一种北斗广域授时系统与方法与流程

本发明涉及北斗卫星授时技术领域，特别是一种北斗广域授时系统与方法。

背景技术

准确授时在火箭发射、导弹精确控制、卫星编队飞行等国防军事活动中发挥着重要作用。基于全天候、全球性的卫星导航系统进行高精度时频测量是一项崭新的技术，已经被广泛研究和使用。美国在gps卫星授时方面已经取得重要进展，在参与国际时间比对中占有重要权重，中国的bds(beidounavigationsatellitesystem，北斗卫星导航系统)授时随着基本系统的建设与完善正处在追赶阶段。

当前bds(北斗卫星导航系统)单向授时精度在20-100ns量级，双向授时精度在10-20ns量级，且需要特殊授时终端设备支持；其共视时间传递和全视时间传递可以达到3-5ns精度，但是只能提供点对点的时间服务，不能满足授时中用户数量不限的要求，无法实现单站广域授时服务，用户可操作性差，作用范围有限；且存在仅使用低精度伪距观测值的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种北斗广域授时系统与方法，能实现单站广域授时服务，在满足授时精度高的同时可操作性强，作用范围不受限。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种北斗广域授时方法，包括：

获取各个地面北斗跟踪站网的中国北斗卫星导航系统的相位观测值、伪距观测值；

获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据；

获取中国北斗卫星导航系统卫星星历、地球自转、天线相位中心参数；

对所述相位观测值、伪距观测值、时差监测数据进行数据检查、粗差剔除和周跳探测，得到预处理后的数据；

对所述预处理后的数据进行误差模型修正和精细数据处理，得到轨道、钟差、电离层和时差的修正数据；

对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发；

用户将接收到的修正数据和本机的观测数据进行非差精密授时解算和时差参数修正，得到与标准时间一致的用户本地时间。

可选的，所述获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据，具体包括：

以中国科学院授时中心主钟的时间和频率作为参考，时差监测系统通过接收北斗卫星空间信号的方法确定主钟时间与北斗导航系统时间之间的时差监测值；所述时差监测系统使用接收机基于北斗卫星本身的钟驾驭模式，外接时间计数器，同时直接输入主钟的相应频率信号和时间信号，使接收机时钟与外部时钟保持一致。

可选的，所述对所述预处理后的数据进行误差模型修正和精细数据处理，得到修正数据，具体包括：

实时接收的北斗跟踪站网的观测数据，基于动力学定轨法，通过对实测弧段的卫星轨道进行拟合得到各卫星基准历元的动力学参数，并基于轨道积分方法进行预报，得到各卫星的预报轨道；对所述各卫星的预报轨道进行插值，并与对应历元的广播星历作差，得到轨道修正参数；

利用实时接收的北斗跟踪站网的观测数据以及实时更新的卫星预报轨道建立观测方程，基于最小二乘参数估计方法，对指定弧段内各历元的卫星钟差进行估计；对各历元的卫星钟差值进行拟合以及二次多项式计算，得到各卫星的预报时差监测值；将所述预报时差监测值与对应的广播时差监测值作差，得到时差监测修正参数；

所述卫星星历误差采用接收机钟差对所述卫星星历进行改正，并将改正数据当作高斯白噪声进行估计，得到用户相对于中国科学院授时中心主钟参考时间的本地时间；

将附加电离层先验信息、时间域和空间域有关的约束以及电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，得到电离层格网参数，根据所述相位观测值、伪距观测值和模型精度，配合卫星高度角综合确定北斗广域非差非组合相位观测值的精密授时模型，对非差非组合观测值中电离层延迟误差进行修正；

