本發(fā)明涉及一種時(shí)間傳遞方法。更具體地，涉及一種基于精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了用于導(dǎo)航定位外，同時(shí)也是定時(shí)和時(shí)間傳遞最為主要的途徑之一。利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)進(jìn)行時(shí)間傳遞是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的時(shí)間傳遞方法。全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System)共視時(shí)間比對(duì)法于二十世紀(jì)八十年代由美國提出，兩個(gè)地面站，通過接入本地原子鐘時(shí)間參考信號(hào)的GPS接收機(jī)，在相同時(shí)段接收同一顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，分別計(jì)算出本地時(shí)間與該衛(wèi)星星載鐘的時(shí)差，記錄存儲(chǔ)成文件，通過事后文件交換和數(shù)據(jù)處理，即可得到兩個(gè)地面站在比對(duì)時(shí)段的時(shí)差。這種方法系統(tǒng)硬件成本低，數(shù)據(jù)處理流程相對(duì)簡單，因此在提出后，被世界各國的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室采用，成為了國際原子時(shí)(TAI)遠(yuǎn)程比對(duì)的主要途徑?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用GNSS接收機(jī)直接輸出的偽距和載波相位觀測量進(jìn)行定位方程解算，得到本地時(shí)間與導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間時(shí)差。這種方法中，接收機(jī)提取的是導(dǎo)航電文中的廣播星歷和星鐘參數(shù)，誤差相對(duì)較大，得到的定位結(jié)果和定時(shí)結(jié)果也因此存在較大誤差。
二十一世紀(jì)以來，測量型雙頻接收機(jī)的出現(xiàn)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，使精密單點(diǎn)技術(shù)逐漸成熟。精密單點(diǎn)定位是通過測量型接收機(jī)采集記錄載波相位和偽距觀測量，再利用國際全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)組織(IGS，International GNSS Service)發(fā)布的精密星歷和精密星鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以及準(zhǔn)確的天線相位中心坐標(biāo)和誤差修正模型進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，可以得到納秒以下的時(shí)間傳遞精密度。從2012年開始，IGS的數(shù)據(jù)中心開始通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)播實(shí)時(shí)精密星歷和精密星鐘數(shù)據(jù)，這項(xiàng)服務(wù)為基于精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞提供了必要條件。
IGS在全球有幾百個(gè)監(jiān)測站和十幾個(gè)數(shù)據(jù)中心。GNSS監(jiān)測站利用測量型接收機(jī)記錄所有導(dǎo)航衛(wèi)星的原始觀測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)匯總到數(shù)據(jù)分析中心(AC)。每個(gè)數(shù)據(jù)中心利用自己的數(shù)據(jù)處理方法和軟件獨(dú)立發(fā)布精密星歷與精密星鐘數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度與滯后時(shí)間有關(guān)。精度最高的最終(Final)星歷數(shù)據(jù)產(chǎn)品需要滯后至少15天，快速(Rapid)星歷數(shù)據(jù)產(chǎn)品滯后2天，超快(Ultra Rapid)星歷產(chǎn)品滯后3小時(shí)。幾年前，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，IGS開始發(fā)布實(shí)時(shí)(Real-time)星歷與星鐘產(chǎn)品，其滯后約30s，基本可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的。
傳統(tǒng)精密單點(diǎn)定位(PPP，Precise Point Positioning)技術(shù)用作時(shí)間傳遞相對(duì)成熟，而將傳統(tǒng)PPP技術(shù)用于實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞時(shí)，其數(shù)據(jù)處理方法不能滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用。因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)PPP中，數(shù)據(jù)都是按天存好完整的文件，可以將文件中所有的觀測數(shù)據(jù)都讀取出來再處理，剔除粗差，探測周跳，而實(shí)時(shí)應(yīng)用中，往往對(duì)于每顆衛(wèi)星當(dāng)前觀測時(shí)段，之前所能利用的數(shù)據(jù)是極為有限的。很多剛剛跟蹤的衛(wèi)星，其觀測量的噪聲非常大。因此，數(shù)據(jù)處理具有極大難度。同時(shí)，從網(wǎng)絡(luò)得到的實(shí)時(shí)星歷與星鐘數(shù)據(jù)，需要對(duì)原始接收機(jī)輸出的觀測量進(jìn)行修正。對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)星歷數(shù)據(jù)流解碼、插值后，將其歷元與原始觀測量歷元對(duì)齊后，才能修正。
現(xiàn)有方法雖然時(shí)間傳遞精密度指標(biāo)，但不具有實(shí)時(shí)性因此，需要提供一種基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法，用于解決目前導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)無法滿足納秒量級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞的問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
一種基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法，該時(shí)間傳遞方法包括以下步驟：
