一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法

技术领域

本发明属于时间频率传递技术领域，具体涉及一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法。

背景技术

目前，高精度授时的需求日趋增加，卫星授时优势凸显，开展卫星授时相关研究意义重大。随着现代科技的发展和智慧行业的兴起，各领域对于时间信息有了更大尺度的依赖，例如：5G通信网中的基站要求3纳秒的事后时间同步精度，甚长基线网中的各测站要求亚纳秒量级的事后时间同步精度，深空探测网中的各航天器要求亚纳秒量级的实时时间同步精度。从以上场景可以看出，时间用户的需求逐渐从事后走向实时，只有实时精准的时间信息才能实现对海量用户的微观调控。

全球卫星导航系统能够连续稳定可靠地运行，在地球表面或近地空间的任何地点均可进行全天时全天候的观测，以其较高的测量精度、广阔的覆盖范围、便捷的实现方式等优势在导航定位授时各领域发挥着不可替代的作用。

现有技术中，基于北斗卫星导航系统实现地面站间时间传递时，所有北斗卫星一起参与解算得到站间钟差，当前可用的北斗系统包括北斗二号和北斗三号卫星，空中卫星的增多有利于增加测站的可见卫星数目、优化卫星的空间几何构型，还可以增强北斗系统定位导航授时服务的可用性和可靠性。然而，北斗二号和北斗三号是分步建设的，两代卫星间存在差异，现有的时间传递方法未考虑北斗二号和北斗三号卫星间的系统内偏差，这就导致解算结果存在系统性偏差，进而影响时间传递性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种削弱北斗系统内偏差的时间方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法，包括：

确定待同步的多个测站，并获取各测站预设频点的原始观测方程，所述原始观测方程包括原始伪距观测值和原始相位观测值；

针对各预设频点，根据精密星历、精密星钟和所述原始伪距观测值确定残余伪距观测值，并根据精密星历、精密星钟和所述原始相位观测值确定残余相位观测值；

对各预设频点的所述残余伪距观测值进行双频消电离层组合，得到伪距组合观测值，并对各预设频点的所述残余相位观测值进行双频消电离层组合，得到相位组合观测值；

根据所述伪距组合观测值及所述相位组合观测值求解待估计参数，所述待估计参数包括北斗卫星的系统内偏差TDB；

根据所述待估计参数的值，解算得到每个所述测站的接收机钟差；

根据所述接收机钟差，对任意进行时间传递的所述测站的接收机进行互差，实现测站间的时间传递。

在本发明的一个实施例中，所述确定待同步的多个测站，并获取各测站预设频点的原始观测方程的步骤，包括：

确定待同步的多个测站；

分别从北斗B1I和B3I两个预设频点获取各测站的原始伪距观测值和原始相位观测值。

在本发明的一个实施例中，各测站预设频点的原始观测方程为：

式中，ρ

在本发明的一个实施例中，所述针对各预设频点，根据精密星历、精密星钟和所述原始伪距观测值确定残余伪距观测值，并根据精密星历、精密星钟和所述原始相位观测值确定残余相位观测值的步骤，包括：