对固体潮、海潮、极移、相对论效应、天线相位中心偏差变化、相位转绕采用对应的模型进行改正。

可选的，所述对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发，具体包括：

将所述轨道修正参数、时差监测修正参数、电离层格网参数以及相应修正数据进行整合，统一编码后生成rtcm流或电文；

数据中心实时下载和更新最新rtcm流或电文通过网络通信或者卫星转发的手段，将所述电文进行实时播发；具体播发时使用5s的播发间隔。

一种北斗广域授时系统，包括：

北斗跟踪站网观测值获取模块，用于获取各个地面北斗跟踪站网的中国北斗卫星导航系统的相位观测值、伪距观测值；

时差监测数据获取模块，用于获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据；

卫星导航相关参数获取模块，用于获取中国北斗卫星导航系统卫星星历、地球自转、天线相位中心参数；

预处理模块，用于对所述相位观测值、伪距观测值、时差监测数据进行数据检查、粗差剔除和周跳探测，得到预处理后的数据；

修正模块，用于对所述预处理后的数据进行误差模型改正和精细数据处理，得到轨道、钟差、电离层和时差的修正数据；

播发模块，用于对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发；

授时模块，用户采用授时模块将接收到的修正数据和本机的观测数据进行非差精密授时解算和时差参数修正，得到与标准时间一致的用户本地时间。

可选的，所述时差监测数据获取模块，具体包括：

时差监测数据获取单元，用于以中国科学院授时中心主钟的时间和频率作为参考，时差监测系统通过接收北斗卫星空间信号的方法确定主钟时间与北斗导航系统时间之间的时差监测值；所述时差监测系统使用接收机基于北斗卫星本身的钟驾驭模式，外接时间计数器，同时直接输入主钟的相应频率信号和时间信号，使接收机时钟与外部时钟保持一致。

可选的，所述修正模块，具体包括：

轨道参数修正单元，用于实时接收的北斗跟踪站网的观测数据，基于动力学定轨法，通过对实测弧段的卫星轨道进行拟合得到各卫星基准历元的动力学参数，并基于轨道积分方法进行预报，得到各卫星的预报轨道；对所述各卫星的预报轨道进行插值，并与对应历元的广播星历作差，得到轨道修正参数；

时差监测数据修正单元，用于利用实时接收的北斗跟踪站网的观测数据以及实时更新的卫星预报轨道建立观测方程，基于最小二乘参数估计方法，对指定弧段内各历元的卫星钟差进行估计；对各历元的卫星钟差值进行拟合以及二次多项式计算，得到各卫星的预报时差监测值；将所述预报时差监测值与对应的广播时差监测值作差，得到时差监测修正参数；

卫星星历误差修正单元，用于采用接收机钟差对所述卫星星历进行改正，并将改正数据当作高斯白噪声进行估计，得到用户相对于中国科学院授时中心主钟参考时间的本地时间；

电离层延迟误差修正单元，用于将附加电离层先验信息、时间域和空间域有关的约束以及电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，得到电离层格网参数，根据所述相位观测值、伪距观测值和模型精度，配合卫星高度角综合确定北斗广域非差非组合相位观测值的精密授时模型，对非差非组合观测值中电离层延迟误差进行修正；

卫星导航相关参数修正单元，用于对固体潮、海潮、极移、相对论效应、天线相位中心偏差变化、相位转绕采用对应的模型进行改正。

可选的，所述播发模块，具体包括：

编码整合单元，用于将所述轨道修正参数、时差监测修正参数、电离层格网参数以及相应修正数据进行整合，统一编码后生成rtcm流或电文；

实时播发单元，用于数据中心实时下载和更新最新rtcm流或电文通过网络通信或者卫星转发的手段，将所述电文进行实时播发；具体播发时使用5s的播发间隔。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种北斗广域授时系统与方法，通过地面北斗跟踪站网的观测和实验室原子钟组观测，产生高精度的轨道、电离层和时差参数，并通过卫星手段进行播发，用户通过接收精准时空信息，联合本站的高精度相位观测值进行非差授时解算，实现单站广域授时服务采用高精度相位观测值，提高了卫星授时的精度，弥补了常规卫星授时方法中仅使用低精度伪距观测值的局限性，大大提升了授时的精度和稳定性；授时产品通过卫星手段播发，解决了常规卫星授时方法用户数量受限的问题；用户单站即可实现授时，提高了授时的可操作性，且无需通视解决了授时范围受限的问题，提高了可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1北斗广域授时方法的流程示意图；

图2为本发明实施例2北斗广域授时系统的结构示意图；

图3为本发明实施例3北斗广域授时系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供了一种北斗广域授时系统与方法，能实现单站广域授时服务，在满足授时精度高的同时可操作性强，作用范围不受限。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明实施例1北斗广域授时方法的流程示意图。

如图1所示，一种北斗广域授时方法，包括：

步骤101：获取各个地面北斗跟踪站网的中国北斗卫星导航系统的相位观测值、伪距观测值；

步骤102：获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据；

步骤103：获取中国北斗卫星导航系统卫星星历、地球自转、天线相位中心参数；

步骤104：对所述相位观测值、伪距观测值、时差监测数据进行数据检查、粗差剔除和周跳探测，得到预处理后的数据；

步骤105：对所述预处理后的数据进行误差模型改正和精细数据处理，得到轨道、钟差、电离层和时差的修正数据；

步骤106：对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发；

步骤107：用户将接收到的修正数据和本机的观测数据进行非差精密授时解算和时差参数修正，得到与标准时间一致的用户本地时间。

所述步骤102：获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据，具体包括：

以中国科学院授时中心主钟的时间和频率作为参考，时差监测系统通过接收北斗卫星空间信号的方法确定主钟时间与北斗导航系统时间之间的时差监测值；所述时差监测系统使用接收机基于北斗卫星本身的钟驾驭模式，外接时间计数器，同时直接输入主钟的相应频率信号和时间信号，使接收机时钟与外部时钟保持一致。

