CN109743776B - 一种基于gnss的基站组网时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，能够实现大覆盖范围、高同步精度的时间同步。本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法，与传统基于RTK时间同步方法相比，不需要建设基准站，就能够实现任意20km区域内各站点纳秒级的精密时间同步，具有无中心站点的特点，生存能力强。本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法通过各站点组网与数据交互的交互信息的方式，不仅能够使原本具备拥有共视卫星条件的区域站点保持高精度的时间同步，而且对于没有相同观测卫星或只有部分相同观测卫星的区域也能实现高精度的时间同步，既实现了相邻近的站点之间的高精度同步，又实现了全网络的连续覆盖。

Description

一种基于GNSS的基站组网时间同步方法

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，具体涉及一种基于GNSS的基站组网时间同步方法。

背景技术

在目前许多技术领域中都需要高精度的时间同步(任意10公里以内的两基站时间同步精度小于或等于3ns)，如电力网络、移动通信网络等***，覆盖很大的区域，往往要求在全区域内实现时间同步。同时，在这些***中，相互邻近的站点之间的同步精度又非常关键。例如，移动通信网络的基站要实现多基站协同、物联网定位等功能，就要求移动网络信号相互交叠的基站之间的时间同步精度优于10纳秒，甚至更高。全球导航卫星***(GNSS)具有全天候、全球覆盖、高精度的特性，因而成为实现多站间时间同步的重要手段。

目前基于GNSS的高精度的时间同步技术主要有卫星共视、RTK、PPP等。卫星共视技术能够实现广域覆盖，但其对基站基础硬件设施要求高，一般要在站点布置原子钟，成本较大；RTK实现的时间同步网络的原理主要是基于中心站对导航信号传输路径误差及与卫星有关误差的修正，其覆盖范围是局域性的，且建立中心站的成本往往也较高；基于PPP技术实现的站间时间同步覆盖范围大，精度高，但是需要依赖第三方的增强数据，运行成本高，可靠性不受控。因此，急需一种广域覆盖、高精度同步的一种低成本、可靠性高的时间同步方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，能够实现大覆盖范围、高同步精度的时间同步。

为实现上述目的，本发明的一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1，针对各基站，对该基站所有卫星的时间平均单星钟差估计值进行卫星加权平均，得到该基站初始时间调整量；所述单星钟差估计值为当前时刻卫星伪距与几何距离之差，所述时间平均单星钟差估计值为各个时刻单星钟差估计值的平均值；

步骤2，针对本站所观测的第i颗卫星，(i＝1,2,3......N)，N为本站站点所观测到的卫星总数，计算与本站相通信的其他基站的该卫星的时间偏差；其中，第j个基站下该卫星当前时刻的时间偏差为第j个基站下该卫星的单星钟差估计值与第j个基站初始时间调整量的差值，其中j＝1,2,3,4……n,n为本站所接收到的所有其他站的总数；

获得与本站相通信的各基站下在当前时段对该颗卫星时间偏差的统计均值，利用各统计均值获得当前时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值；

利用当前时段和上一时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值，构造本站所观测的第i颗卫星的最终时间偏差修正值；

根据本站所有卫星的最终时间偏差修正值计算本站站点所在区域内的最优时间调整量修正值；

步骤3，将本站初始时间调整量和所述最优时间调整量修正值相加得到本站最终时间误差ΔT；

步骤4，将时间误差ΔT送入时间误差修正电路，修正本地时间，输出同步脉冲信号和参考频率信号。

其中，所述GNSS卫星信号观测量为原始观测量或统计信息。

其中，所述步骤1中，通过GNSS卫星信号的伪距观测量和基站的位置信息计算出各个卫星的单星钟差估计值；所述卫星加权平均中，卫星加权值与对应卫星仰角和信噪比有关。

其中，所述步骤2包括如下子步骤：

步骤2.1，计算当前时刻第j个基站的第i颗卫星时间偏差：

其中，ΔT_j为第j个基站的初始时间调整量，

为第j个基站的第i个卫星的单星钟差估计值；

获得第j个基站对第i颗卫星当前时段下所有时刻时间偏差的统计均值及方差；

步骤2.2，计算当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

其中，Ω_k为本站所接收到的所有其他站的集合；M_j ⁱ为第j个基站对第i颗卫星当前时段下的时间偏差的统计均值；U_j ⁱ为M_j ⁱ的加权系数，所述加权系数由离本站点距离、观测卫星数目以及被观测次数和时间偏差的方差来确定；