下载精密星历和精密星钟；

分别将预设频点北斗B1I、北斗B3I的所述原始伪距观测值减去精密星历和精密星钟，得到预设频点北斗B1I的残余伪距观测值以及预设频点北斗B3I的残余伪距观测值；

分别将预设频点北斗B1I、北斗B3I的所述原始相位观测值减去精密星历和精密星钟，得到预设频点北斗B1I的残余相位观测值以及预设频点北斗B3I的残余相位观测值。

在本发明的一个实施例中，所述伪距组合观测值为：

所述相位组合观测值为：

其中，f

在本发明的一个实施例中，所述根据所述伪距组合观测值及所述相位组合观测值求解待估计参数的值的步骤之后，还包括：

根据求解出的第一TDB时间序列，利用泊尔松相关函数计算历元间的相关性；

基于所述相关性，利用随机游走模型估计第二TDB时间序列。

在本发明的一个实施例中，所述第二TDB时间序列

在本发明的一个实施例中，所述待估计参数还包括：三维位置改正数、天顶对流层湿延迟、各测站可见卫星m的消模糊度和北斗三号卫星解算的接收机钟差

所述根据所述待估计参数的值，解算得到每个所述测站的接收机钟差的步骤，包括：

根据所述第二TDB时间序列以及求解得到的三维位置改正数、天顶对流层湿延迟、各测站可见卫星m的消模糊度和北斗三号卫星解算的接收机钟差

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法，由于该时间传递方法引入了北斗卫星的系统内偏差TDB并建立了合理的系统内偏差的随机模型，因此能够有效剥离系统内偏差和接收机钟差，进而提高时间传递的精度以及频率传递的稳定度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的削弱北斗系统内偏差的时间传递方法的一种流程图；

图2是本发明实施例提供的由北斗二号卫星与北斗三号卫星解算的接收机钟差之差的示意图；

图3是本发明实施例提供的第一TDB时间序列示意图；

图4是本发明实施例提供的第一TDB时间序列的相关性分析示意图；

图5是本发明实施例提供的XIA1和BRCH链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图；

图6是本发明实施例提供的XIA3和BRCH链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图；

图7是本发明实施例提供的XIA1和XIA3链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是本发明实施例提供的削弱北斗系统内偏差的时间传递方法的一种流程图。如图1所示，本发明实施例提供一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法，包括：

S1、确定待同步的多个测站，并获取各测站预设频点的原始观测方程，原始观测方程包括原始伪距观测值和原始相位观测值；

S2、针对各预设频点，根据精密星历、精密星钟和原始伪距观测值确定残余伪距观测值，并根据精密星历、精密星钟和原始相位观测值确定残余相位观测值；

S3、对各预设频点的残余伪距观测值进行双频消电离层组合，得到伪距组合观测值，并对各预设频点的残余相位观测值进行双频消电离层组合，得到相位组合观测值；

S4、根据伪距组合观测值及相位组合观测值求解待估计参数，待估计参数包括北斗卫星的系统内偏差TDB；

S5、根据待估计参数的值，解算得到每个测站的接收机钟差；

S6、根据接收机钟差，对任意进行时间传递的测站的接收机进行互差，实现测站间的时间传递。

具体地，在上述步骤S1中，确定待同步的多个测站，并获取各测站预设频点的原始观测方程的步骤，包括：

确定待同步的多个测站；

分别从北斗B1I和B3I两个预设频点获取各测站的原始伪距观测值和原始相位观测值。

示例性地，各测站预设频点的原始观测方程为：

式中，ρ

上述步骤S2中，针对各预设频点，根据精密星历、精密星钟和原始伪距观测值确定残余伪距观测值，并根据精密星历、精密星钟和原始相位观测值确定残余相位观测值的步骤，包括：

S201、下载精密星历和精密星钟；

S202、分别将预设频点北斗B1I、北斗B3I的原始伪距观测值减去精密星历和精密星钟，得到预设频点北斗B1I的残余伪距观测值以及预设频点北斗B3I的残余伪距观测值；

S203、分别将预设频点北斗B1I、北斗B3I的原始相位观测值减去精密星历和精密星钟，得到预设频点北斗B1I的残余相位观测值以及预设频点北斗B3I的残余相位观测值。

本实施例中，可以从IGS(International Global Navigation SatelliteSystem，国际卫星导航系统分析系统)或iGMAS(International Global NavigationSatellite System Monitoring&Assessment System，全球GNSS连续监测评估系统)中下载精密星历和精密星钟，通过将预设频点北斗B1I、北斗B3I的原始伪距观测值减去精密星历和精密星钟、并将预设频点北斗B1I、北斗B3I的原始相位观测值减去精密星历和精密星钟，可以从两个频点的原始伪距观测值及原始相位观测值中减掉卫星轨道与卫星钟差的影响。

需要说明的是，在本发明提供的时间传递方法中，北斗卫星的系统内偏差TDB是指北斗二号卫星与北斗三号卫星的系统内偏差，因此增加系统内偏差TDB为待估参数，将式(1)中的接收机钟差dt