所述步骤105：对所述预处理后的数据进行误差模型改正和精细数据处理，得到轨道、钟差、电离层和时差的修正数据，具体包括：

实时接收的北斗跟踪站网的观测数据，基于动力学定轨法，通过对实测弧段的卫星轨道进行拟合得到各卫星基准历元的动力学参数，并基于轨道积分方法进行预报，得到各卫星的预报轨道；对所述各卫星的预报轨道进行插值，并与对应历元的广播星历作差，得到轨道修正参数；

利用实时接收的北斗跟踪站网的观测数据以及实时更新的卫星预报轨道建立观测方程，基于最小二乘参数估计方法，对指定弧段内各历元的卫星钟差进行估计；对各历元的卫星钟差值进行拟合以及二次多项式计算，得到各卫星的预报时差监测值；将所述预报时差监测值与对应的广播时差监测值作差，得到时差监测修正参数；

所述卫星星历误差采用接收机钟差对所述卫星星历进行改正，并将改正数据当作高斯白噪声进行估计，得到用户相对于中国科学院授时中心主钟参考时间的本地时间；

将附加电离层先验信息、时间域和空间域有关的约束以及电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，得到电离层格网参数，根据所述相位观测值、伪距观测值和模型精度，配合卫星高度角综合确定北斗广域非差非组合相位观测值的精密授时模型，对非差非组合观测值中电离层延迟误差进行修正；

对固体潮、海潮、极移、相对论效应、天线相位中心偏差变化、相位转绕采用对应的模型进行改正。

所述步骤106：对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发，具体包括：

将所述轨道修正参数、时差监测修正参数、电离层格网参数以及相应修正数据进行整合，统一编码后生成rtcm流或电文；

数据中心实时下载和更新最新rtcm流或电文通过网络通信或者卫星转发的手段，将所述电文进行实时播发；具体播发时使用5s的播发间隔。

实施例2

图2为本发明实施例2北斗广域授时系统的结构示意图。

如图2所示，一种北斗广域授时系统，包括：

北斗跟踪站网观测值获取模块201，用于获取各个地面北斗跟踪站网的中国北斗卫星导航系统的相位观测值、伪距观测值；

时差监测数据获取模块202，用于获取实验室原子钟组的中国北斗卫星导航系统时间与北京时间的时差监测数据；

卫星导航相关参数获取模块203，用于获取中国北斗卫星导航系统卫星星历、地球自转、天线相位中心参数；

预处理模块204，用于对所述相位观测值、伪距观测值、时差监测数据进行数据检查、粗差剔除和周跳探测，得到预处理后的数据；

修正模块205，用于对所述预处理后的数据进行误差模型改正和精细数据处理，得到轨道、钟差、电离层和时差的修正数据；

播发模块206，用于对所述修正数据进行编码，生成电文，并上传到通信卫星进行播发；

授时模块207，用户采用授时模块将接收到的修正数据和本机的观测数据进行非差精密授时解算和时差参数修正，得到与标准时间一致的用户本地时间。

所述时差监测数据获取模块202，具体包括：

时差监测数据获取单元，用于以中国科学院授时中心主钟的时间和频率作为参考，时差监测系统通过接收北斗卫星空间信号的方法确定主钟时间与北斗导航系统时间之间的时差监测值；所述时差监测系统使用接收机基于北斗卫星本身的钟驾驭模式，外接时间计数器，同时直接输入主钟的相应频率信号和时间信号，使接收机时钟与外部时钟保持一致；