步骤2.3，根据上一时段计算的本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

和当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

构造本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ：

其中，v为调整因子，取值范围0～1；

步骤2.4，根据步骤2.3解算的本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ计算本站点所在区域内的最优时间调整量修正值ΔT_correction：

其中，Wⁱ为第i颗卫星的加权值。

有益效果：

1.本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法，与传统基于RTK时间同步方法相比，不需要建设基准站，就能够实现任意20km区域内各站点纳秒级的精密时间同步，具有无中心站点的特点，生存能力强。

2.本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法通过各站点组网与数据交互的交互信息的方式，不仅能够使原本具备拥有共视卫星条件的区域站点保持高精度的时间同步，而且对于没有相同观测卫星或只有部分相同观测卫星的区域(如图3所示的两个临域站点之间的“南北墙”现象图)也能实现高精度的时间同步，既实现了相邻近的站点之间的高精度同步，又实现了全网络的连续覆盖。

3.与卫星共视技术相比，本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法，不依赖高稳原子钟，只需为时间同步设备配置一般晶振就可以实现高精度的时间同步，且站点之间的数据交互链路可以不依赖有线光纤组网，借助于目前的移动通信网络或数传电台广播就可以实现，因此建设成本低。

4.与传统PPP技术相比，本发明的基于GNSS的基站组网时间同步方法仅需要利用区域其他基站的卫星观测信息，不需要借助于第三方增强数据，即可实现站间高精度时间同步，具有对基础设施依赖低，且自主可控的优势。

附图说明

图1为本发明的基于GNSS的高精度时间同步组网拓扑图。

图2为本发明中GNSS信号接收装置单机信息处理框架图。

图3为两个临域站点之间的“南北墙”现象图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于GNSS的邻域高精度时间同步方法，该方法实现了去中心化，通过各站点组网与数据交互实现区域多站的高精度时间同步，每个站点不仅可以获取本站GNSS卫星信号观测量信息，还可以通过相关接口协议接收其他基站的GNSS卫星信号观测量信息，并将本站的GNSS卫星信号观测量信息通过相关接口协议发播出去，实现大覆盖范围的时间同步。基于GNSS的高精度时间同步组网拓扑图如图1所示。

其中，时间误差统计处理策略思路如下：

首先根据本站GNSS卫星信号观测量计算出本站初始时间调整量，然后根据其他基站GNSS卫星信号观测量计算出本站点所在区域内的最优时间调整量修正值，本站初始时间调整量加上时间调整量修正值即为最终时间误差ΔT。

具体地，在GNSS信号接收装置单机信息处理框架中，GNSS信号接收装置单机在时间误差统计处理模块中，设定一个基站为本站，利用本站GNSS卫星信号的伪距观测量(原始观测量或统计信息)和本站的位置信息计算出本站各个卫星的伪距与几何距离之差，即单星钟差估计值；根据本站所有卫星的单星钟差估计值及对应加权信息获得本站初始时间调整量；获得各基站的初始时间调整量；

步骤1，针对各基站，对该基站所有卫星的时间平均单星钟差估计值进行卫星加权平均，得到该基站初始时间调整量；所述单星钟差估计值为当前时刻卫星伪距与几何距离之差，所述时间平均单星钟差估计值为各个时刻单星钟差估计值的平均值；

步骤2，针对本站所观测的第i颗卫星，(i＝1,2,3......N)，N为本站站点所观测到的卫星总数，计算与本站相通信的其他基站的该卫星的时间偏差；其中，第j个基站下该卫星当前时刻的时间偏差为第j个基站下该卫星的单星钟差估计值与第j个基站初始时间调整量的差值，其中j＝1,2,3,4……n,n为本站所接收到的所有其他站的总数；

获得与本站相通信的各基站下在当前时段对该颗卫星时间偏差的统计均值，利用各统计均值获得当前时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值；

利用当前时段和上一时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值，构造本站所观测的第i颗卫星的最终时间偏差修正值；

根据本站所有卫星的最终时间偏差修正值计算本站站点所在区域内的最优时间调整量修正值；

步骤3，将本站初始时间调整量和所述最优时间调整量修正值相加得到本站最终时间误差ΔT；

步骤4，将时间误差ΔT送入时间误差修正电路，修正本地时间，输出同步脉冲信号和参考频率信号，如PPS时间同步脉冲信号、10MHz参考频率信号、时间信息等。

在时间误差统计处理模块中，可以制定不同的时间误差统计处理策略来获取本站最终时间误差ΔT，具体实现步骤如下：

步骤1，计算第i颗卫星的单星钟差估计值：

其中c为光速，(xⁱ,yⁱ,zⁱ)为通过导航电文解算的第i颗卫星位置坐标，(x₀,y₀,z₀)为该基站的位置坐标，ρⁱ为第i颗卫星的伪距观测量，(i＝1,2,3......N)，N为本站站点所观测到的卫星总数；

