一种地基长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法

摘要

本发明提供了一种地基长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法，在国家授时中心或者与UTC(NTSC)有比对链路的地方放置一台GNSS定时接收机，计算UTC(NTSC)与卫星的时差；对卫星与UTC(NTSC)的时差数据采用一次多项式或者二次多项式进行建模，按照设定周期，通过网络向用户发布GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数；用户接入网络下载GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数，通过时差模型还原时差并代入组合定位授时方程组，通过求解方程组实现组合定位和授时解算。本发明在不用增加额外成本的情况下实现了一体化定位、授时，提升了整个组合系统的可靠性和有效性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位授时方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星导航系统是目前业界公认的高精度、高可靠性的星基导航系统，在各国的国防军事和国民生产中提供定位、授时服务。但是基于GNSS导航系统的技术特征，它们极易受到干扰和遮挡。因此，需要有其它导航系统进行辅助以提高GNSS系统的可用性和可靠性。地基长波授时系统与GNSS系统的技术特征正好互补，可以归纳为“三低”对“三高”：陆基对星基、低频对高频、高信号电平对低信号电平。长波授时系统的技术特征使其具有很强的抗干扰能力和对大建筑物的高绕射能力，这正好弥补了GNSS系统的不足。长波授时系统与GNSS组合定位、授时的优势体现在GNSS系统受到干扰和遮挡时，长波授时系统的发射台可以当作GNSS系统的伪卫星，有效改善系统的DOP值，提升系统的可用性和可靠性。

目前业界研究的长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法大多是基于双曲线定位原理的，但是双曲线定位方法在基线延长线附近定位时存在“奇异”现象，导致定位功能失效。也有学者采用类似于GNSS单系统的定位方法，把长波发射台当作一颗伪卫星，把长波授时系统伪距方程中的接收机与长波发射台之间的时差通过接收机与GNSS系统时间之间的时差、长波发射台与GNSS系统时间之间的时差来间接计算，但是要获取长波发射台与各个GNSS系统时间之间的时差相当困难，需要搭建专门的时间比对链路来进行时差监测，而且除了北斗系统以外其它GNSS系统都是国外的导航系统，搭建时间比对链路代价高昂。此外，基于上述方法进行组合授时都不能直接把世界标准时间UTC(CoordinatedUniversal Time)发播给用户。因此，有必要改进现有长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法，避免上述缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供的地基长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法，把导航卫星与我国标准时间UTC(NTSC)之间的时差作为两个系统的互操作桥梁，卫星和长波系统的伪距方程都以UTC(NTSC)为基准参考点，直接求解组合定位授时一体化接收机相对于UTC(NTSC)的时差和接收机位置坐标，在定位的同时能直接向用户进行我国标准时间UTC(NTSC)的授时。我国的BPL长波授时系统发播的本身就是国家标准时间，因此不需要搭建额外的时间比对链路。另外，在我国国家重大基础设施建设“十三五”规划中，高精度地基授时系统是待建设的重要基础项目，待该项目建成之后，将会有更多的长波发射台用于组合定位授时。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)在国家授时中心或者与UTC(NTSC)有比对链路的地方放置一台GNSS定时接收机，通过ρ_i＝r_i+c·δt_u-i+ε_i计算UTC(NTSC)与卫星的时差δt_u-i，其中i为卫星编号，ρ_i为第i颗卫星的伪距，r_i为第i颗卫星到所述GNSS定时接收机的几何距离，c为光速，ε_i为第i颗卫星的其它误差修正项，包括电离层延迟和对流层延迟；如果GNSS定时接收机放置于国家授时中心，则δt_u-i即为卫星i与UTC(NTSC)的时差T_si-UTC；如果GNSS定时接收机放置于与UTC(NTSC)有比对链路的地方，则T_si-UTC＝δt_u-i+Td，Td为UTC(NTSC)与GNSS定时接收机所在地的时差；

2)对GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差数据采用一次多项式或者二次多项式进行建模，时差模型表示为T_si-UTC＝a+b·(t-t₀)+c·(t-t₀)²，时差模型参数包括常数项a、一次项参数b、二次项参数c和模型起点t₀；

3)按照设定周期，通过网络向用户发布GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数；

4)用户接入网络下载GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数，通过时差模型还原时差T_si-UTC；

