一种多站差分后处理高精度时间同步方法及系统与流程

本发明涉及一种卫星导航高精度授时领域，特别是关于一种多站差分后处理高精度时间同步方法及系统。

背景技术：

卫星导航技术在飞行器上使用非常普遍，提供实时位置和时间。由于卫星接收机各自有各自的时钟源，虽然都接收导航卫星的扩频信息得到同步时间，与世协调时(utc)保持同步，但是受卫星自身时钟源抖动、空间电离层误差干扰、以及卫星导航接收机自身晶振漂移等多种因素影响，一般接收机触发的pps精度相对于utc时间在±30ns量级，卫星接收机两两之间的时间精度可能达到60ns，不满足高度时间同步要求的使用场合应用。

目前比较成熟的卫星共视技术可以使两地间时间高度统一，达到1ns级别，再结合双向比对技术可以更高精度。但是该技术实施的前提是两地卫星导航接收机是静态的，且预先精确测量卫星接收机天线位置，共视同步过程需要10分钟到30分钟之久，无法直接使用在飞行器场合上使用。

技术实现要素：

针对上述多站之间无站间数据链时的高精度时间同步技术难题，本发明的目的是提供一种多站差分后处理高精度时间同步方法及系统，其能使相互间距离为20千米以内的飞行器，快速获取5ns高精度时间同步精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多站差分后处理高精度时间同步系统，其包括安装在每个飞行器上的卫星导航接收机、卫星导航天线、数据传输系统和数据传输系统天线，以及设置在地面接收站的地面接收机系统和数据处理系统；所述卫星导航接收机通过所述卫星导航天线接收卫星导航信号，产生pps秒脉冲信号，产生时刻为ta0、tb0，将所述卫星导航接收机基带原始观测量信息以及ta0、tb0都传输至所述数据传输系统，由所述数据传输系统将接收到的基带原始观测量信息经所述数据传输系统天线发送所述到地面接收机系统，飞行器之间不需要进行通信；所述地面接收机系统同时接收多个飞行器上的所述卫星导航接收机的原始观测量信息，并传输至所述数据处理系统，所述数据处理系统同时解算多个所述卫星导航接收机的原始观测量信息，得到共视卫星，再经过相对差分计算，修正每个接收机触发pps的时标为ta1,tb1，实现多站时间高度同步。

一种基于上述系统的多站差分后处理高精度时间同步方法，其包括以下步骤：1)卫星导航接收机接收导航卫星信号，产生pps秒脉冲信号，卫星导航接收机实时计算出pps的时标分别为ta0和tb0，并输出基带原始观测量信息，通过数据传输系统发送到地面数据接收系统；飞行器上的数据传输系统负责向地面接收系统发送卫星观测量信息；2)数据接收系统接收多个飞行器上的原始观测量信息，并由地面接收站的数据处理系统同时解算多个卫星接收机原始观测量信息，找出共视卫星，再经过相对差分计算，修正每个卫星导航接收机触发pps的时标。

进一步，所述步骤1)中，pps的时标ta0和tb0计算公式如下：

ta0＝tat+tak+tar+δta，tb0＝tbt+tbk+tbr+δtb

式中，tat，tbt分别代表a与b卫星导航接收机自身时钟引入的误差；tak，tbk分别代表a与b卫星导航接收机计算时标时由多颗卫星空间公有误差引入的误差量；tar，tbr代表a与b卫星导航接收机触发pps时刻的理想时标；δta,δtb代表系统噪声。

进一步，所述步骤1)中，卫星导航接收机观测量误差包含接收机公有误差和自有误差，卫星导航接收机公有误差通过伪距差分消除，其方法如下：

卫星导航接收机距离基站在200km以内情况下，利用基站伪距改正数修正卫星导航接收机n的伪距测量值：消除公有误差，即：

式中，δd表示差分后的系统误差；(xn，yn，zn)表示卫星导航接收机n的坐标；表示伪距改正数；表示卫星导航接收机n接收到卫星i的伪距；卫星i的坐标为(xⁱ，yⁱ，zⁱ)；卫星导航接收机n的观测量误差经过上述修正，公有误差基本被消除。