S1：接收衛(wèi)星信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)包括偽距數(shù)據(jù)、載波相位數(shù)據(jù)和星歷與星鐘原始數(shù)據(jù)；
S2：采集實(shí)時(shí)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)；
S3：計(jì)算精密星歷與星鐘數(shù)據(jù)；
S4：計(jì)算本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的精密時(shí)差；
S5：對(duì)各誤差因素引起的時(shí)差進(jìn)行修正；
S6：交換兩站時(shí)差數(shù)據(jù)，完成時(shí)間傳遞。
優(yōu)選地，測量型GNSS接收模塊接收衛(wèi)星信號(hào)。
優(yōu)選地，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，步驟S3具體包括以下步驟：
S301：對(duì)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到插值后的星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)；
S302：利用插值后的星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)對(duì)星歷與星鐘原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到精密星歷與星鐘數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，步驟S4具體包括以下步驟：
S401：對(duì)載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測與修復(fù)；
S402：對(duì)載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行非差整周模糊度解算；
S403：計(jì)算本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的精密時(shí)差。
優(yōu)選地，利用精密單點(diǎn)定位得到解算結(jié)果后，對(duì)各信號(hào)接收頻點(diǎn)的天線相位中心偏移引起的誤差進(jìn)行修正，對(duì)衛(wèi)星天線相位的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的延時(shí)進(jìn)行修正，對(duì)地球固體潮、地球自轉(zhuǎn)和海洋填充效應(yīng)引起的天線坐標(biāo)變化進(jìn)行修正。
優(yōu)選地，步驟S6具體包括：
S601：A站向B站發(fā)送本地時(shí)差數(shù)據(jù)，接收對(duì)方時(shí)差；B站向A站發(fā)送本地時(shí)差數(shù)據(jù)，接收對(duì)方時(shí)差；
S602：A站和B站分別將接收到的對(duì)方時(shí)差與本地時(shí)差進(jìn)行歷元對(duì)齊；
S603：計(jì)算A站、B站時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間偏差：
S604：計(jì)算A站與B站的時(shí)間差：
其中，TA為A站時(shí)間；TB為B站時(shí)間；TSys為GPS系統(tǒng)時(shí)間；ΔTA為A站時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間偏差；ΔTB為B站時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間偏差。
本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明公開一種基于精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法。該方法利用測量型接收機(jī)測量提取導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位與偽距觀測量，廣播星歷與廣播星鐘，根據(jù)IGS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)載波相位數(shù)據(jù)周跳探測、非差整周模糊度解算，得到本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差。根據(jù)經(jīng)典精密單點(diǎn)定位模型進(jìn)行誤差修正后，利用通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)兩站之間的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1示出基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞工作原理圖。
具體實(shí)施方式
為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明利用IGS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘數(shù)據(jù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理中使用的15天后發(fā)布的最終精密星歷和星鐘數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，解算出本地與導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)差。再通過無線通信模塊將兩站時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，從而完成兩站之間的時(shí)間傳遞。
在進(jìn)行基于精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞過程中，需要將采集到的接收機(jī)偽距與載波相位原始觀測量、以及廣播星歷與星鐘數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中。對(duì)網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時(shí)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，與內(nèi)存中的廣播星歷與星鐘歷元對(duì)齊后進(jìn)行累加。對(duì)存儲(chǔ)的載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行利用MW法結(jié)合電離層短期變化率有限的方法進(jìn)行周跳探測與修復(fù)，利用修復(fù)的載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行非差整周模糊度解算。利用載波相位數(shù)據(jù)得到本地與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差。
