CN101917760A - 一种基于共视原理的单向授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于共视原理的单向授时方法，技术特征在于：将共视原理和虚拟基准站原理应用于转发式卫星导航***的授时，考虑对流层折射时延改正在用户端进行，影响授时精度的最主要原因是星历误差和电离层附加时延改正误差，采用虚拟基准站技术与共视技术对电离层误差与星历误差修正，可实现2ns的授时精度。本发明提出了基于共视原理的单向授时方法，可以改进授时方法，提高授时精度，为卫星导航***地面站间同步、精密测定轨***外场站同步、守时实验室之间同步的需要提供了时间同步。

Description

一种基于共视原理的单向授时方法

技术领域

本发明涉及一种授时方法，特别涉及一种基于共视原理的单向授时方法。

背景技术

时间是目前实现精度最高的物理量，时间的一个显著计量学特征是可以直接将国家标准传递出去，授时是其中的重要环节。授时是将本地时间(一般是国家标准时间)通过一定手段传递出去，采用广播的方式，供多个用户使用，授时***的用户数量不限，用户都与授时主站的时间同步，是非常重要的时间传递方法。

目前的授时方法可分为陆基和星基两种，陆基授时方法主要有短波授时、低频时码授时、长波授时等，发射站在地面，一般覆盖范围小，精度约1ms～1μs。星基授时主要有基于卫星导航***的单向授时(如美国GPS授时)，这种授时方法覆盖范围广，精度能达到10ns量级，是目前精度最高的授时方法。

我国目前的陆基授时***有短波授时、长波授时、低频时码授时，都不能实现全国覆盖，卫星授时有基于北斗一号的授时***，最高精度约20ns。授时***整体落后于发达国家。

精密时间应用是建立在原子钟和授时基础上的，目前原子钟的秒级稳定度已经超过1E-12，但授时***的精度最高的只有10ns量级，已经远远落后于原子钟的精度，急需对目前的授时方法进行改进。有很多场合，例如卫星导航***地面站间同步、精密测定轨***、守时实验室之间的同步等等，都需要优于2ns的时间同步，但由于授时精度不能满足需要，这些应用都采用GNSS共视和卫星双向时间传递技术，这些方法增加了用户的成本和负担，并且只能实现几个用户之间的同步，扩展性不足。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于共视原理的单向授时方法，实现了精度为2ns的授时，可以改进授时方法，提高授时精度，为卫星导航***地面站间同步、精密测定轨***外场站同步、守时实验室之间同步的需要提供了时间同步。

技术方案

一种基于共视原理的单向授时方法，其特征在于：在国内设置定时信号监测站N个，每个站的时间都与国家授时中心的协调世界时同步，每个站放置共视接收机，监测由电离层引起的电离层附加时延τ_i；所述的N∈[3，+∞)的任意整数；i表示不同的监测站且i∈[1，N]的任意整数；具体步骤如下：

步骤1：计算N个监测站由于星历误差而引起的时延差T_i：

首先测量各站的大环时延：

$T_{1i}=\frac{\sqrt{{(X-x)}^2+{(Y-y)}^2+{(Z-z)}^2}+\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{c};$

然后计算各站的广播星历时延：

$T_{2i}=\frac{\sqrt{{(X-x^{\′})}^2+{(Y-y^{\′})}^2+{(Z-z^{\′})}^2}+\sqrt{{(x_i-x^{\′})}^2+{(y_i-y^{\′})}^2+{(z_i-z^{\′})}^2}}{c};$

最后得到各站由星历误差引起的时延差T_i＝(T_1i-T_2i)；

其中(X，Y，Z)是发射站位置，(x，y，z)是卫星真实位置，(x′，y′，z′)是广播星历位置，(x_i，y_i，z_i)为第i个监测站位置，c为光速；

步骤2：N个监测站将各自的由星历引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延，通过通信卫星发送到导航主控站；

步骤3：用户接收由通信卫星广播的各监测站所监测到的由星历误差引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延；

步骤4：根据用户的位置，对距离用户最近三个监测站的由星历误差引起的时延差进行加权平均，权取用户与这三个监测站距离的倒数，得到用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差：

其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，T_i表示所取三个监测站的由星历误差引起的时延差；

步骤6：根据用户的位置，对距离用户最近三个监测站的电离层附加时延进行加权平均，权取用户与这三个监测站距离的倒数，得到用户所在位置的虚拟基准站的电离层附加时延

其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，τ_i表示所取三个监测站的电离层附加时延；

步骤7：用户使用接收机测量用户时间与***时间的偏差T_δ，该时间偏差包括用户时间与***时间的真实偏差、星历误差引起的时延误差和电离层引起的电离层附加时延；

步骤8：将步骤7得到的时间偏差T_δ与步骤5、步骤6得到的用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差T_u和电离层附加时延T′_u作差，为用户时间与***时间的真实偏差，实现了多站共视授时。