进一步，所述步骤2)中，每个卫星导航接收机触发pps的时标修正包括以下步骤：2.1)以其中任意一个卫星导航接收机为主站，其它卫星导航接收机为从站，然后对主站进行定位解算，获得主站当前时刻位置、速度，以及pps触发时刻的时标，并得到该时刻每个卫星差分修正量信息；2.2)采用主站生成的差分和共视数据参数，处理其它从站卫星导航接收机数据，根据相对差分原理以及卫星共视授时基本原理，重新解算出各个从站差分定位结果，并重新计算出各从站pps秒脉冲触发时刻的时标ta1与tb1，即：

ta1＝tat+tak+tar+δt0，tb1＝tbt+tak+tbr+δt1

式中，tat，tbt分别代表a与b卫星导航接收机自身时钟引入的误差；tak，tbk分别代表a与b卫星导航接收机计算时标时由多颗卫星空间公有误差引入的误差量；tar，tbr代表a与b卫星导航接收机触发pps时刻的理想时标；δta,δtb代表系统噪声；δt0和δt1表示差分和共视处理后卫星导航接收机a与b的系统噪声；卫星接收机两个卫星导航接收机在短基线情况下空间公有误差接近相等，都用主站的tak修正，又采取共视信息，都用同一个颗卫星钟差信息计算各个pps触发的时标，计算出tat与tbt的差值，达到a与b卫星导航接收机时间同步，或时间基准同源。

进一步，所述步骤2.2)中，采用伪距差分相对定位原理，针对飞行器间空间距离小于10km，以其中任意一个载体为基准站，载体上的卫星导航接收机高速运动，基准站基准位置由该飞行器上卫星导航接收机自身单点定为获得，后处理时将计算出的伪距误差存盘，用作其它从站的修正量，即是基站和从站基于同一个误差基准即公有误差，得到从站差分相对位置。

进一步，所述步骤2.2)中，导航卫星共视法包括以下步骤：2.2.1)假设a、b两个卫星导航接收机在两地，同时测量卫星i的信号，那么两卫星导航接收机的伪距观测方程式改写为：

其中，分别为a、b卫星导航接收机对卫星i的伪距测量值，两卫星导航接收机到卫星的几何距离差分处理后是已知的，而两地的接收机距离较近时，两地的电离层和对流层基本相互抵消掉；δta、δtb表示a、b卫星导航接收机的钟差引起的伪距误差量；δtⁱ表示卫星i的钟差引起的伪距误差量；和分别表示a与b卫星导航接收机测量噪声；

2.2.2)将上述步骤中的两式相减可表示为：

其中，(δta-δtb)为a与b两卫星接收机的钟差之差，表示a与b两卫星接收机对卫星i的观测量噪声误差；通过对多个卫星形成观测量方程，计算出a与b卫星导航接收机时钟之差，然后对a与b卫星导航接收机的时钟进行修正，得到同步修正时间。

进一步，所述步骤2)中，共视卫星的寻找方法包括以下步骤：(1)共视基准站发起共视命令报文；(2)共视卫星导航接收机接到共视报文后，发送共视查询报文1类或者2类；(3)共视基准站接收到共视查询报文后，快速匹配共视卫星号；(4)计算当前共视卫星号时差模型，并按照预先设定的频度发送共视数据报文，循环执行；(5)共视卫星导航接收机接收到共视数据报文，对当前共视卫星号pps进行补偿输出，循环执行；(6)如果共视基准站的当前共视卫星失效，回到步骤(1)；(7)如果共视接收机的当前共视卫星失效，回到步骤(2)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于卫星共视基本原理，飞行器不需要接收对方信号，只需要将自身信息发送到地面数据处理中心，由数据处理中心计算飞行器间时间同步误差，使相互间距离20千米以内的飞行器，快速获取5ns高精度时间同步精度。2、本发明不依赖站间数据链进行双向比对时间同步，可简化系统设计难度，降低技术复杂程度。

附图说明

图1站间数据链双向比对时间同步示意图

图2是本发明的系统结构示意图

图3是本发明的技术原理分析示意图

图4是本发明的差分后处理的预处理流程图

图5是本发明的差分后处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种多站差分后处理高精度时间同步系统，其包括安装在每个飞行器上的卫星导航接收机、卫星导航天线、数据传输系统(可以只具有单向发射功能)和数据传输系统天线，以及设置在地面接收站的地面接收机系统和数据处理系统。其中，飞行器上的数据传输系统可以采用只具有单向发射功能的数据传输系统。卫星导航接收机通过卫星导航天线接收卫星导航信号，产生pps秒脉冲信号，产生时刻为ta0、tb0。将卫星导航接收机基带原始观测量信息以及ta0、tb0都传输至数据传输系统，由数据传输系统将接收到的基带原始观测量信息经数据传输系统天线发送到地面接收机系统，飞行器之间不需要进行通信。地面接收机系统同时接收多个飞行器上的卫星导航接收机的原始观测量信息，并传输至数据处理系统，数据处理系统同时解算多个卫星导航接收机的原始观测量信息，得到共视卫星(即多个卫星导航接收机同时使用共同的卫星信号)，再经过相对差分计算，修正每个接收机触发pps的时标为ta1,tb1，达到多站时间高度同步目的。