根据N个卫星的单星钟差估计值及对应加权信息计算本站初始时间调整量为：

其中，Wⁱ为第i颗卫星的加权值，通常仰角高、信噪比高的卫星给予更大的加权值。

步骤2，根据其他站点的GNSS卫星信号观测量计算本站点所在区域内的最优时间调整量修正值，包括如下子步骤：

步骤2.1，计算当前时刻第j个基站的第i颗卫星时间偏差：

其中，ΔT_j为第j个基站的初始时间调整量，

为第j个基站的第i个卫星的单星钟差估计值，其中j＝1,2,3,4……n,n为本站所接收到的所有其他站的总数；

获得第j个基站对第i颗卫星当前时段下所有时刻时间偏差的统计均值及方差；

步骤2.2，计算当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

其中，Ω_k为本站所接收到的所有其他站的集合；M_j ⁱ为第j个基站对第i颗卫星当前时段下的时间偏差的统计均值；U_j ⁱ为M_j ⁱ的加权系数，所述加权系数由离本站点距离、观测卫星数目以及被观测次数和时间偏差的方差来确定；

步骤2.3，根据上一时段计算的本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

和当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

构造本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ：

其中，v为调整因子，取值范围0～1。

步骤2.4，根据步骤2.3解算的本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ计算本站点所在区域内的最优时间调整量修正值ΔT_correction，计算方法为：

步骤3，计算本站最终时间误差ΔT:

ΔT＝ΔT_origin+ΔT_correction (6)

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，针对各基站，对该基站所有卫星的时间平均单星钟差估计值进行卫星加权平均，得到该基站初始时间调整量；所述单星钟差估计值为当前时刻卫星伪距与几何距离之差，所述时间平均单星钟差估计值为各个时刻单星钟差估计值的平均值；

步骤2，针对本站所观测的第i颗卫星，(i＝1,2,3......N)，N为本站站点所观测到的卫星总数，计算与本站相通信的其他基站的该卫星的时间偏差；其中，第j个基站下该卫星当前时刻的时间偏差为第j个基站下该卫星的单星钟差估计值与第j个基站初始时间调整量的差值，其中j＝1,2,3,4……n,n为本站所接收到的所有其他站的总数；

获得与本站相通信的各基站下在当前时段对该颗卫星时间偏差的统计均值，利用各统计均值获得当前时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值；

利用当前时段和上一时段本站所观测的第i颗卫星的时间偏差修正值，构造本站所观测的第i颗卫星的最终时间偏差修正值；

根据本站所有卫星的最终时间偏差修正值计算本站站点所在区域内的最优时间调整量修正值；

步骤3，将本站初始时间调整量和所述最优时间调整量修正值相加得到本站最终时间误差ΔT；

步骤4，将时间误差ΔT送入时间误差修正电路，修正本地时间，输出同步脉冲信号和参考频率信号；

其中，所述步骤2包括如下子步骤：

步骤2.1，计算当前时刻第j个基站的第i颗卫星时间偏差：

其中，ΔT_j为第j个基站的初始时间调整量，

为第j个基站的第i个卫星的单星钟差估计值；

获得第j个基站对第i颗卫星当前时段下所有时刻时间偏差的统计均值及方差；

步骤2.2，计算当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

其中，Ω_k为本站所接收到的所有其他站的集合；M_j ⁱ为第j个基站对第i颗卫星当前时段下的时间偏差的统计均值；U_j ⁱ为M_j ⁱ的加权系数，所述加权系数由离本站点距离、观测卫星数目以及被观测次数和时间偏差的方差来确定；

步骤2.3，根据上一时段计算的本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

和当前时段本站所观测第i颗卫星时间偏差修正值

构造本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ：

其中，v为调整因子，取值范围0～1；

步骤2.4，根据步骤2.3解算的本站第i颗卫星的最终时间偏差修正值Fⁱ计算本站点所在区域内的最优时间调整量修正值ΔT_correction：

其中，Wⁱ为第i颗卫星的加权值。

2.如权利要求1所述的一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，其特征在于，所述GNSS卫星信号观测量为原始观测量或统计信息。

3.如权利要求1所述的一种基于GNSS的基站组网时间同步方法，其特征在于，所述步骤1中，通过GNSS卫星信号的伪距观测量和基站的位置信息计算出各个卫星的单星钟差估计值；所述卫星加权平均中，卫星加权值与对应卫星仰角和信噪比有关。

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