具体地，北斗导航系统本质上是一个时间频率系统，其建立和维持的系统时间称之为bdt，是北斗系统运行的时间基准，基于此可以实现地面站和北斗卫星之间的时间及频率的传递。然而基于卫星导航系统对广大用户进行授时，发播utc(coordinateduniversaltime，世界统一时间)的功能的过程中，需要建立bdt与协调世界时utc之间的联系。以utc(ntsc)主钟的时间和频率作为参考，通过接收北斗卫星空间信号的方法确定utc(ntsc)与bdt之间的时差值，时差监测系统采用接收北斗卫星空间信号进行bdt与utc(ntsc)的时差监测，监测系统使用接收机是基于北斗本身的钟驾驭模式，外接时间计数器，同时直接输入utc(ntsc)主钟的1pps频率信号和10mhz时间信号，此时接收机时钟与外部时钟保持一致，以便减少测量误差，提高精度；时差参数的提取技术主要包括两部分：一方面，需要实时监测utc(ntsc)与bdt时差的变化状态。传统的方法是利用单一伪距观测值进行监测，其监测精度还有进一步提升的空间。本发明提出融合载波相位观测值的时差监测方法，进一步提升监测精度，同时保持与传统伪距监测的同时运行，便于两者之间的兼容互操作。另一方面，需要对utc(ntsc)接入的时间信号及频率信号，以及时差监测的硬件系统进行高精度的硬件延迟标定，主要采用接收机模拟器与高精度计数器进行交互式测量。

所述修正模块205，具体包括：

轨道参数修正单元，用于实时接收的北斗跟踪站网的观测数据，基于动力学定轨法，通过对实测弧段的卫星轨道进行拟合得到各卫星基准历元的动力学参数，并基于轨道积分方法进行预报，得到各卫星的预报轨道；对所述各卫星的预报轨道进行插值，并与对应历元的广播星历作差，得到轨道修正参数；

时差监测数据修正单元，用于利用实时接收的北斗跟踪站网的观测数据以及实时更新的卫星预报轨道建立观测方程，基于最小二乘参数估计方法，对指定弧段内各历元的卫星钟差进行估计；对各历元的卫星钟差值进行拟合以及二次多项式计算，得到各卫星的预报时差监测值；将所述预报时差监测值与对应的广播时差监测值作差，得到时差监测修正参数；

卫星星历误差修正单元，用于采用接收机钟差对所述卫星星历进行改正，并将改正数据当作高斯白噪声进行估计，得到用户相对于中国科学院授时中心主钟参考时间的本地时间；

电离层延迟误差修正单元，用于将附加电离层先验信息、时间域和空间域有关的约束以及电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，得到电离层格网参数，根据所述相位观测值、伪距观测值和模型精度，配合卫星高度角综合确定北斗广域非差非组合相位观测值的精密授时模型，对非差非组合观测值中电离层延迟误差进行修正；

卫星导航相关参数修正单元，用于对固体潮、海潮、极移、相对论效应、天线相位中心偏差变化、相位转绕采用对应的模型进行改正。

所述播发模块206，具体包括：

编码整合单元，用于将所述轨道修正参数、时差监测修正参数、电离层格网参数以及相应修正数据进行整合，统一编码后生成rtcm流或电文；

实时播发单元，用于数据中心实时下载和更新最新rtcm流或电文通过网络通信或者卫星转发的手段，将所述电文进行实时播发；具体播发时使用5s的播发间隔。

实施例3

图3为本发明实施例3北斗广域授时系统的结构示意图。

如图3所示，本发明的北斗广域授时系统包括数据端、产品端、通信链路和用户端，在数据端，实验室持续监测bds系统时间与utc(coordinateduniversaltime，世界统一时间)的差异并实时传回到数据中心；全球或区域基准站网观测数据，通过网络通信实时传回到数据中心；数据中心实时下载和更新最新的导航电文、测站信息、各种解算需要的表文件；这些数据共同构成北斗广域精密授时系统的数据源。

在产品端，基于实验室持续跟踪的bds系统时间与utc(ntsc)时间数据，进行分析建模，得到时差监测产品。同时，基于全球或区域基准站的北斗观测数据，进行解算分析，得到全球或区域精密产品(卫星轨道、钟差、电离层)。

通信链路为基于网络通信手段，将各类数据源(原始观测，星历电文，站网信息，表文件，时差观测等)实时传输到数据中心，通过网络或卫星通信手段，将产品端的各类产品进行实时播发。

在用户端，用户基于接收到的精密授时产品和本机的观测数据进行非差精密授时解算和时差参数修正，即可以得到最终的用户授时产品，提供bds精密授时服务。

本发明采用高精度相位观测值，提高了卫星授时的精度。

因载波相位观测值精度约为伪距观测值精度的百倍，本发明采用高精度的相位观测值进行授时计算，弥补了常规卫星授时方法中仅使用低精度伪距观测值的局限性，将大大提升授时的精度和稳定性。授时产品通过卫星手段播发，解决了常规卫星授时方法用户数量受限的问题。

用户单站即可实现精密授时，提高了授时的可操作性，且无需通视解决了授时范围受限的问题。

采用用户单站授时，无需通视条件，大大拓展了授时范围；且常规双频接收机即可以实现高精度授时，简化了授时用户的设备，提高了可操作性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。