进一步地，对预设频点北斗B1I和B3I的残余相位观测值进行双频消电离层组合，并对预设频点B1I和B3I的残余伪距观测值进行双频消电离层组合，得到的伪距组合观测值和相位组合观测值表示为：

其中，f

接着，仍以北斗二号卫星和北斗三号卫星为例，对上式进行线性化，可得：

式中，[dxdy dzT

本实施例中，根据伪距组合观测值及所述相位组合观测值求解待估计参数的值的步骤之后，还包括：

根据求解出的第一TDB时间序列，利用泊尔松相关函数计算历元间的相关性；

基于相关性，利用随机游走模型估计第二TDB时间序列。

具体而言，利用式(3)求解出上述待估计参数后，利用泊尔松相关函数对其中第一TDB时间序列的历元相关性进行分析：

式中，E[]表示期望因子，χ

由于第一TDB时间序列χ

式中，t表示历元，

进一步地，除北斗卫星的系统内偏差TDB外，待估计参数还包括：三维位置改正数、天顶对流层湿延迟、各测站可见卫星m的消模糊度和北斗三号卫星解算的接收机钟差

上述根据待估计参数的值，解算得到每个测站的接收机钟差的步骤，包括：

根据第二TDB时间序列以及求解得到的三维位置改正数、天顶对流层湿延迟、各测站可见卫星m的消模糊度和北斗三号卫星解算的接收机钟差

最终，任意进行时间传递的测站的接收机按照下式进行互差，实现站间时间传递：

......

式中，

需要说明的是，待同步的各测站可外接高精度的原子钟。

下面通过实验对上述削弱北斗系统内偏差的时间传递方法做进一步说明。

本次实验选取同时跟踪北斗二号卫星和北斗三号卫星的两个IGS站及六个iGMAS站，并采用B1I和B3I进行PPP双频消电离层组合。

表1是测站及接收机的相关信息，BRCH、XIA1、XIA3接入的是守时实验室的主钟信号，分别利用随机游走估计、白噪声估计和常数估计三种估计方式估计第二TDB时间序列，估计结果如表2所示。

表1

表2

图2是本发明实施例提供的由北斗二号卫星与北斗三号卫星解算的接收机钟差之差的示意图。如图2所示，理论上，同一测站分别由北斗二号和北斗三号采用PPP模式解算的接收机钟差之差应该为0，但是图2中显示则是非零的时间序列，由此说明北斗二号和北斗三号卫星间存在系统内偏差。

可选地，采用自相关函数对任意两个测站获得的第一TDB时间序列进行分析。图3是本发明实施例提供的第一TDB时间序列示意图，图4是本发明实施例提供的第一TDB时间序列的相关性分析示意图。由图3-4可知，利用自相关函数计算两个测站的第一TDB时间序列的相关性，初始历元的数值大于0.95，表明逐历元间存在极强的相关性，符合随机游走噪声的特性。

图5是本发明实施例提供的XIA1和BRCH链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图，图6是本发明实施例提供的XIA3和BRCH链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图，图7是本发明实施例提供的XIA1和XIA3链路用白噪声和随机游走噪声估计的时间传递稳定度的结果示意图。为了验证随机游走噪声作为TDB随机模型的合理性及其对于时间传递的优势，选取了三条时间传递链路，分析不同TDB估计策略下的时间传递链路的稳定度。结果如图5-7所示，随机游走模型在提高时间传递链路稳定度方面更为有效。采样时间为100s、1000s、10000s、86400s时，对于链路XIA1-BRCH，随机游走噪声相对白噪声提高的百分比分别为11.35、3.04、31.83、1.03％；对于链路XIA3-XIA1，随机游走噪声相对白噪声提高的百分比分别为23.67、10.04、3.43、3.04％；对于链路XIA3-BRCH，随机游走噪声相对白噪声提高的百分比分别为9.49、2.60、26.44、52.25％。

通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种削弱北斗系统内偏差的时间传递方法，由于该时间传递方法引入了北斗卫星的系统内偏差TDB并建立了合理的系统内偏差的随机模型，因此能够有效剥离系统内偏差和接收机钟差，进而提高时间传递的精度以及频率传递的稳定度。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。