。共视法消除了卫星钟差和卫星发射时延的影响，主要受两地面站到卫星的径向距离误差、和大气传播误差的影响。

参见图5，图5为用纯伪距计算的两站钟差，图中细线为单纯伪距计算钟差，粗线为经过滤波后的钟差，从图中可以看出钟差波形短时间内波动在20ns上下，波动幅度较大，这说明伪距计算的钟差精度较差。

参见图6，图6为用纯载波相位计算的两站钟差，从图中可以看出钟差分为5段，这是由于未进行周跳探测修复和模糊度解算，因此，钟差结果中会引入较大的系统差。

参见图7，图7为用伪距计算的钟差，消除了载波相位钟差系统差后的波形图，粗线为滤波后的波形，从图中可以看出，载波相位计算的钟差短时间内波动不到3ns，这说明用载波相位计算的钟差精度较高。

参见图8，图8为用纯伪距和纯载波相位计算的钟差波形图，其中粗线为用载波相位计算的两站钟差，细线为用纯伪距计算的两站钟差，从图中也可以得出，载波相位计算的站间钟差明显比伪距计算的站间钟差波动幅度小，这也说明了基于伪距辅助载波相位进行高精度时间传递的方法是可行的。

下表为双频伪距和载波相位共视计算钟差数据分析表。通过下表数据可以看出，本发明的方法能够实现高精度的时间传递。