基于卫星共星rdss与rnss信号的高精度授时与校频方法
【专利摘要】本发明公开了基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，一、接收机接收到同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息；二、将同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息联合解算得到本地时钟频率误差；三、利用所述本地时钟频率误差修正本地时钟，得到卫星地面中心站时钟基准级别的本地频率信号；四、利用三频电离层修正方法修正RNSS和RDSS信号传输中的电离层误差，得到接收机1PPS信号；五、利用所述本地频率信号与所述接收机1PPS信号进行驯钟处理，得到高精度的1PPS信号和高稳频率信号；本发明能够基于卫星共星RDSS与RNSS信号的特点，实现低成本高精度的授时与校频。
【专利说明】
基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法
技术领域
[0001] 本发明属于地球物理中的大地测量的技术领域，具体涉及一种基于卫星共星RDSS 与RNSS信号的高精度授时与校频方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，高精度时间与频率传递在国民经济发展中的地位日趋重 要。目前，基于卫星的授时与校频技术因其高覆盖、高精度等独特的优势成为实现远距离时 间同步的主要方法，持续提高卫星授时与校频性能具有重要的应用价值。目前基于卫星的 授时与校频方法主要有单向授时法、卫星共视法和卫星双向时间比对法三种方法，其中以 卫星双向时间比对法精度最高，但其存在系统复杂，代价高昂等问题，难以大面积使用。在 单向授时法与卫星共视授时法中，要达到较高的授时与校频精度，本地需要配备高精度的 原子频标，代价较高;且单向授时法卫星星历误差、卫星星钟误差、电离层误差对其系统授 时与校频影响较大，在卫星共视授时法中，长基线下电离层残差和共视授时的两地位置也 是系统授时与校频性能一个重要的影响因素。
[0003] 目前在卫星服务中，出现了卫星共星RDSS与多频RNSS信号的服务(例如北斗的GE0 卫星同时播发RDSS与RNSS信号），在高精度授时与校频应用中，传统方法要求本地必须配备 代价高昂的高稳原子钟。具体实现结构如图1所示，传统基于卫星的高精度授时与校频方法 是在本地接收机输出的1PPS秒脉冲信号基础上，以本地高稳晶振配合来消除接收机1PPS的 不确定度。卫星信号接收机可以收到并产生长期平均准确度较高的1PPS信号，但其带有一 定的随机抖动。为了减小随机抖动，将接收机输出的1PPS信号和高稳时钟源的高稳时钟进 行驯钟融合，融合高稳时钟的频率稳定度和1PPS准确度，从而提高1PPS的精度。
[0004] 传统的方法用于高精度授时与校频具有以下缺点：
[0005] 1、卫星本身的星历误差对于授时与校频精度的影响无法消除；
[0006] 2、卫星本身钟差模型的残差对于授时与校频精度的影响无法消除；
[0007] 3、在本地需要配备高稳的原子钟，通过驯钟算法来减小1PPS的准确度，且传统方 法授时与校频精度和本地高稳原子钟的精度级别正相关，代价较高；
[0008] 4、高稳原子钟使用条件苛刻，传统方法使用条件受限。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明提供了一种基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频 方法，能够基于卫星共星RDSS与RNSS信号的特点，实现低成本高精度的授时与校频。
[0010] 实现本发明的技术方案如下：
[0011] 基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一:接收机接收到同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息； [0013]步骤二:将同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息联合解算得到本 地时钟频率误差；
