一种基于多星共视和滤波的时间同步装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于多星共视和α-β滤波的时间 同步装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 目前世界上的导航卫星系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS、欧盟的正在建 设中的GALILEO系统，以及我国的卫星导航系统BD-2。此外，许多国家和地区的不同部门和 组织还建立了各自的星基增强系统SBAS，典型的有EGNOS、OmniSTAR、QZSS系统等，可以预 见，未来将是一个多系统融合的全球导航卫星系统（GNSS)时代。但当前各种全球导航卫星 系统，其系统的精度，可靠性和可用性都在一定程度上依赖于可跟踪卫星的数量以及几何 分布情况。由于受这些因素的制约，在峡谷，室内以及地下等比较苛刻的观测环境下，可视 卫星的数量和几何布局就不能满足定位的需求，这时就可以通过使用伪卫星导航定位系统 来解决这个问题。同时，由于导航卫星距离一般都比较远，信号衰减较大，导航信号到达地 面时都比较弱，在战场复杂电磁环境下，极易受到干扰而无法使用，此时位于地面的伪卫星 系统就能够更好解决这个问题。
[0003] 其实伪卫星不仅能够起到替代导航星的作用，而且能够提升整个系统的稳定性， 可靠性以及测量精度，甚至能在室内，地下等无法接收导航卫星信号的地方完全替代导航 卫星星座，从而实现导航定位。过去的二十年里，在定位和导航应用的各个领域，伪卫星已 经得到了充分发展。
[0004] 时间同步是伪卫星导航定位系统中的一个关键技术，时间同步的精度直接关系到 伪卫星导航定位系统定位精度及可用性，建立高精度的时间同步基准对于伪卫星导航定位 系统至关重要。
[0005] 目前，用于伪卫星时间同步的方法主要有GNSS单向时间同步，共视时间同步，双 向测距时间同步，光纤时间同步。其中，GNSS单向时间同步由于受到电离层延时，对流层延 时，卫星星历，钟差等多种因素制约，时间同步精度约为20-30ns，同步精度较差，现实系统 中无法使用；共视时间同步方法只通过同时观测一颗卫星实现站间时间同步，由于两站观 测同一颗卫星信号传播路径非完全相同，站间时间同步精度约为10-15ns ;双向测距时间 同步利用信道的对称性，极大消除共有误差，精度可达1ns，但要求两个伪卫星站必须可视， 在地面容易受到高山，高楼阻挡而无法使用；光纤时间同步方法利用光纤来传递时间同步 信号，时间同步精度最高可达200ps，但远距离铺设光纤代价太大，且极易受到破坏。
【发明内容】
[0006] 为了提供一种同步精度较高，鲁棒性较强且系统代价较低的时间同步方案，能够 应用于需要较高精度时间同步的不同场景，本发明提出了一种基于多星共视和α-β滤波 的时间同步装置及其方法。
[0007] 装置包括：两个伪卫星站内加装的相连的时间同步模块；时间同步模块包括：多 通道接收机模块、通信模块、信息处理与时钟修正模块，其中多通道接收机模块通过无线信 号与卫星相连，并且多通道接收机模块通过信息处理与时钟修正模块与通信模块相连；两 个时间同步模块通过各自的通信模块相连；
[0008] 其中，多通道接收机负责对当前观测卫星伪距的提取和电文解算，信息处理与钟 差修正模块负责对钟差的准确估算，并修正本地时钟，完成时间同步，通信模块负责数据交 换；
[0009] 所述信息处理与钟差修正模块对观测量进行对卫星高度角的进行加权平均，同时 利用钟差数学模型的α-β方法进行滤波，从而准确估计钟差，实现伪卫星站间高精度时 间同步。
[0010] 方法包括：
[0011] 步骤1、分别利用两个伪卫星站A和B的多通道接收机对各自观测到的导航卫星进 行捕获，跟踪和测距，获得被测卫星的位置和相对于伪卫星站A和B的伪距，并计算得到伪 卫星站相对钟差；
[0012] 步骤2、通过计算得到共视区域被测卫星的高度角；
[0013] 步骤3、以卫星共视区域卫星高度角的正弦值作为权值，对最终伪卫星站A和B的 准确钟差进行估计，得到初步观测钟差；
[0014] 步骤4、结合相对钟差模型，对步骤3中获得的初步观测钟差作进一步滤波处理， 消除随机误差影响，提高相对钟差预测的精度。
[0015] 所述步骤1具体包括：
[0016] 通过分别对两个伪卫星所在地进行观测，得到伪卫星站A和B在同一时刻t观测 量：卫星i在t时刻的卫星位置
[0017] 设伪卫星站A和B在时刻t通过卫星i观测的钟差分别为δ tlA和δ t lB，通过对 伪距观测量进行各项误差和延迟的修正，得到A、B两个伪卫星站的钟差分别为：
[0023] c表不;光速，
[0024] rlA，rlB表示卫星i与伪卫星站A、B之间的真实几何距离，〇f 表示卫 星i的三维位置坐标，（xA，yA，zA)，（xB，y B，zB)分别表示伪卫星站A、B准确位置的三维坐标， 通过高精度定位接收机测量获得，δ h表示卫星i的钟差，I iA, IiB分别表示卫星i与伪卫星 A、B之间的电离层延时，TlA, Tib分别表示卫星i与伪卫星A、B之间的对流层延时，ε ιΑ, ε ιΒ 表示伪卫星时间同步系统各种误差的总和；
[0025] 然后两个伪卫星站通过通信交换监测数据，选择同一时刻相同的PRN(pseudo random noise code，伪随机噪声码）的卫星观测方程的两式做差，得到： 、 ...
... ....
