本發(fā)明涉及一種定位授時方法。

背景技術(shù)：

gnss(globalnavigationsatellitesystem)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前業(yè)界公認的高精度、高可靠性的星基導(dǎo)航系統(tǒng)，在各國的國防軍事和國民生產(chǎn)中提供定位、授時服務(wù)。但是基于gnss導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特征，它們極易受到干擾和遮擋。因此，需要有其它導(dǎo)航系統(tǒng)進行輔助以提高gnss系統(tǒng)的可用性和可靠性。地基長波授時系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的技術(shù)特征正好互補，可以歸納為“三低”對“三高”：陸基對星基、低頻對高頻、高信號電平對低信號電平。長波授時系統(tǒng)的技術(shù)特征使其具有很強的抗干擾能力和對大建筑物的高繞射能力，這正好彌補了gnss系統(tǒng)的不足。長波授時系統(tǒng)與gnss組合定位、授時的優(yōu)勢體現(xiàn)在gnss系統(tǒng)受到干擾和遮擋時，長波授時系統(tǒng)的發(fā)射臺可以當(dāng)作gnss系統(tǒng)的偽衛(wèi)星，有效改善系統(tǒng)的dop值，提升系統(tǒng)的可用性和可靠性。

目前業(yè)界研究的長波授時系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時方法大多是基于雙曲線定位原理的，但是雙曲線定位方法在基線延長線附近定位時存在“奇異”現(xiàn)象，導(dǎo)致定位功能失效。也有學(xué)者采用類似于gnss單系統(tǒng)的定位方法，把長波發(fā)射臺當(dāng)作一顆偽衛(wèi)星，把長波授時系統(tǒng)偽距方程中的接收機與長波發(fā)射臺之間的時差通過接收機與gnss系統(tǒng)時間之間的時差、長波發(fā)射臺與gnss系統(tǒng)時間之間的時差來間接計算，但是要獲取長波發(fā)射臺與各個gnss系統(tǒng)時間之間的時差相當(dāng)困難，需要搭建專門的時間比對鏈路來進行時差監(jiān)測，而且除了北斗系統(tǒng)以外其它gnss系統(tǒng)都是國外的導(dǎo)航系統(tǒng)，搭建時間比對鏈路代價高昂。此外，基于上述方法進行組合授時都不能直接把世界標(biāo)準(zhǔn)時間utc(coordinateduniversaltime)發(fā)播給用戶。因此，有必要改進現(xiàn)有長波授時系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時方法，避免上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的地基長波授時系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時方法，把導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)之間的時差作為兩個系統(tǒng)的互操作橋梁，衛(wèi)星和長波系統(tǒng)的偽距方程都以utc(ntsc)為基準(zhǔn)參考點，直接求解組合定位授時一體化接收機相對于utc(ntsc)的時差和接收機位置坐標(biāo)，在定位的同時能直接向用戶進行我國標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)的授時。我國的bpl長波授時系統(tǒng)發(fā)播的本身就是國家標(biāo)準(zhǔn)時間，因此不需要搭建額外的時間比對鏈路。另外，在我國國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃中，高精度地基授時系統(tǒng)是待建設(shè)的重要基礎(chǔ)項目，待該項目建成之后，將會有更多的長波發(fā)射臺用于組合定位授時。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)在國家授時中心或者與utc(ntsc)有比對鏈路的地方放置一臺gnss定時接收機，通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計算utc(ntsc)與衛(wèi)星的時差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，ri為第i顆衛(wèi)星到所述gnss定時接收機的幾何距離，c為光速，εi為第i顆衛(wèi)星的其它誤差修正項，包括電離層延遲和對流層延遲；如果gnss定時接收機放置于國家授時中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時差tsi-utc；如果gnss定時接收機放置于與utc(ntsc)有比對鏈路的地方，則tsi-utc＝δtu-i+td，td為utc(ntsc)與gnss定時接收機所在地的時差；

2)對gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差數(shù)據(jù)采用一次多項式或者二次多項式進行建模，時差模型表示為tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，時差模型參數(shù)包括常數(shù)項a、一次項參數(shù)b、二次項參數(shù)c和模型起點t0；

3)按照設(shè)定周期，通過網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)；

4)用戶接入網(wǎng)絡(luò)下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)，通過時差模型還原時差tsi-utc；