[0014] 步骤三:利用所述本地时钟频率误差修正本地时钟，得到卫星地面中心站时钟基 准级别的本地频率信号；
[0015] 步骤四：利用三频电离层修正方法修正RNSS和RDSS信号传输中的电离层误差，得 到接收机1PPS信号；
[0016] 步骤五:利用所述本地频率信号与所述接收机1PPS信号进行驯钟处理，得到高精 度的1PPS信号和高稳频率信号，从而完成了高精度的授时与校频。
[0017] 进一步地，步骤二的具体过程为：
[0018] 一个RDSS信号和一个RNSS信号的载波信号频率信息利用式(5)和式(6)联合解算：
[0021]其中，为接收机收到的第1个RNSS信号的频率，仏为卫星第1个RNSS信号 发射频率与卫星基准时钟fQ的倍数关系，f%为通过卫星星历修正的卫星频率，1^为卫星第1 个RNSS发射信号的多普勒频率系数，A f2(t)为卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率， A f'TEKt)为通过卫星星历修正的第1个RNSS信号频率电离层影响值，#为接收机的基准频 率，Afr(t)为本地时钟频率误差，为接收机收到的RDSS信号的频率，Mrdss为RDSS地 面站上行信号频率SU与卫星地面中心站的频标f Q中猫的倍数，A f\(t)为RDSS信号地面中心 站至卫星的上行载波多普勒频率，Prdss表示星上转发器频率ST与卫星上的基准频率f Q的倍 数，kRDSS为RDSS信号的多普勒系数，A f〃TEC(t)为通过卫星星历修正的RDSS信号频率电离层 影响值；
[0022]将式(5)和式(6)化简得到：
)
[0026]进一步地，步骤二的具体过程为：
[0027] 一个RDSS信号和两个RNSS信号的载波信号频率信息利用式（11)、式（12)和式（13) 联合解算：
[0031]其中，(^为卫星第1个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数，AfTEC(t)为电离层 对卫星信号1GHz载波频率的影响，(V)为接收机收到的第2个RNSS信号的频率，N2为卫 星第2个RNSS信号发射频率与卫星基准时钟fo的倍数关系，1?为卫星第2个RNSS发射信号的 多普勒频率系数，〇 2为卫星第2个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数，CRDSS为RDSS下行 载波频率相对于1GHz的电离层系数；
[0032] 将式(11)、式(12)和式(13)化简得到： 陶、 /av55(1)(〇 -ci
[0033] 4/2(0 = fmssdfi) ~c2 ^2/0 (14). _A/j￡c(0_ _/rdSS{2)(^} ~^Ri)SS ~CRDSS ^ RDSsf〇ip^il6 ~^ ^RDSs f(l
[0034]根据式（14)解算得到P(t)，
[0035] 从而解獨
[0036]进一步地，步骤二的具体过程为：
[0037] 一个RDSS信号和三个RNSS信号的载波信号频率信息利用式（15)、式（16)、式（17) 和式(18)联合解算：
[0042] 其中，/"到"?)为接收机收到的第3个RNSS信号的频率，N3为卫星第3个RNSS信号 发射频率与卫星基准时钟fQ的倍数关系，A fQ(t)表示卫星基准时钟偏差，k3为卫星第3个 RNSS发射信号的多普勒频率系数，C3为卫星第3个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数；
[0043] 将式(15)、式(16)、式(17)和式(18)化简得到：
[0044] fLssa)^) -h _Ci & H _ fRNSS{D^) ~^2 -免2 ~C2 .4/J)(0 (19) ^3/0 /i,VSS(3)(0 _^3 -c3 4/2(0 __^RDSsf〇<p>b<iii (0 + PjRDSsfo _ /rDSS^ ~^RDSS -女册怒-C?DSS」L每脱' (')」
[0045] 根据式(19)解得P(t)，
[0046] 从而解得.
