本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于多卫星导航系统星载原子钟的多卫星导航系统的时间基准建立方法及系统。
背景技术
时间作为组成卫星导航系统的三大基础要素(时间、轨道、信号)之一，对卫星导航系统起支撑作用，是维护系统正常运行秩序和工作流程的重要保障，在很大程度上决定了卫星导航系统提供定位、授时、测速的功能及性能。
导航系统的时间基准作为卫星导航系统的统一时间参考，是根据守时钟组的对比数据产生的一种时间尺度，导航系统需要将每个星载原子钟的时间统一到时间基准上，发射给用户使用。每个导航系统都建立了专门的时间基准(系统时间)。目前，卫星导航系统时间基准包括如下两种定义方式：
1)主钟：由主控站的主钟定义，如glonass的系统时间glonasst，由地面监控部分配置的若干台高精度的原子钟，经过数据对比到glonasst，溯源至俄罗斯国家标准时间utc(su)，glonass卫星时间由星载原子钟保持，综合控制中心将其与glonasst每天对比两次，将星钟修正值传至卫星；北斗的系统时间bdt也是一种主钟定义的方式，由位于北斗二代地面运控系统主控站的时频系统建立并维持，溯源至中科院国家授时中心utc(ntsc)，采用卫星双向时间传递技术传给每一监测站钟，用无线电双向时间比对技术传递给每一卫星钟，保证系统的时间同步。
2)纸面钟：是一种为合成钟方式，由所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到合成钟。如gps的系统时间为gpst，通过kalman滤波算法，由地面主控站对监测站的高精度原子钟和卫星的星载原子钟的组合钟进行共同加权，建立和维护gpst，溯源至美国海军天文台utc(usno)。galileo的时间系统gst同样采用组合钟定义，由地面控制中心接受来自测站的观测数据，通过共视法获得utc，滤波产生钟差改正数和平均频率，平均频率作用于galileo系统主钟，用于系统基准gst的建立。而且国际gnss服务组织(igs)的时间尺度建立也是一种合成钟的方式，利用几个稳定的测站和gps卫星钟通过加权平均得到一个内部的时间基准，并约束到gpst上，使得最终综合的钟差产品具有相同的时间基准。
由于不同的卫星导航系统在设计理念、时间、轨道、频率等方面存在着差异，导致现有建立时间基准的方法存在以下几个问题：
1)各个系统确定的系统时间存在时间偏差，导致最终求解出的卫星钟差也存在时间偏差；
2)以上各系统在建立和维护各自系统时间基准时并未利用低轨卫星的星载原子钟，在卫星端只用到导航卫星星载原子钟，无法适用于包括各个卫星导航系统和低轨卫星的多卫星导航系统。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明提出了一种多卫星导航系统的时间基准建立方法及系统，能够基于多卫星导航系统星载原子钟，实现连续、稳定的时间基准的建立和维护。
本发明的一个方面，提供了一种多卫星导航系统的时间基准建立方法，包括：
获取多卫星导航系统的地面站gnss观测数据和星载gnss观测数据，分别根据所述地面站gnss观测数据和所述星载gnss观测数据构建对应的地面站观测模型和星载gnss观测模型；
根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差；
根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度；
将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，生成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，以供每一卫星导航系统将所述统一时间基准附加到各自对应的原始钟差上，以获取各自在所述统一时间基准下的卫星钟差。
可选地，所述根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差，包括：
根据预设的参数初始值分别对所述地面站观测模型和星载gnss观测模型进行线性化处理；
采用最小二乘法计算线性化处理后的所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，得到各个卫星导航系统的钟差参数；
将所述各个卫星导航系统的钟差参数约束到各自对应的导航星历。
可选地，所述根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度，包括：
对所述各个卫星导航系统的钟差进行相位转换，得到各个卫星导航系统的频率观测值；
构建每一卫星钟的时钟状态方程，基于所述时钟状态方程构建时钟观测方程；
将各个导航卫星以及低轨卫星对应的卫星钟组合成钟组，根据每一卫星钟的时钟状态方程构建所述钟组的状态方程；
根据所述钟组的状态方程以及所述各个卫星导航系统的频率观测值构建所述钟组的观测方程；
根据所述钟组的观测方程，计算各个卫星钟相对于欲约束到的卫星导航系统的系统时间的频率序列；
根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列，并根据所述时间序列构建所述时间尺度。
可选地，所述根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列包括：
对所述频率序列进行积分运算得到相应的卫星钟时间相对于所述系统时间的时间序列。
可选地，所述将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，形成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，包括：
构建约束算法的状态方程和观测方程；
