CN102004258A - 基于多种gnss***融合的时间频率传递方法和接收机 - Google Patents

基于多种gnss***融合的时间频率传递方法和接收机 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，包括：多个GNSS接收模块、外部时钟源和控制器，控制器将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源，以获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号，并将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，以及对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差，经过处理获得本地单站共视数据。本发明实施例能够利用多种免费的GNSS***的多种测量信号进行远程高精度时间频率标准比对，从而实现了多GNSS***融合、多测量信号的融合。

Description

基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法和接收机
技术领域
本发明涉及时间频率校准技术领域，特别涉及一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法和接收机。
背景技术
目前时间频率重要性越来越凸显，主要体现在空间技术领域、计量领域等等，因此越来越多的地方出现了使用时间频率标准的需求。但是，由于许多时间频率标准不易于搬动，而且很多时间频率标准存在需要连续工作，不宜断电等特殊性，因此迫切需要寻找一种远程时间频率传递的方法来对这些时间频率标准进行远程校准。
在1980年国际频控年会上，Allan首次提出了GPS(Global Positioning System，全球定位***)共视法时间传递的原理。1985年GPS共视法被用于远距离时间比对，参加TAI(Temps Atomique International，国际原子时)计算。自20世纪90年代初，GPS共视法开始得到广泛应用。1994年，Allan代表GPS时间传递标准组(GGTTS)，在期刊MetroLogia上发表了“GPS定时接收机软件标准化技术指南”，统一了共视接收机软件的处理过程和单站观测文件的格式，以进一步提高共视比对精度。早期的GNSS时间频率传递接收机生产商主要是美国AOA公司。
从1995年开始，国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)时间部在计算TAI时，依靠各时间实验室的单频单通道GPS共视接收机每天48次跟踪卫星，把全球约50个时间实验室200多台原子钟的观测资料，通过共视比对，统一归算成UTC-UTC(k)，其中，k指各时间实验室。
近年来，GPSC/A码、P3码多通道测量，GLONASS(GLObal NAvigation SatelliteSystem，俄罗斯全球导航卫星***)P码共视，相继出现。不仅使得共视比对连续进行，而且增大了观测数据量，提高了比对精度，Septentrio、AOS、和Dicom等公司都有GPSC/A码、P3码的共视接收机。GPS时间频率传递接收机的目的之一在于得到本地参考时钟和GPS***时或其它参考时间***的比对结果，主要由以下两种工作模式。如图1所示，为现有的工作模式示意图。
其中，工作模式1是指接收机通过自身功能直接锁定到本地参考时间频率源，则通过接收机得到了GPS观测量就是以本地参考时间频率源为基准的，通过数据处理可直接得到本地参考时间频率源与GPS***时或其它参考时间***的比对结果；工作模式2是指接收机不能或不直接锁定到本地时间频率参考源，则需要通过时间间隔计数器测量本地参考时间频率源与接收机内部时钟的关系，再通过数据处理之后间接得到地参考时间频率源与GPS***时或其它参考时间***的比对结果。工作模式1相对于工作模式1来说更加简便易实现，且由于所需的更少的仪器引进了更少的误差，得到了更好质量的结果，但它对接收机功能有一定的要求；工作模式2其性能往往受制于时间间隔计数器的性能。其中，Septentrio公司的产品基于工作模式1，而Dicom和AOS的产品了基于工作模式2。
现有技术存在的缺点是：
1、目前的时间频率传递接收机都是使用单个GNSS***产生各自***的时间频率比对结果，并没有将数据进行融合，这对于结果的可靠性是个巨大的考验，一旦某个***瘫痪，将造成重要不利影响，同时发展其他未来可能的GNSS***基的时间频率传递同样重要，多***的融合可以大大提高接收机的测量精度和工作可靠性。
2、北斗卫星导航***(BeiDou(COMPASS)中文简称‘北斗’)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航***，具备导航、定位和授时等功能，中国高度重视并一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航***，由于其的不断发展，利用COMPASS进行时间频率传递已成为一种必然趋势，但目前还没有基于COMPASS(二代)的粗码、精码及载波相位时间频率传递接收机。另外，发展其他未来可能的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星***)***基的时间频率传递同样重要，多***的融合可以大大提高接收机的测量精度和工作可靠性。
3、由于目前各种GNSS时间频率传递接收机都只生成本地参考与GNSS***参考时间的比对结果，如需比对本地参考与另一方(远程)参考的结果，必须两方数据汇总到一处并进行数据处理方能实现，尚无接收机可单方自动实现此功能。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决以上技术缺陷，提出了一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法和接收机。
为达到上述目的，本发明一方面提出了一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，包括：多个全球导航卫星***(GNSS)接收模块，用于接收多种不同GNSS***的时间频率测量信号；外部时钟源，用于为所述多个GNSS接收模块提供频率信号和1PPS信号；控制器，用于将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源，获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号，并将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，以及对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差，经过CGGTTS(CCTF Group on GNSS Time Transfer Standards，国际时间频率咨询委员会GNSS时间传递标准组)数据处理最终获得本地单站共视数据。
本发明另一方面还提出了一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，包括以下步骤：将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源以获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号；将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，以及对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差，和在进行CGGTTS数据处理之后获得本地单站共视数据。