[0047] 有益效果：
[0048] (1)、本发明方法通过对卫星共星RDSS与RNSS信号载波信息的联合解算，消除卫星 星历误差、卫星钟差、卫星与接收机相对运动影响、电离层误差和本地钟差影响，实现卫星 地面中心站高稳频标向用户的直接高精度传递；
[0049] (2)、本发明方法利用得到高稳的频标信息与接收机输出的1PPS信号进行驯钟融 合，从而能够有效提高授时接收机和授时与校频精度；
[0050] (3)、本发明方法通过在RDSS与RNSS接收机中对接收机输出的同一时刻RDSS与 RNSS信号载波信息进行联合处理在本地得到卫星地面中心站高稳频标，避免了传统高精度 授时与校频中对本地高稳原子频标的依赖；
[0051] (4)、本发明方法在应用中不需要本地高稳原子频标，因此节省了设备成本，且其 在用户静止与用户运动条件下均有较好的结果。相较于传统本地端配备高稳原子频标的高 精度授时与校频方法，该方法的应用环境和条件适用性更好；
【附图说明】
[0052] 图1为传统的基于导航卫星的高精度授时与校频方法结构框图。
[0053] 图2为本方案基于导航卫星的高精度授时与校频方法结构框图。
【具体实施方式】
[0054] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0055] 如图2所示，本发明提供了一种基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校 频方法，包括以下步骤：
[0056]步骤一:在卫星共星的RNSS信号和RDSS信号的接收机的信号跟踪阶段，接收机接 收到同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息；
[0057]步骤二:将同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息联合解算得到本 地时钟频率误差；
[0058]具体计算过程为：
[0059]在以下公式描述中，频率信号采用单位为Hz。
[0060] 以fo表示卫星上的基准频率，fRNSS⑴表示卫星第i个RNSS信号发射频率，则:Ni表示 卫星第i个RNSS信号发射频率与卫星基准时钟fQ的倍数关系，i = 1，2，3;
[0061] fRNSS(i)=Ni*f〇
[0062] 以fo中猫表示卫星地面中心站的频标，Mrdss表示RDSS地面站上行信号频率SU与卫星 地面中心站的频标fo中猫的倍数，对于RDSS信号其上行信号频率SU，可表示为：
[0063] SU=MRDSs*fo 中猫
[0064] ST表示星上转发器频率，PRDSS表示星上转发器频率ST与卫星上的基准频率fo的倍 数关系，可表示为：
[0065] ST = PRDSs*fo
[0066]以fRDSS表示卫星发射的RDSS信号频率，则：
[0067] fRDss = SU+ST = N4 X f X f 〇
[0068]以fi表示卫星第i个RNSS发射信号的标称载波频率，Ci表示卫星第i个RNSS发射信 号相对于1GHz的电离层系数，CRDSS表示RDSS下行载波频率相对于1GHz的电离层系数，可表 示为：
[0069] Ci=1018/fi2 _〇] C應s = 丽
[0071] h表示卫星第i个RNSS发射信号的多普勒频率系数，kRDSS表示RDSS信号的多普勒系 数，即有：
[0072] ki = fi
[0073] kRDSS = fRDSS
[0074] A fKt)表示RDSS信号地面中心站至卫星的上行载波多普勒频率(可事先已知）， Af〇表示卫星基准时钟偏差，八^叹表示电离层对卫星信号1GHz载波频率的影响，Af2(t)表 示卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率。设用户接收机钟差为A fr(t)，基准频率为 _/T，则其地面接收机收到的卫星RDSS与RNSS信号载波频率信息可写如下：
[0077] 在上式中，./fflvssu.t (0和九5SS (〖)是本地接收机直接可测直，^ fi(t)是事先已知直， f〇、f〇中心站是系统已知量，Jif由接收机设计硬件已知量，Ni、MRDSS、PRDSS、ki、kRDSS、CRDSS是已知 量，Af〇(t)、Af2(t)、A fTE「（t )、A fr( t)是未知量。
[0078] 在以下描述中，令
[0079] 根据共星RDSS与不同数量的RNSS信号相组合，结合卫星电文信息，可以不同程度 地消除信号中的误差，解算出不同程度的本地时钟频率误差：