基于上述系统，本发明提供一种多站差分后处理高精度时间同步方法，其包括以下步骤：

1)卫星导航接收机接收导航卫星信号，产生pps秒脉冲信号，pps秒脉冲信号触发时刻与原始观测量采集时刻一致，卫星导航接收机实时计算出pps的时标分别为ta0和tb0，并输出基带原始观测量信息，通过数据传输系统发送到地面数据接收系统；飞行器上的数据传输系统负责向地面接收系统发送卫星观测量信息，飞行器之间不需要通信。由于a与b是独立工作，ta0和tb0计算时没有消除各种公有误差和自身误差。因此ta0和tb0同步精度很差。

其中，pps的时标ta0和tb0计算公式如下：

ta0＝tat+tak+tar+δta，tb0＝tbt+tbk+tbr+δtb(1)

式中，tat，tbt分别代表a与b卫星导航接收机自身时钟引入的误差；tak，tbk分别代表a与b卫星导航接收机计算时标时由多颗卫星空间公有误差(含卫星钟差)引入的误差量；tar，tbr代表a与b卫星导航接收机触发pps时刻的理想时标；δta,δtb代表系统噪声。

2)数据接收系统接收多个飞行器上的原始观测量信息，并由地面接收站的数据处理系统同时解算多个卫星接收机原始观测量信息，找出共视卫星，再经过相对差分计算，修正每个卫星导航接收机触发pps的时标；

其中，如图4所示，具体包括以下步骤：

2.1)以其中任意一个卫星导航接收机为主站，其它卫星导航接收机为从站。然后对主站进行定位解算，获得主站当前时刻位置、速度，以及pps触发时刻的时标，并得到该时刻每个卫星差分修正量信息。

2.2)如图5所示，采用主站生成的差分和共视数据参数，处理其它从站卫星导航接收机数据，根据相对差分原理以及卫星共视授时基本原理，重新解算出各个从站差分定位结果，并重新计算出各从站pps秒脉冲触发时刻的时标ta1与tb1。即：

ta1＝tat+tak+tar+δt0，tb1＝tbt+tak+tbr+δt1(2)

式中，δt0和δt1表示差分和共视处理后卫星导航接收机a与b的系统噪声。卫星接收机两个卫星导航接收机在短基线情况下空间公有误差接近相等，都用主站的tak修正，又采取共视信息，都用同一个颗卫星钟差信息计算各个pps触发的时标，计算出tat与tbt的差值，达到a与b卫星导航接收机时间同步，或时间基准同源。

由于a与b卫星导航接收机采用各自独立时钟工作，触发pps的时刻并不在同一个时刻，有前后之分，即：经过共视和后差分处理后ta1值不是直接等于tb1值，而是经共视和差分处理，a与b卫星导航接收机使用共同的卫星信息，确保所用卫星钟差一致，相当于a与b的时间基准一致，再借助短基线下空间误差几乎相等，确保了a与b虽然不在同一时刻采样，但是几乎确保a与b使用的是同一个时钟源，确保a与b时间同步。

可以通过(ta0-tbo)-(ta1-tb1)计算验证，该值小于5ns，验证飞行器间相互时钟得到了高度同步。

上述步骤1)中，卫星导航接收机观测量误差包含接收机公有误差和自有误差两部分：

(1)卫星导航接收机公有误差：星历误差、卫星钟误差、电离层误差和对流层误差等；

(2)卫星导航接收机自身误差：内部噪声、通道延迟、多径效应；

卫星导航接收机公有误差可以通过差分方法完全予以消除，自身误差无法消除。

卫星导航接收机公有误差的消除方法如下：

公有误差可以通过伪距差分或载波相位差分消除。由于本发明应用于飞行器场景，飞行器高速飞行，姿态不稳定，导航卫星载波相位难以保证持续稳定锁定，实现载波相位差分难度大，但是完善卫星导航接收机环路跟踪可以稳定锁定扩频码相位，得到稳定伪距，可以通过伪距差分消除公有误差。

通常伪距差分实现过程是在基准站上测量采集导航卫星信息，根据基准站m(也是一个台卫星导航接收机)已知坐标(x0，y0，z0)和卫星i的坐标(xⁱ，yⁱ，zⁱ)，求出各卫星每一时刻与基准站的真实距离rⁱ，如：基准站m到卫星i，则表示为