本发明实施例能够利用多种免费的GNSS***的多种测量信号进行远程高精度时间频率标准比对，同时采用工作模式1，从而实现了多GNSS***融合、多种测量信号的融合。另外，本发明实施例可对各种测量方法以及各个GNSS***获得的本地参考时间分配不同的权值，从而能够进一步提高单站共视数据测量的精度。其次，在本发明的优选实施例中，还可自动获取远程方单站共视数据，并生成校准或比对报告。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有的工作模式示意图；
图2为本发明实施例的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机结构图；
图3为本发明实施例的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
由于近年来，GNSS测量技术的发展，本发明提出了一种基于多种GNSS***及每种GNSS***中的多种测量技术(粗码、精码及载波相位等)的融合的远程高精度时间频率标准校准及比对接收机，从而实现多测量信号融合以提高接收机的测量精度和可靠性。另外，本发明采用网络传输技术下载参考方共视数据对时间频率标准(包括原子钟及钟组等)的一些关键技术指标进行高精度远程校准及比对，其中，包括时刻准确度、时刻稳定度、频率准确度、及频率稳定度，并自动生成校准及比对报告并发送至参考方。
如图2所示，为本发明实施例的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机结构图。该接收机包括多个GNSS接收模块100、外部时钟源200和控制器300。其中，多个GNSS接收模块100用于接收不同GNSS***的时间频率信号，在本发明中至少包括GPS***、GLONASS***和北斗***中的两种，从而提高接收机工作的可靠性，优选地包括我国自主知识产权的北斗***。当然需要在此说明的是，本发明还可适用于今后发展的导航***。外部时钟源200用于为多个GNSS接收模块100提供频率信号和1PPS信号。控制器300用于将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源，获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号，并将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，以及对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差，经过CGGTTS数据处理最终获得本地单站共视数据。
在本发明实施例中，还可对对流层、电离层、sagnec相应、固体潮、相对论效应等误差进行补偿，测定并扣除电缆及转接头、接收机、天线等延迟量，之后再解算观测方程得到双方GNSS接收机的钟差值，从而提高解算精度。
在本发明的优选实施例中，控制器300还用于对每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种进行处理以得到各个GNSS***的相应测量方法的本地参考时间，并对每种测量方法的本地参考时间赋予相应的权值，从而在加权平均后获得每个GNSS***测量的本地参考时间。
在本发明的一个实施例中，根据统计各个GNSS***得到的一定时间段内的历史测量数据的标准差求倒数以获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的各GNSS***时间与世界标准时间UTC之差的不确定度获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；或者，由二者结合获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值。例如，假设在本发明中接收机中包括GPS***、GLONASS***和北斗***，经过上述的分析，为三者各分配32％、34％和34％的权值，并根据赋予的权值进行加权平均。
在本发明的另一个实施例中，根据统计粗码、精码和载波相位测量方法得到的一定时间段的历史测量数据的标准差求倒数获得每种测量方法的相对于各GNSS***时的本地参考时间所相应的权值；或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的粗码、精码和载波相位测量方法的不确定度获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值；或者，由二者结合获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值。例如，假设在本发明中接收机中采用粗码、精码和载波相位测量方法进行测量，经过上述的分析，为三者各分配30％、36％和34％的权值，并根据赋予的权值进行加权平均。
在本发明实施例中，接收机还可显示接收机位置、本地时间、跟踪卫星相关信息，例如伪随机码序列、仰角、方位角、通道状态、信号质量、信噪比、卫星时间、卫星星历等。另外，还可显示时间信息，例如UTC(Temps Universel Coordonné)、GPST、GLONASS***时、BDT等。还可显示本地参考时与UTC、GPST、GLONASS***时、BDT的时差，显示实时相对频偏，显示实时定位信息。另外，本发明实施例的接收机同时也存储结果数据和观测数据存储为CGGTTS格式、RINEX格式。
在本发明的优选实施例中，该接收机还包括网络通信模块，用于自动下载远程方单站共视数据，例如通过FTP、HTTP、telnet等方式。本地或远程方将观测数据存储为固定格式数据，接收机通过特定网络传输方式，例如FTP、HTTP、telnet等自动下载远程方时间频率传递数据，并进行处理得到双方频率标准的时差(时刻准确度)，并进一步得到频差(频率准确度)，以及时刻稳定度和频率稳定度，完成对待校准时间频率标准的校准或比对，并以图示方式显示本地参考单站共视结果及与远程站比对数据，并存储相应文件，生成校准或比对报告。
如图3所示，为本发明实施例的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法流程图，包括以下步骤：
步骤S301，将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源。
步骤S302，获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号。例如，同时获得GPS***、GLONASS***和北斗***的时间频率测量信号。
步骤S303，对每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，在本发明实施例中，还需要对对流层、电离层、sagnec相应、固体潮、相对论效应误差等进行补偿，以及测定并扣除电缆及转接头、接收机、天线等延迟量，解算观测方程得到双方GNSS接收机的钟差值；并为每种测量方法获得相对于各GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均之后获得每个GNSS***的本地参考时间，每种测量方式权值的分配参见以上描述，在此不再赘述。
步骤S304，对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，在加权平均后获得本地参考时间与UTC之差。同样，每种GNSS***的权值分配参见以上描述。