圖1為本方法工作原理框圖。A站和B站分別為兩地面站，通過測量型GNSS接收模塊采集偽距和載波相位觀測量，同時(shí)利用無線數(shù)據(jù)接收模塊接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘數(shù)據(jù)，進(jìn)行鐘差解算和誤差修正，得到本地與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)差。
圖中，1是天線到接收機(jī)的電纜，可以認(rèn)為是下行；2指的是代表本地時(shí)間的1PPS(1Pulse per Second)信號(hào)；3指的是本地頻率參考信號(hào)，一般為守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的原子鐘信號(hào)。
圖中顯控與數(shù)據(jù)處理模塊可以認(rèn)為是一個(gè)計(jì)算機(jī)，完成接收機(jī)的控制，接收機(jī)輸出原始數(shù)據(jù)的采集，接收機(jī)輸出原始星歷和導(dǎo)航電文的參數(shù)采集，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)星歷和星鐘數(shù)據(jù)的接收，解碼，插值，對(duì)原始觀測量的修正，粗差探測，周跳探測，鐘差解算，誤差修正等。網(wǎng)絡(luò)通信模塊使用的通信方式為無線或有線。
一種基于精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞方法的具體步驟為：
第一步 利用測量型接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)
在利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間傳遞的過程中，需要選擇測量型接收設(shè)備接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，采集廣播星歷與星鐘數(shù)據(jù)，同時(shí)采集雙頻偽距與載波相位觀測量。測量時(shí)，應(yīng)該采集高度角大于20度的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，每秒采集記錄一次。
第二步 采集IGS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘數(shù)據(jù)
利用無線通信模塊采集IGS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)播的實(shí)時(shí)星歷與星鐘修正數(shù)據(jù)。
第三步 計(jì)算出修正星歷與星鐘數(shù)據(jù)
一般來說，第二步采集的星歷和星鐘修正數(shù)據(jù)具有周期性。要想得到每秒的修正數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行插值。利用插值得到的修正數(shù)據(jù)對(duì)第一步采集的廣播星歷與星鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，即可得到每秒的精密星歷與星鐘數(shù)據(jù)。
第四步 計(jì)算本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的精密時(shí)差
需要對(duì)第一步中采集的載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測與修復(fù)，然后非差整周模糊度解算后，求取本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差。
第五步 對(duì)各誤差因素引起的時(shí)差進(jìn)行修正
利用精密單點(diǎn)定位得到解算結(jié)果后，需要對(duì)各信號(hào)接收頻點(diǎn)的天線相位中心偏移引起的誤差進(jìn)行修正(包括接收天線和衛(wèi)星)，對(duì)衛(wèi)星天線相位的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的延時(shí)進(jìn)行修正，對(duì)地球固體潮、地球自轉(zhuǎn)和海洋填充效應(yīng)引起的天線坐標(biāo)變化進(jìn)行修正。
第六步 交換兩站時(shí)差數(shù)據(jù)完成時(shí)間傳遞
兩站利用無線通信模塊交換誤差修正后的時(shí)差數(shù)據(jù)。各站發(fā)送本地時(shí)差數(shù)據(jù)，同時(shí)在接收到對(duì)方的時(shí)差后，與本站生成的時(shí)差進(jìn)行歷元對(duì)齊，根據(jù)公式計(jì)算得到兩站的時(shí)間傳遞結(jié)果。
為了提高時(shí)差解算過程的收斂速度，需要地面站提供精密測繪坐標(biāo)。同時(shí)，各地面站還需要根據(jù)所使用的測繪型GNSS接收天線，到官方機(jī)構(gòu)查詢?cè)撔吞?hào)天線各頻點(diǎn)相位中心對(duì)于天線參考點(diǎn)(Antenna Reference Point，ARP)的坐標(biāo)偏差，從而得到各頻點(diǎn)天線相位中心的具體坐標(biāo)。
對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星，可以根據(jù)其官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù)查找衛(wèi)星參考坐標(biāo)框架下的相位中心偏移，對(duì)于不同系統(tǒng)不同類型的衛(wèi)星，該偏離量一般都不同。衛(wèi)星天線相位旋轉(zhuǎn)可以通過衛(wèi)星位置與接收機(jī)位置計(jì)算出來。
引起站點(diǎn)坐標(biāo)變化的地球固體潮、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)和海洋填充效應(yīng)需要本地站經(jīng)緯度坐標(biāo)，太陽與月球在地固坐標(biāo)系的位置向量，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、海洋潮汐參數(shù)按照經(jīng)典的精密單點(diǎn)定位相關(guān)公式計(jì)算得到。
將誤差修正后的本地與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)差進(jìn)行站間交換。本站在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收對(duì)方站發(fā)送的時(shí)差，將兩站時(shí)差數(shù)據(jù)對(duì)齊后即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間傳遞。
實(shí)時(shí)星歷與最終星歷相比，數(shù)據(jù)格式定義不同，發(fā)播獲取方式不同，數(shù)據(jù)周期不同、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)產(chǎn)品的使用方法也不同。
顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。