基准站伪距公式：

式中，为卫星导航接收机到第i颗卫星的伪距；为卫星导航接收机到第i颗卫星的真实距；δtm为卫星导航接收机m的钟差；δtⁱ为第i颗卫星钟差；为卫星i的星历误差；为卫星i传输到m的电离层误差；是卫星i传输到m的大气层误差；c表示光速。

根据卫星星历和基准站m坐标已知可求出卫星i到基准站真实距离则伪距改正数可以表示为：

卫星导航接收机n接收到卫星i的伪距为：

卫星导航接收机距离基站在200km以内情况下，利用基站伪距改正数修正卫星导航接收机n的伪距测量值：可以消除星历误差、电离层误差和对流层误差。即：

即：

式中，δd表示差分后的系统误差。(xn，yn，zn)表示卫星导航接收机n的坐标。

卫星坐标通过星历解出，基站坐标是已知的，差分基站可以给出每颗卫星改正数，卫星导航接收机n的观测量误差经过上述修正，第一类误差基本被消除。

上述步骤2.2)中，采用伪距差分相对定位原理，针对飞行器间空间距离小于10km，以其中任意一个载体为基准站，载体上的卫星导航接收机高速运动，基准站基准位置由该飞行器上卫星导航接收机自身单点定为获得，后处理时将计算出的伪距误差存盘，用作其它从站的修正量，即是基站和从站基于同一个误差基准(第一类误差)，得到从站差分相对位置。

该思路与常规的差分定位原理一样，只不过此处的基站是运动的，基站位置时刻变化。短距离范围内，空间误差一致，以其中一个为基站，修改其它运动的卫星导航接收机，修正后的相对伪距误差减小到1m以内，考虑dop，最终相对定位精度可达1～2m。

上述步骤2.2)中，除采用相对差分定位原理获得高精度相对差分位置外，还采用导航卫星共视法提高时间同步精度。

导航卫星共视法是远距离实现数纳秒级时间同步的一种技术手段。基本原理是任意两地(或多地)的卫星导航接收机对同一颗卫星的时间信号同时测量，从而比较两地的时钟或者振荡器频率。主要步骤如下：

2.2.1)假设a、b两个卫星导航接收机在两地，同时测量卫星i的信号，那么两卫星导航接收机的伪距观测方程式改写如下：

其中，分别为a、b卫星导航接收机对卫星i的伪距测量值，两卫星导航接收机到卫星的几何距离差分处理后是已知的，而两地的接收机距离较近时，两地的电离层和对流层基本相互抵消掉；δta、δtb表示a、b卫星导航接收机的钟差引起的伪距误差量；δtⁱ表示卫星i的钟差引起的伪距误差量；和分别表示a与b卫星导航接收机测量噪声。

2.2.2)将上述步骤中的两式相减可表示为：

其中，(δta-δtb)为a与b两卫星接收机的钟差之差，表示a与b两卫星接收机对卫星i的观测量噪声误差，目前卫星导航接收机噪声都能控制在1m以内。通过对多个卫星形成观测量方程，可计算出a与b卫星导航接收机时钟之差，然后即可对a与b卫星导航接收机的时钟按式(2)进行修正，得到同步修正时间。

综上所述，本发明中数据传输系统单向向地面接收机系统传输数据，而不必进行飞行器间的双向通信，可以避免恶意干扰情况下，飞行器之间无法正常通信，无法高精度时间同步的可能。一般情况下飞行器远离地面接收站，容易被恶意干扰，而地面数据接收系统在地面接收站，不容易被干扰，所以即便飞行器所在位置被恶意干扰，也不影响数据发送，地面收据接收系统任然可以正常接收数据，任然能够通过地面后处理软件计算出每个时刻的高精度相对同步时间。

上述步骤2)中，共视卫星的寻找方法包括以下步骤：

(1)共视基准站发起共视命令报文。

(2)共视卫星导航接收机接到共视报文后，发送共视查询报文1类或者2类。

(3)共视基准站接收到共视查询报文后，快速匹配共视卫星号。

(4)计算当前共视卫星号时差模型，并按照预先设定的频度发送共视数据报文，循环执行。

(5)共视卫星导航接收机接收到共视数据报文，对当前共视卫星号pps进行补偿输出，循环执行。

(6)如果共视基准站的当前共视卫星失效，回到步骤(1)。

(7)如果共视接收机的当前共视卫星失效，回到步骤(2)。

上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。