步骤S305，经CGGTTS数据处理后获得本地单站共视数据。
步骤S306，自动下载远程方单站共视数据，例如，通过FTP、HTTP、telnet等方式下载。
步骤S307，根据远程方单站共视数据和本地单站共视数据获得双方频率标准的时差、频差、时刻稳定度和频率稳定度，以完成对待校准时间频率标准的校准或比对，并生成校准或比对报告。
本发明实施例能够利用多种免费的GNSS***的多种测量信号进行远程高精度时间频率标准比对，同时采用工作模式1，从而实现了多GNSS***融合、多种测量信号的融合。另外，本发明实施例可对由各种测量方法以及各个GNSS***获得的相对于各GNSS***时的本地参考时间分配不同的权值，从而能够进一步提高单站共视数据的测量精度。其次，在本发明的优选实施例中，还可自动获取远程方单站共视数据，并生成校准或比对报告。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，其特征在于，包括：
多个全球导航卫星***GNSS接收模块，用于接收多个不同GNSS***的时间频率信号；
外部时钟源，用于为所述多个GNSS接收模块提供频率信号和1PPS信号；和
控制器，用于将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源，以获得多个不同GNSS***的多种时间频率测量信号，并将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的本地参考时间，以及对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差，经过CGGTTS数据处理最终获得本地单站共视数据。
2.如权利要求1所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，其特征在于，
根据统计各个GNSS***得到的一定时间段内的历史测量数据的标准差求倒数以获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；
或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的各GNSS***时间与世界标准时间UTC之差的不确定度获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；
或者，由上述二者相结合获得每个GNSS***的本地参考时间对应的权值。
3.如权利要求1所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，其特征在于，还包括，所述控制器将每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理以得到相对于每个GNSS***时的相应测量方法的本地参考时间，并对每种测量方法的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均后获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间。
4.如权利要求3所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，其特征在于，
根据统计粗码、精码和载波相位测量方法得到的一定时间段的历史测量数据的标准差求倒数获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值；
或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的粗码、精码和载波相位测量方法的不确定度获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值；
或者，由上述二者相结合获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值。
5.如权利要求1所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递接收机，其特征在于，还包括：
网络通信模块，用于自动下载远程方单站共视数据；
所述控制器，还用于根据远程方单站共视数据和本地单站共视数据获得双方参考时间频率标准的时差、频差、时刻稳定度和频率稳定度，以完成对待校准时间频率标准的校准，并生成校准或比对报告。
6.一种基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个GNSS接收模块的参考时间统一同步到本地参考时间频率标准源，以获得多个不同GNSS***的时间频率测量信号；
对每个GNSS***的粗码、精码和载波相位测量中的一种或多种测量量代入观测方程进行处理，并为每种测量方法获得的本地参考时间赋予相应的权值，加权平均之后获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间；
对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值，在加权平均后获得单站的本地参考时间与UTC时间之差；和
在进行CGGTTS数据处理之后获得本地单站共视数据。
7.如权利要求6所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，其特征在于，还包括：
自动下载远程方单站共视数据；和
根据远程方单站共视数据和本地单站共视数据获得双方参考时间频率标准的时差、频差、时刻稳定度和频率稳定度，以完成对待校准时间频率标准的校准，并生成校准或比对报告。
8.如权利要求6所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，其特征在于，所述为每种测量方法获得的本地参考时间赋予相应的权值具体包括：
根据统计粗码、精码和载波相位测量方法得到的一定时间段的历史测量数据的标准差求倒数获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值；
或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的粗码、精码和载波相位测量方法的不确定度获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值；
或者，由上述二者相结合获得每种测量方法的本地参考时间所相应的权值。
9.如权利要求6所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，其特征在于，对相对于每个GNSS***时的本地参考时间赋予相应的权值具体包括：
根据统计各个GNSS***得到的一定时间段内的历史测量数据的标准差求倒数以获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；
或者，根据国际计量局月际公报Cir.T中公布的各GNSS***时间与世界标准时间UTC之差的不确定度获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值；
或者，由上述二者相结合获得相对于每个GNSS***时的本地参考时间对应的权值。
10.如权利要求6所述的基于多种GNSS***融合的时间频率传递方法，其特征在于，还包括：
对对流层、电离层、sagnec相应、固体潮、相对论效应误差进行补偿，以及测定并扣除电缆及转接头、接收机、天线的延迟量。
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