[0080] (1)当一个RDSS信号和一个RNSS信号的载波信号频率信息联合解算时，利用卫星 广播的星钟模型参数和电离层模型参数估计卫星星钟频率误差和电离层误差，将卫星与接 收机相对运动引起的误差和本地时钟频率误差作为未知量求解出来；
[0081 ]由上述可知，一个RDSS与RNSS信号情况下，其信号频率可写为：
[0084]利用卫星星历中广播的卫星钟差模型参数和卫星电离层模型参数化简上面二式 (即AfQ(t)和AfTEC(t)通过卫星星历中的模型参数求解，此情况下存在较大残差），可得：
[0087] 在上式中，f 〇表示通过卫星星历修正的卫星频率，A f TEX(t)表示通过卫星星历 修正的RNSS(l)信号频率电离层影响值，Af〃TEC(t)表示通过卫星星历修正的RDSS信号频率 电离层影响值。如前所述，在上述方程中，未知量为接收机频率误差A fr(t)和卫星至用户 单位频率下的载波多普勒频率A f2(t)。通过下式变换，可得到A fr(t)。
[0089] 解算得到P(t)。
[0091] A fr(t)即为本地时钟频率偏差，在本地通过该偏差调整本地接收机频率，得到高 稳频率信号。
[0092]该种应用模式下，采用卫星广播的星钟模型参数和电离层模型参数来估计卫星星 钟频率误差和电离层误差，其卫星星钟残差和电离层残差未能消除，这两项残差会传递到 本地解算得到的高稳频标信号中，最终影响驯钟之后的授时与校频。
[0093] (2)当一个RDSS信号和两个RNSS信号的载波信号频率信息联合解算时，利用卫星 广播的星钟模型参数估计卫星星钟频率误差，将卫星与接收机相对运动引起的误差、电离 层误差和本地时钟频率误差作为未知量求解出来；
[0094] 一个RDSS与两个RNSS信号情况下，其信号频率可写为：
[0098]利用卫星星历中广播的卫星钟差模型参数化简上面三式（即A fQ(t)通过卫星星 历中的模型参数求解，此情况下存在残差），可得：
[0102] 在上式中，f%表示通过卫星星历修正的卫星频率。如前所述，在上述方程中，未知 量为接收机频率误差A fr(t)和卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率A f2(t)。通过下 式变换，可得到Afr(t)。 /^(O Jrnss(I) (0 -'ci . N
[0103] 4/2^) ~ /avss<2)(〇 -e2 N2fQ (14) _4/t￡C(')- fRWS(2)(言、-knoss -CM)SS _ _M'RDSS.~f〇中心站 + 的_
[0104] 解算得到e(t)。
[0106] A fr(t)即为本地时钟频率偏差，在本地通过该偏差调整本地接收机频率，得到高 稳频率信号。
[0107] 该种应用模式下，采用卫星广播的星钟模型参数来估计卫星星钟频率误差和电离 层误差，其卫星星钟残差未能消除，该残差会传递到本地解算得到的高稳频标信号中，最终 影响驯钟之后的授时与校频。
[0108] (3)当一个RDSS信号和三个RNSS信号的载波信号频率信息联合解算时，将卫星星 钟频率误差、卫星与接收机相对运动引起的误差、电离层误差和本地时钟频率误差作为未 知量求解出来。
[0109] 一个RDSS与三个RNSS信号情况下，其信号频率可写为：
[0114]此情况下，利用卫星钟差AfQ(t)和卫星电离层模型AfTEC(t)均可以方程未知参 量求解，此情况下卫星钟差、电离层误差、卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率影响、 接收机频率误差均作为方程未知参量予以解算），在上述方程中，未知量为接收机频率误差 A fr(t)和卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率A f2(t)。通过下式变换，可得到A fr (t)〇
[0116] 解算得到f](t)。
[0118] A fr(t)即为本地时钟频率偏差，在本地通过该偏差调整本地接收机频率，得到高 稳频率信号。
[0119] 该种应用模式下，卫星的星钟、电离层误差、卫星与接收机相对运动引起的误差、 接收机钟差均作为未知量最终解算消除，实现卫星地面中心站高稳频标到本地的直接传 递，其驯钟后时间和频率信号精度最高。
[0120] 步骤三:利用所述本地时钟频率误差修正本地时钟，得到高精度和高稳定度的本 地频率信号；
[0121] 步骤四：利用三频电离层修正方法修正RNSS和RDSS信号传输中的电离层误差，得 到接收机1PPS信号；