5)将时差T_si-UTC代入组合定位授时方程组

通过求解方程组实现组合定位和授时解算；其中，ρ_i表示用户与第i颗卫星之间的伪距；(xr，yr，zr)为用户端组合定位授时一体化接收机坐标；δ_u-UTC为用户与UTC(NTSC)的时差；为第i颗卫星的位置坐标；k为用户端能够接收到的地基长波授时系统对应的长波发射台编号；P_k为长波发射台到用户的伪距；δ_0k为接收机到长波发射台之间的球面角距，δ_sk为球面角距到椭球面角距的修正量；T_tk-UTC为长波发射台与UTC(NTSC)的时差。

本发明的有益效果是：提出以导航卫星与我国标准时间UTC(NTSC)之间的时差作为地基长波授时系统与GNSS卫星导航系统互操作的桥梁，用户在组合定位的同时能够获取我国标准时间UTC(NTSC)，在不用增加额外成本的情况下实现了一体化定位、授时。本发明所提的组合定位授时方法一方面避免了单个GNSS系统定位、授时的局限性，提升了整个组合系统的可靠性和有效性。另一方面，本发明所采用的组合定位授时算法结合导航卫星伪距观测方程和地基长波授时系统的伪距观测方程一起进行定位解算，避免了传统罗兰系统双曲线组合定位算法的“奇异”现象，即定位方程组无解的现象，进一步提升了系统的可用性。此外，本发明所提组合定位授时方法不需要知道长波发射台与GNSS系统时间之间的时差，也避免了搭建专门的时间比对链路而带来的昂贵开销。

附图说明

图1是GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差监测、建模、网络发布设备连接图；

图2是用户组合定位授时流程图；

图3是遮挡环境下西安地区双系统组合与北斗单系统GDOP对比图；

图4是遮挡环境下双系统组合与北斗单系统定位误差对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括以下步骤：

1)在国家授时中心或者与UTC(NTSC)有比对链路的地方放置一台GNSS定时接收机，监测GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差T_si-UTC。通过ρ_i＝r_i+c·δt_u-i+ε_i计算用户与卫星的时差δt_u-i，其中i为卫星编号，ρ_i为第i颗卫星的伪距，r_i为卫星到用户之间的几何距离，c为光速，ε_i为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟，通过普通的模型即可求解。如果定时接收机放置于国家授时中心，则δt_u-i即为卫星i与UTC(NTSC)的时差T_si-UTC。如果定时接收机放置于其它与UTC(NTSC)有比对链路的地方，则T_si-UTC＝δt_u-i+Td，Td为UTC(NTSC)与定时接收机所在地的时差，通过现有比对链路获得；

2)对GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差数据进行建模，通过建模减少向用户传输的数据量。由于卫星与UTC之间的时差基本呈线性特性，因此采用普通的一次多项式或者二次多项式进行建模即可，模型可以表示为T_si-UTC＝a+b·(t-t₀)+c·(t-t₀)²，a为常数项，b为一次项参数，c为二次项参数，t₀为模型起点，模型参数可以通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；

3)通过Internet网络或专用网络向用户发布GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数，由于卫星与UTC之间的时差模型比较稳定，模型参数更新周期可以定为半小时或者更长；

4)用户端只要接入Internet网络或专网即可下载GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数，通过模型公式T_si-UTC＝a+b·(t-t₀)+c·(t-t₀)²用户还原计算出步骤(1)中的GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差。向用户发送时差模型与向用户发送时差数据相比，大大减少了传输的数据量；

5)用户端把GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差值代入组合定位授时方程组即可实现组合定位和授时解算。该方程组中，第一个方程是GNSS系统的伪距观测方程，第二个方程是地基长波授时系统的伪距观测方程。ρ_i表示用户与卫星之间的伪距，N为可视卫星数目，(xr，yr，zr)为用户端组合定位授时一体化接收机坐标，为待求量。δ_u-UTC为用户与UTC(NTSC)的时差，也为待求量。为第i颗卫星的位置坐标。k为用户端能够接收到的地基长波授时系统对应的长波发射台编号，P_k为长波发射台到用户的伪距，M为长波发射台的数目，δ_0k为接收机到长波发射台之间的球面角距，δ_sk为球面角距到椭球面角距的修正量。δ_0k和δ_sk都是关于接收机坐标(xr，yr，zr)的函数，通过简单数学计算即可获得。T_tk-UTC为长波发射台与UTC(NTSC)的时差，是已知量，事先在Internet网络上发布各个长波发射台与UTC(NTSC)的时差结果。