有益效果

本发明提出的一种基于共视原理的单向授时方法，将共视原理和虚拟基准站原理应用于转发式卫星导航***的授时，考虑到影响授时精度的最主要原因是星历误差和电离层附加时延改正误差，以星历误差控制在10米以内为例，运用多站加权平均技术，可以将星历误差对授时的影响减小至0.3ns，电离层附加时延改正误差减小至1.1ns，则本授时方法能达到2ns的授时精度，可以满足大部分工程需要。如很多使用双向时间传递和共视时间传递的用户都可以使用基于卫星导航***的授时，不但能极大减小用户负担，而且能将多用户的时间同步到国家标准时间，是有发展前途的授时方法。

附图说明

图1：基于共视原理的单向授时方法图

图2：授时***总体框架图

图3：授时实验平台图

图4：五个用户的星历误差改正图

图5：五个用户电离层附加时延改正误差图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的授时方法实现包括共视法时间传递与虚拟基准站、一种基于通信卫星的授时***、授时精度仿真三部分。

共视法时间传递与虚拟基准站相结合可以提高授时的精度。

基于通信卫星的授时***，包括四部分：1)卫星；2)授时信号产生分***；3)测定轨分***；4)授时信号监测分***。组成结构如错误！未找到引用源。所示。测定轨分***根据测定轨站的测距数据，计算卫星星历，并将星历送到授时信号产生分***。授时信号监测分***可测量本地的UTC(NTSC)与国家标准时间的时差。授时信号监测分***将测量数据送往授时信号产生分***。授时信号产生分***将卫星星历数据、授时信号监测分***的测量数据、及其他数据调制到测距码和载波上，用C波段向卫星发射。卫星采用现有同步轨道面上的通信卫星，卫星接收地面授时信号产生分***上行的授时信号，透明转发后用C波段向用户发射授时信号。

授时精度仿***要是指运用多站加权平均获得星历误差与电离层附加时延对授时的影响。仿真结果如图4、5所示。

现将卫星选为亚太1A卫星，采用2009年8月2日一天内卫星的位置作为卫星实际位置，实际位置加上一定误差作为广播星历。在一天中，星历x方向误差设为：

星历y方向误差设为星历z方向误差设为其中以星历误差A＝10米为例实施本方法：

步骤1：在国内设置定时信号监测站5个，分别为西安、喀什、长春、上海、三亚；每个站的时间都与国家授时中心的协调世界时同步，每个站放置共视接收机，监测由电离层引起的电离层附加时延τ；τ_i表示第i个监测站的电离层附加时延；i∈[1，5]的任意整数；

步骤2：计算5个监测站由于星历误差而引起的时延差T_i，首先测量各站的大环时延

$T_{1i}=\frac{\sqrt{{(X-x)}^2+{(Y-y)}^2+{(Z-z)}^2}+\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{c}.$

然后计算各站的广播星历时延

$T_{2i}=\frac{\sqrt{{(X-x^{\′})}^2+{(Y-y^{\′})}^2+{(Z-z^{\′})}^2}+\sqrt{{(x_i-x^{\′})}^2+{(y_i-y^{\′})}^2+{(z_i-z^{\′})}^2}}{c}$

最后得到各站由星历误差引起的时延差

T_i＝(T_1i-T_2i)

其中(X，Y，Z)是发射站位置，(x，y，z)是卫星真实位置，(x′，y，z′)是广播星历位置，(x_i，y_i，z_i)为第i个监测站位置，i∈[1，5]的任意整数；c为光速；

步骤3：5个监测站将各自的由星历引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延，通过通信卫星发送到导航主控站；

步骤4：用户接收由通信卫星广播的各监测站所监测到的星历误差引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延；

步骤5：选取西宁、呼和浩特、北京、厦门、成都五个用户，根据各用户的位置，对距离各用户最近三个监测站的由星历误差引起的时延差进行加权平均，权取各用户与所取三个监测站距离的倒数，计算出第j个用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差

其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，T_i表示所取三个监测站的由星历误差引起的时延差，j∈[1，5]的整数；

步骤6：根据上述五个用户的位置，对距离各用户最近三个监测站的电离层附加时延进行加权平均，权取各用户与所取三个监测站距离的倒数，计算出第j个用户所在位置的虚拟基准站的电离层附加时延

其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，τ_i表示所取三个监测站的电离层附加时延，j∈[1，5]的整数；

步骤7：各用户使用接收机测量用户时间与***时间的偏差T_νj，该时间偏差包括用户时间与***时间的真实偏差、星历误差引起的时延差与电离层附加时延；

步骤8：将步骤7得到的各用户的时间偏差T_δj与步骤5、步骤6得到的各用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差T_uj和电离层附加时延T′_uj作差，最后得到各用户时间与***时间的真实偏差。