[0122] 步骤五:利用所述本地频率信号与所述接收机1PPS信号进行驯钟处理，得到高精 度的1PPS信号和高稳频率信号，从而完成了高精度的授时与校频。所述驯钟处理是指对时 钟进彳丁调fe以提尚精度和稳定性。
[0123] 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。
【主权项】
1. 基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一:接收机接收到同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息； 步骤二:将同一历元时刻的RNSS和RDSS信号的载波信号频率信息联合解算得到本地时 钟频率误差； 步骤三:利用所述本地时钟频率误差修正本地时钟，得到卫星地面中心站时钟基准级 别的本地频率信号； 步骤四：利用三频电离层修正方法修正RNSS和RDSS信号传输中的电离层误差，得到接 收机1PPS信号； 步骤五:利用所述本地频率信号与所述接收机1PPS信号进行驯钟处理，得到高精度的 1PPS信号和高稳频率信号，从而完成了高精度的授时与校频。2. 如权利要求1所述的基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，其特 征在于，步骤二的具体过程为： 一个RDSS信号和一个RNSS信号的载波信号频率信息利用式(5)和式(6)联合解算：其中，(0为接收机收到的第1个RNSS信号的频率，见为卫星第1个RNSS信号发射频 率与卫星基准时钟fQ的倍数关系，f%为通过卫星星历修正的卫星频率，1^为卫星第1个RNSS 发射信号的多普勒频率系数，Af2(t)为卫星至用户单位频率下的载波多普勒频率，Δ?" TEC (t)为通过卫星星历修正的第1个RNSS信号频率电离层影响值，X为接收机的基准频率，Δ fr( t)为本地时钟频率误差，./(X)为接收机收到的RDSS信号的频率，MRDSS为RDSS地面站上 行信号频率SU与卫星地面中心站的频标f Q中猫的倍数，Δ f\(t)为RDSS信号地面中心站至卫 星的上行载波多普勒频率，Prdss表示星上转发器频率ST与卫星上的基准频率f Q的倍数，kRDSS 为RDSS信号的多普勒系数，Af"TEC(t)为通过卫星星历修正的RDSS信号频率电离层影响值； 将式(5)和式(6)化简得到：其中，艮据式(7)解得Kt)， 从而解得3. 如权利要求1所述的基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，其特 征在于，步骤二的具体过程为： 一个RDSS信号和两个RNSS信号的载波信号频率信息利用式（11)、式（12)和式（13)联合 解算：其中，(^为卫星第1个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数，Δ fTEC(t)为电离层对卫 星信号1GHz载波频率的影响，为接收机收到的第2个RNSS信号的频率，仏为卫星第 2个RNSS信号发射频率与卫星基准时钟f〇的倍数关系，1?为卫星第2个RNSS发射信号的多普 勒频率系数，〇2为卫星第2个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数，CRDSS为RDSS下行载波 频率相对于1GHz的电离层系数； 将式(11)、式(12)和式(13)化简得到：根据式(14)解算得到Kt)， 从而解揭4.如权利要求1所述的基于卫星共星RDSS与RNSS信号的高精度授时与校频方法，其特 征在于，步骤二的具体过程为： 一个RDSS信号和三个RNSS信号的载波信号频率信息利用式（15)、式（16)、式（17)和式 (18)联合解算：其中，./:s^ Μ为接收机收到的第3个RNSS信号的频率，N3为卫星第3个RNSS信号发射频 率与卫星基准时钟fQ的倍数关系，Δ fQ(t)表示卫星基准时钟偏差，k3为卫星第3个RNSS发射 信号的多普勒频率系数， C3为卫星第3个RNSS发射信号相对于1GHz的电离层系数； 将式(15)、式(16)、式(17)和式(18)化简得到：根据式(19)解得Kt)， 从而解揭
【文档编号】H04L7/00GK105959091SQ201610251416
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】袁洪, 徐颖, 欧阳光洲, 刘文学, 魏东岩, 袁超, 李子申
【申请人】中国科学院光电研究院