5)將時差tsi-utc代入組合定位授時方程組

通過求解方程組實現(xiàn)組合定位和授時解算；其中，ρi表示用戶與第i顆衛(wèi)星之間的偽距；(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時一體化接收機坐標(biāo)；δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時差；為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)；k為用戶端能夠接收到的地基長波授時系統(tǒng)對應(yīng)的長波發(fā)射臺編號；pk為長波發(fā)射臺到用戶的偽距；δ0k為接收機到長波發(fā)射臺之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量；ttk-utc為長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差。

本發(fā)明的有益效果是：提出以導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)之間的時差作為地基長波授時系統(tǒng)與gnss衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)互操作的橋梁，用戶在組合定位的同時能夠獲取我國標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)，在不用增加額外成本的情況下實現(xiàn)了一體化定位、授時。本發(fā)明所提的組合定位授時方法一方面避免了單個gnss系統(tǒng)定位、授時的局限性，提升了整個組合系統(tǒng)的可靠性和有效性。另一方面，本發(fā)明所采用的組合定位授時算法結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星偽距觀測方程和地基長波授時系統(tǒng)的偽距觀測方程一起進行定位解算，避免了傳統(tǒng)羅蘭系統(tǒng)雙曲線組合定位算法的“奇異”現(xiàn)象，即定位方程組無解的現(xiàn)象，進一步提升了系統(tǒng)的可用性。此外，本發(fā)明所提組合定位授時方法不需要知道長波發(fā)射臺與gnss系統(tǒng)時間之間的時差，也避免了搭建專門的時間比對鏈路而帶來的昂貴開銷。

附圖說明

圖1是gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差監(jiān)測、建模、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)備連接圖；

圖2是用戶組合定位授時流程圖；

圖3是遮擋環(huán)境下西安地區(qū)雙系統(tǒng)組合與北斗單系統(tǒng)gdop對比圖；

圖4是遮擋環(huán)境下雙系統(tǒng)組合與北斗單系統(tǒng)定位誤差對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)在國家授時中心或者與utc(ntsc)有比對鏈路的地方放置一臺gnss定時接收機，監(jiān)測gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差tsi-utc。通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計算用戶與衛(wèi)星的時差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，ri為衛(wèi)星到用戶之間的幾何距離，c為光速，εi為其它誤差修正項，包括電離層延遲、對流層延遲，通過普通的模型即可求解。如果定時接收機放置于國家授時中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時差tsi-utc。如果定時接收機放置于其它與utc(ntsc)有比對鏈路的地方，則tsi-utc＝δtu-i+td，td為utc(ntsc)與定時接收機所在地的時差，通過現(xiàn)有比對鏈路獲得；

2)對gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差數(shù)據(jù)進行建模，通過建模減少向用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。由于衛(wèi)星與utc之間的時差基本呈線性特性，因此采用普通的一次多項式或者二次多項式進行建模即可，模型可以表示為tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，a為常數(shù)項，b為一次項參數(shù)，c為二次項參數(shù)，t0為模型起點，模型參數(shù)可以通過采用普通的最小二乘法進行多項式擬合獲得；

3)通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)，由于衛(wèi)星與utc之間的時差模型比較穩(wěn)定，模型參數(shù)更新周期可以定為半小時或者更長；

4)用戶端只要接入internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)即可下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)，通過模型公式tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²用戶還原計算出步驟(1)中的gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差。向用戶發(fā)送時差模型與向用戶發(fā)送時差數(shù)據(jù)相比，大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；

5)用戶端把gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差值代入組合定位授時方程組即可實現(xiàn)組合定位和授時解算。該方程組中，第一個方程是gnss系統(tǒng)的偽距觀測方程，第二個方程是地基長波授時系統(tǒng)的偽距觀測方程。ρi表示用戶與衛(wèi)星之間的偽距，n為可視衛(wèi)星數(shù)目，(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時一體化接收機坐標(biāo)，為待求量。δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時差，也為待求量。為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。k為用戶端能夠接收到的地基長波授時系統(tǒng)對應(yīng)的長波發(fā)射臺編號，pk為長波發(fā)射臺到用戶的偽距，m為長波發(fā)射臺的數(shù)目，δ0k為接收機到長波發(fā)射臺之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量。δ0k和δsk都是關(guān)于接收機坐標(biāo)(xr，yr，zr)的函數(shù)，通過簡單數(shù)學(xué)計算即可獲得。ttk-utc為長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差，是已知量，事先在internet網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布各個長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差結(jié)果。