步骤9：为了检验本授时方法的精度，在西宁、呼和浩特、北京、厦门、成都各地仿真星历误差引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延，将各用户星历误差引起的时延差仿真值T_sj与步骤5得到的各用户所在位置的虚拟基准站星历误差引起的时延差T_uj作差比较，将各用户电离层附加时延仿真值T′_sj与步骤6得到的各用户的电离层附加时延T′_uj作差比较。通过比较表明：该授时方法可使电离层附加时延改正误差减小到1.1ns，星历误差对授时的影响减小到0.3ns，共视授时精度可达2ns。

由以上实施例可以看出，本授时的主要特点是将共视与虚拟基准站技术相结合，共视法并不能实现授时，只能实现几个可以相互交换数据的观测站之间的同步。由于星历误差并不能在两个站完全抵消，随着进行比对的用户之间距离的增加，星历误差在两个站的相关性下降，共视法时间比对的精度也随之下降。这一点与伪距差分中用户定位精度随用户与基准站距离增加而急剧降低类似，在定位中，为解决这个问题，出现了虚拟基准站的方法。利用虚拟基准站技术可以将星历误差与电离层附加时延对授时的影响控制在一定的范围内，最终可实现2ns的授时精度。

本发明提出了一种基于共视原理的授时方法，基于精密时间应用是建立在原子钟和授时基础上的，目前原子钟的秒级稳定度已经超过1E-12，但授时***的精度最高的只有10ns量级，已经远远落后于原子钟的精度，而且卫星导航***地面站间同步、精密测定轨***外场站同步、守时实验室之间同步的需要也需要优于2ns的时间同步，但由于授时精度不能满足需要，这些应用都采用GNSS共视和卫星双向时间传递技术，这些方法增加了用户的成本和负担，并且只能实现几个用户之间的同步，扩展性不足。因此急需对目前的授时方法进行改进，提高授时精度。基于现状，通过研究转发式导航与普通的GPS导航***不同之处是：GPS导航信号在卫星上生成，直接由卫星广播，而转发式导航***的导航信号在地面的导航主控站生成，经通信卫星转发器转发，这可以将主站的一些数据实时广播出去。充分利用转发式的特点，提出了基于共视原理的单向授时方法。这种授时方法使用户负担少，不需要附加通信链路，只需单向接收机可以实现2ns的授时精度。可见，基于共视原理的高精度单向授时方法在现有的技术条件下提高了授时精度，是有发展前途和应用前景的授时方法。

Claims (1)

1.一种基于共视原理的单向授时方法，其特征在于：在国内设置定时信号监测站N个，每个站的时间都与国家授时中心的协调世界时同步，每个站放置共视接收机，监测由电离层引起的电离层附加时延τ_i；所述的N∈[3，+∞)的任意整数；i表示不同的监测站且i∈[1，N]的任意整数；具体步骤如下：

步骤1：计算N个监测站由于星历误差而引起的时延差T_i：

首先测量各站的大环时延：

$T_{1i}=\frac{\sqrt{{(X-x)}^2+{(Y-y)}^2+{(Z-z)}^2}+\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{c};$

然后计算各站的广播星历时延：

$T_{2i}=\frac{\sqrt{{(X-x^{\′})}^2+{(Y-y^{\′})}^2+{(Z-z^{\′})}^2}+\sqrt{{(x_i-x^{\′})}^2+{(y_i-y^{\′})}^2+{(z_i-z^{\′})}^2}}{c};$

最后得到各站由星历误差引起的时延差T_i＝(T_1i-T_2i)；

其中(X，Y，Z)是发射站位置，(x，y，z)是卫星真实位置，(x′，y′，z′)是广播星历位置，(x_i，y_i，z_i)为第i个监测站位置，c为光速；

步骤2：N个监测站将各自的由星历引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延，通过通信卫星发送到导航主控站；

步骤3：用户接收由通信卫星广播的各监测站所监测到的由星历误差引起的时延差与电离层引起的电离层附加时延；

步骤4：根据用户的位置，对距离用户最近三个监测站的由星历误差引起的时延差进行加权平均，权取用户与这三个监测站距离的倒数，得到用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差：其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，T_i表示所取三个监测站的由星历误差引起的时延差；

步骤6：根据用户的位置，对距离用户最近三个监测站的电离层附加时延进行加权平均，权取用户与这三个监测站距离的倒数，得到用户所在位置的虚拟基准站的电离层附加时延

其中r_i表示用户位置与所取三个监测站的距离，τ_i表示所取三个监测站的电离层附加时延；

步骤7：用户使用接收机测量用户时间与***时间的偏差T_δ，该时间偏差包括用户时间与***时间的真实偏差、星历误差引起的时延误差和电离层引起的电离层附加时延；

步骤8：将步骤7得到的时间偏差T_δ与步骤5、步骤6得到的用户所在位置的虚拟基准站的星历误差引起的时延差T_u和电离层附加时延T′_u作差，为用户时间与***时间的真实偏差，实现了多站共视授时。

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