根据所述约束算法的状态方程和观测方程，采用卡尔曼滤波法计算约束到某一卫星导航系统的系统时间下的时间序列，将该时间序列作为所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准。
本发明的另一个方面，提供了一种多卫星导航系统的时间基准建立系统，包括：
模型构建单元，用于获取多卫星导航系统的地面站gnss观测数据和星载gnss观测数据，分别根据所述地面站gnss观测数据和所述星载gnss观测数据构建对应的地面站观测模型和星载gnss观测模型；
钟差获取单元，用于根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差；
时间尺度建立单元，用于根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度；
时间基准生成单元，用于将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，生成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，以供每一卫星导航系统将所述统一时间基准附加到各自对应的原始钟差上，以获取各自在所述统一时间基准下的卫星钟差。
可选地，所述钟差获取单元，包括：
线性化处理模块，用于根据预设的参数初始值分别对所述地面站观测模型和星载gnss观测模型进行线性化处理；
第一计算模块，用于采用最小二乘法计算线性化处理后的所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，得到各个卫星导航系统的钟差参数；
约束处理模块，用于将所述各个卫星导航系统的钟差参数约束到各自对应的导航星历。
可选地，所述时间尺度建立单元，包括：
相位转换模块，用于对所述各个卫星导航系统的钟差进行相位转换，得到各个卫星导航系统的频率观测值；
第一模型构建模块，用于构建每一卫星钟的时钟状态方程，基于所述时钟状态方程构建时钟观测方程；
第二模型构建模块，用于将各个导航卫星以及低轨卫星对应的卫星钟组合成钟组，根据每一卫星钟的时钟状态方程构建所述钟组的状态方程；
第三模型构建模块，用于根据所述钟组的状态方程以及所述各个卫星导航系统的频率观测值构建所述钟组的观测方程；
第二计算模块，用于根据所述钟组的观测方程，计算各个卫星钟相对于欲约束到的卫星导航系统的系统时间的频率序列；
时间尺度构建模块，用于根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列，并根据所述时间序列构建所述时间尺度。
可选地，所述时间尺度构建模块，具体用于对所述频率序列进行积分运算得到相应的卫星钟时间相对于所述系统时间的时间序列。
可选地，所述时间基准生成单元，包括：
第四模型构建模块，用于构建约束算法的状态方程和观测方程；
第三计算模块，用于根据所述约束算法的状态方程和观测方程，采用卡尔曼滤波法计算约束到某一卫星导航系统的系统时间下的时间序列，将该时间序列作为所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准。
本发明实施例提供的多卫星导航系统的时间基准建立方法及系统，利用涵盖所有系统的地面站网gnss和星载gnss观测数据建立时间基准时，保证了结果的稳定性和可靠性；在时间基准的建立过程中，利用所有星载原子钟形成原子钟组，并通过加权来维持，保证时间基准短周期项更高的稳定度和精度；通过将时间基准最终约束到某一个卫星导航系统时间下，保证了时间基准长周期项的稳定，而且最终获取的各个卫星的钟差具有统一的时间基准，方便了多卫星导航系统数据的融合处理及应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立方法的流程图；
图2为本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立方法中步骤s12的细分流程图；
图3为本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立方法中步骤s13的细分流程图；
图4为本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1示意性示出了本发明一个实施例的多卫星导航系统的时间基准建立方法的流程图。参照图1，本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立方法具体包括以下步骤：
s11、获取多卫星导航系统的地面站gnss观测数据和星载gnss观测数据，分别根据所述地面站gnss观测数据和所述星载gnss观测数据构建对应的地面站观测模型和星载gnss观测模型。
地面站的gnss观测方程为：
星载gnss观测方程为：
式中，f为频率，
s12、根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差。
s13、根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度。
s14、将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，生成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，以供每一卫星导航系统将所述统一时间基准附加到各自对应的原始钟差上，以获取各自在所述统一时间基准下的卫星钟差，实现多卫星导航系统的统一时间基准的卫星钟差。