本發(fā)明的實施例包括以下步驟，對于用戶來說，步驟1至步驟5是不需要執(zhí)行的，只需要執(zhí)行步驟6至步驟8。此外，步驟5和步驟7只需要執(zhí)行一次，不需要重復(fù)執(zhí)行，如果步驟5或步驟7已經(jīng)執(zhí)行成功，則可以跳過該步驟，直接執(zhí)行下一步驟。

步驟1.準(zhǔn)備好gnss接收機、工控機、脈沖分配放大器、頻率分配放大器等設(shè)備，在國家授時中心搭建gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差tsi-utc監(jiān)測系統(tǒng)，gnss接收機的天線放置于坐標(biāo)已知的觀測點上；

步驟2.工控機實時采集gnss接收機的偽距和衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)，通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計算用戶與衛(wèi)星的時差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，rⁱ為衛(wèi)星到用戶之間的幾何距離，可根據(jù)衛(wèi)星位置進行實時計算，c為光速，εi為其它誤差修正項，包括電離層延遲和對流層延遲，通過普通的模型即可求解。由于gnss接收機放置于國家授時中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時差tsi-utc；

步驟3.在工控機上對gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差數(shù)據(jù)進行建模，采用二次模型tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，a為常數(shù)項，b為一次項參數(shù)，c為二次項參數(shù)，t0為模型起點，利用最小二乘法可以計算出各個模型參數(shù)；

步驟4.工控機通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)；

步驟5.工控機通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)向用戶發(fā)布各個長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差結(jié)果；

步驟6.用戶從internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)，并通過公式tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²計算gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差；

步驟7.用戶從internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)下載各個長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差數(shù)據(jù)；

步驟8.用戶把gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差值和長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差值代入組合定位授時方程組，進行組合定位和授時解算。

該方程組中，(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時一體化接收機坐標(biāo)，為待求量。δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時差，也為待求量。為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，通過對衛(wèi)星星歷進行解算可以求得。ρi表示用戶與衛(wèi)星之間的偽距，n為可視衛(wèi)星數(shù)目。k為用戶端能夠接收到的地基長波授時系統(tǒng)對應(yīng)的長波發(fā)射臺編號，pk為長波發(fā)射臺到用戶的偽距，m為長波發(fā)射臺的數(shù)目，δ0k為接收機到長波發(fā)射臺之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量。δ0k和δsk都是關(guān)于接收機坐標(biāo)(xr，yr，zr)的函數(shù)，通過簡單數(shù)學(xué)計算即可獲得。ttk-utc為長波發(fā)射臺與utc(ntsc)的時差，在步驟7中獲得。tsi-utc為衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差，在步驟6中獲得。

從上述實施步驟可知，本發(fā)明所提的地基長波授時系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時方法的實施過程主要包括gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差監(jiān)測、定組合位授時解算兩大部分。gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差監(jiān)測屬于系統(tǒng)級的工作內(nèi)容，用戶級只需要進行g(shù)nss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時差模型參數(shù)的下載、解析和組合定位授時解算。

由以上實施例可以看出，本發(fā)明的主要特點是把導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)之間的時差作為地基長波授時系統(tǒng)與gnss衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作參數(shù)，衛(wèi)星和長波系統(tǒng)的偽距方程都以utc(ntsc)為基準(zhǔn)參考點，用戶直接進行組合定位授時一體化解算。本發(fā)明所提方法需要進行衛(wèi)星與utc(ntsc)之間的時差監(jiān)測，但是監(jiān)測方法和監(jiān)測過程簡單，監(jiān)測設(shè)備僅需要gnss接收機、工控機和一些輔助設(shè)備，監(jiān)測成本較低。但本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的組合定位方法，進一步提升了系統(tǒng)的可用性，也避免了搭建長波發(fā)射臺與gnss系統(tǒng)時間的比對鏈路而帶來的昂貴開銷。最重要的是，本發(fā)明在定位的同時把國家標(biāo)準(zhǔn)時間utc(ntsc)授予用戶，是定位、授時一體化的方法，且不需要額外的成本開銷，還可以快速、便捷地推廣使用，具有較好的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。