本发明的实施例包括以下步骤，对于用户来说，步骤1至步骤5是不需要执行的，只需要执行步骤6至步骤8。此外，步骤5和步骤7只需要执行一次，不需要重复执行，如果步骤5或步骤7已经执行成功，则可以跳过该步骤，直接执行下一步骤。

步骤1.准备好GNSS接收机、工控机、脉冲分配放大器、频率分配放大器等设备，在国家授时中心搭建GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差T_si-UTC监测系统，GNSS接收机的天线放置于坐标已知的观测点上；

步骤2.工控机实时采集GNSS接收机的伪距和卫星位置数据，通过ρ_i＝r_i+c·δt_u-i+ε_i计算用户与卫星的时差δt_u-i，其中i为卫星编号，ρ_i为第i颗卫星的伪距，rⁱ为卫星到用户之间的几何距离，可根据卫星位置进行实时计算，c为光速，ε_i为其它误差修正项，包括电离层延迟和对流层延迟，通过普通的模型即可求解。由于GNSS接收机放置于国家授时中心，则δt_u-i即为卫星i与UTC(NTSC)的时差T_si-UTC；

步骤3.在工控机上对GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差数据进行建模，采用二次模型T_si-UTC＝a+b·(t-t₀)+c·(t-t₀)²，a为常数项，b为一次项参数，c为二次项参数，t₀为模型起点，利用最小二乘法可以计算出各个模型参数；

步骤4.工控机通过Internet网络或专网向用户发布GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数；

步骤5.工控机通过Internet网络或专网向用户发布各个长波发射台与UTC(NTSC)的时差结果；

步骤6.用户从Internet网络或专网下载GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数，并通过公式T_si-UTC＝a+b·(t-t₀)+c·(t-t₀)²计算GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差；

步骤7.用户从Internet网络或专网下载各个长波发射台与UTC(NTSC)的时差数据；

步骤8.用户把GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差值和长波发射台与UTC(NTSC)的时差值代入组合定位授时方程组，进行组合定位和授时解算。

该方程组中，(xr，yr，zr)为用户端组合定位授时一体化接收机坐标，为待求量。δ_u-UTC为用户与UTC(NTSC)的时差，也为待求量。为第i颗卫星的位置坐标，通过对卫星星历进行解算可以求得。ρ_i表示用户与卫星之间的伪距，N为可视卫星数目。k为用户端能够接收到的地基长波授时系统对应的长波发射台编号，P_k为长波发射台到用户的伪距，M为长波发射台的数目，δ_0k为接收机到长波发射台之间的球面角距，δ_sk为球面角距到椭球面角距的修正量。δ_0k和δ_sk都是关于接收机坐标(xr，yr，zr)的函数，通过简单数学计算即可获得。T_tk-UTC为长波发射台与UTC(NTSC)的时差，在步骤7中获得。T_si-UTC为卫星与UTC(NTSC)的时差，在步骤6中获得。

从上述实施步骤可知，本发明所提的地基长波授时系统与GNSS系统的组合定位授时方法的实施过程主要包括GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差监测、定组合位授时解算两大部分。GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差监测属于系统级的工作内容，用户级只需要进行GNSS卫星与UTC(NTSC)的时差模型参数的下载、解析和组合定位授时解算。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是把导航卫星与我国标准时间UTC(NTSC)之间的时差作为地基长波授时系统与GNSS卫星导航系统的互操作参数，卫星和长波系统的伪距方程都以UTC(NTSC)为基准参考点，用户直接进行组合定位授时一体化解算。本发明所提方法需要进行卫星与UTC(NTSC)之间的时差监测，但是监测方法和监测过程简单，监测设备仅需要GNSS接收机、工控机和一些辅助设备，监测成本较低。但本发明相对于传统的组合定位方法，进一步提升了系统的可用性，也避免了搭建长波发射台与GNSS系统时间的比对链路而带来的昂贵开销。最重要的是，本发明在定位的同时把国家标准时间UTC(NTSC)授予用户，是定位、授时一体化的方法，且不需要额外的成本开销，还可以快速、便捷地推广使用，具有较好的发展前途和应用前景。