[0027] 其中，中间变量：A Iiab= I ιΑ-ΙιΒ，ΔΤιΑΒ= T lA_TlB，Δ ε ιΑΒ= ε ιΑ- ε ιΒ，Δ δ tlAB = δ tlA_ δ tlB，Δ δ tlAB即伪卫星A与B通过观测卫星i所获得相对钟差；
[0028] 通过观测处理获得一组相对于卫星PRN号的伪卫星站相对钟差：(PRN1，Δ δ t1AB)， (PRN2, Δ δ t2AB)，…，（PRNi，Δ δ tlAB)。
[0029] 所述步骤2具体包括：
[0030] 由伪卫星站A或者B在地心地固坐标系中的坐标为（xA, yA, zA)，某卫星i位置坐标 (if),乂⑷，Z"），贝IJ从伪卫星站到卫星i的观测矢量为：
[0032] 由观测矢量[AxiA, AyiA, AziA]T转换为站心坐标系中的向量[AeiA, AniA, AuiA]T 公式为：
[0036] λ A表示伪卫星站A所处位置的地理经度，Φ A表示伪卫星站A所处位置的地理炜 度；则伪卫星站A相对于卫星i的高度角为：
[0038] 同理得到伪卫星站B相对于卫星i的高度角θιΒ;由于共视的两个伪卫星站 之间距离远远小于伪卫星站到导航卫星的距离，所以θ ιΑ~θ ιΒ，取共视区域高度角为
[0039] 所述步骤3具体包括：
[0040] 使用以卫星高度角为变量的正弦函数模型作为权值，对步骤1所得的伪卫星钟差 进行加权平均降低残差项的影响，更加准确估计出两个伪卫星站的相对钟差，从而初步提 高同步精度，得到初步观测钟差为：
[0042] 其中，j = 1,2,…，i，为第i个卫星的编号
Θ jA，Θ #分别为伪卫 星站A相对于卫星j的高度角，Δ δ t]AB为伪卫星A与B通过观测卫星i所获得相对钟差。
[0043] 所述步骤4包括：
[0044] 对于伪卫星站A，B的钟差模型如下：
[0046] 其中，Oi,分别表示伪卫星A时钟的钟差、频差和频偏，41,分别 表示伪卫星B时钟的钟差、频差和频偏，t为时间；以上两式做差，可得伪卫星站A, B的相对 钟差模型为：
[0050] 通过步骤3的初步观测钟差来估计模型中参数< ? 的值， 利用最小二乘法估计方法，用本次钟差之前三个时刻的钟差来估计出模型中参数
[0051] 利用相对钟差模型，预测出当前的钟差为，同时利用多星共视加权得到钟差 StAR，再利用α-β
滤波器，得到最终钟差为：
[0053] 其中α为权值；利用该钟差对伪卫星站本地时钟进行修正，从而完成伪卫星系统 时间同步。
[0054] 本发明的有益效果在于：
[0055] 本发明提出了一种基于多星共视和α-β滤波的时间同步方法，该方法充分利用 了不同高度角卫星观测量误差不同，采用高度角正弦值加权初步估算钟差，又结合钟差数 学模型的α-β滤波进一步消除随机误差。该方法可以在很大程度上消除观测量中的随机 误差，提高了伪卫星站间时间同步精度，而且当出现有部分观测卫星被遮挡时，仍然可以利 用剩下的观测量进行时间同步，比单通道共视时间同步方法抗干扰性更强。同时，当所有卫 星信号在短时间内都被干扰而无法使用时，可以采用相对钟差模型中的预测钟差来进行时 间同步钟差修正，伪卫星系统仍能保持一定时间的时间同步精度。在工程实现较为容易，代 价较低。
【附图说明】
[0056] 图1为基于多星共视和α 滤波的时间同步装置结构框图。
[0057] 图2为基于多星共视和α _β滤波的时间同步方法算法流程图。
【具体实施方式】
[0058] 下面结合附图，对实施例作详细说明。
[0059] 实施例1
[0060] -种基于多星共视和α - β滤波的时间同步装置，如图1所示，包括：两个伪卫星 站内加装的相连的时间同步模块；时间同步模块包括：多通道接收机模块、通信模块、信息 处理与时钟修正模块，其中多通道接收机模块通过无线信号与卫星相连，并且多通道接收 机模块通过信息处理与时钟修正模块与通信模块相连；两个时间同步模块通过各自的通信 丰吴块相连；
[0061] 其中，多通道接收机负责对当前观测卫星伪距的提取和电文解算，信息处理与钟 差修正模块负责对钟差的准确估算，并修正本地时钟，完成时间同步，通信模块负责数据交 换；
[0062] 所述信息处理与钟差修正模块对观测量进行对卫星高度角的进行加权平均，同时 利用钟差数学模型的α-β方法进行滤波，从而准确估计钟差，实现伪卫星站间高精度时 间同步。
[0063] 实施例2
[0064] -种基于多星共视和α - β滤波的时间同步方法，如图2所示，包括：
[0065] 步骤1、分别利用两个伪卫星站A和B的多通道接收机对各自观测到的导航卫星进 行捕获，跟踪和测距，获得被测卫星的位置和相对于伪卫星站A和B的伪距，并计算得到伪 卫星站相对钟差；
[0066] 通过分别对两个伪卫星所在地进行观测，得到伪卫星站A和B在同一时刻t观测 量：卫星i在t时刻的卫星位置
[0067] 设伪卫星站A和B在时刻t通过卫星i观测的钟差分别为δ tlA和δ t lB，通过对 伪距观测量进行各项误差和延迟的修正，得到A、B两个伪卫星站的钟差分别为：
[0073] c表不光速，<