本发明实施例提供的多卫星导航系统的时间基准建立方法，利用涵盖所有系统的地面站网gnss和星载gnss观测数据建立时间基准时，保证了结果的稳定性和可靠性；在时间基准的建立过程中，利用所有星载原子钟形成原子钟组，并通过加权来维持，保证时间基准短周期项更高的稳定度和精度；通过将时间基准最终约束到某一个卫星导航系统时间下，保证了时间基准长周期项的稳定，而且最终获取的各个卫星的钟差具有统一的时间基准，方便了多卫星导航系统数据的融合处理及应用。
本发明实施例中，如图2所示，步骤s12中的根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差，具体包括以下步骤：
s121、根据预设的参数初始值分别对所述地面站观测模型和星载gnss观测模型进行线性化处理。具体包括：根据预处理后的中高轨gnss卫星地面跟踪数据和低轨卫星的gnss卫星观测数据分别生成中高轨gnss卫星到低轨卫星及地面站的观测距离o；根据预设的参数初始值计算中高轨gnss卫星到低轨卫星及地面站的几何距离；对计算出来的几何距离加以修正，得到中高轨gnss卫星到低轨卫星及地面站的计算距离c；将中高轨gnss卫星到地面站的观测距离o与计算距离c进行差值运算，生成地面站观测模型的先验残差，并将中高轨gnss卫星到低轨卫星的所述观测距离o与所述计算距离c进行差值运算，生成星载gnss观测模型的先验残差；根据各个观测模型中参数向量的近似值，采用观测模型对相应的参数向量计算偏导数，得到地面站观测模型的第一信息矩阵和星载gnss观测模型的第二信息矩阵；根据所述地面站观测模型的先验残差和所述第一信息矩阵构建第一观测模型对应的线性化后的观测方程，以及根据所述星载gnss观测模型的先验残差和所述第二信息矩阵构建第二观测模型对应的线性化后的观测方程。
s122、采用最小二乘法计算线性化处理后的所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，得到各个卫星导航系统的钟差参数。
s123、将所述各个卫星导航系统的钟差参数约束到各自对应的导航星历。
在多gnss导航卫星和低轨卫星融合精密定轨和时间同步中采用简化动力学定轨，估计得出各卫星轨道参数和力模型参数等状态向量、以及地面站、低轨星载钟差参数、导航卫星钟差参数等，同时将各导航卫星的钟差参数约束到各自的导航星历上，即
式中，
本发明实施例中，如图3所示，步骤s13中根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度，具体包括以下步骤：
s131、对所述各个卫星导航系统的钟差进行相位转换，得到各个卫星导航系统的频率观测值。
在具体应用中，通过对不同导航卫星的钟差进行相位变化组成频率观测值，设在某一个时间系统(以orit为例)下卫星j的钟差为
组成频率在orit下的观测值
s132、构建每一卫星钟的时钟状态方程，基于所述时钟状态方程构建时钟观测方程。
单个卫星钟的状态方程可以写成如下形式：
其中
式中，
设钟的allan方差为
则驱动噪声
单个卫星钟的观测方程可以写成如下形式：
式中，n表示测量噪声，一般为白噪声，其方差r为：
式中，
s133、将各个导航卫星以及低轨卫星对应的卫星钟组合成钟组，根据每一卫星钟的时钟状态方程构建所述钟组的状态方程。
以所有系统(包括各个导航系统和低轨卫星)的n个卫星钟构成钟组，则钟组的状态方程为：
对于状态方程，钟组的状态变量
其中
按照每台钟在τ的allan方差
权重的计算公式为：
s134、根据所述钟组的状态方程以及所述各个卫星导航系统的频率观测值构建所述钟组的观测方程。
设
对于观测方程，钟组的观测量
s135、根据所述钟组的观测方程，计算各个卫星钟相对于欲约束到的卫星导航系统的系统时间的频率序列。
s136、根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列，并根据所述时间序列构建所述时间尺度。进一步地，所述根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列包括：对所述频率序列进行积分运算得到相应的卫星钟时间相对于所述系统时间的时间序列
在一个具体实施例中，由kalman滤波即可计算出在新尺度下的钟的钟速和钟漂，以及相对于系统时间orit的一个新的频率尺度序列，记为
然后对上式频率序列积分得到相应的时间序列，记为
本发明实施例中，步骤s14中的将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，形成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，具体包括以下步骤：
构建约束算法的状态方程和观测方程；
根据所述约束算法的状态方程和观测方程，采用卡尔曼滤波法计算约束到某一卫星导航系统的系统时间下的时间序列，将该时间序列作为所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准。
约束到某一系统时间可以利用该系统时间基准稳定的长期项，使新的基准的短周期项更加稳定，同样以约束到orit为例，约束算法的状态方程和观测方程可以表示为：
式中
利用kalman滤波计算约束到原始初度的时间序列
得到多卫星导航系统的统一时间基准之后，每一卫星导航系统将统一的时间基准附加到原始钟差上，获取具有相同时间基准的卫星钟差，实现多系统的统一时空基准的卫星钟差；
将原始的钟差归算到newt,即
即可得到具有统一时间基准的卫星钟差。
本发明实施例建立的多卫星导航系统时间基准，还通过实时的计算更新，保证时间基准长短周期项的稳定性和可靠性。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
图4示意性示出了本发明一个实施例的多卫星导航系统的时间基准建立系统的结构示意图。参照图4，本发明实施例的多卫星导航系统的时间基准建立系统具体包括模型构建单元401、钟差获取单元402、时间尺度建立单元403以及时间基准生成单元404，其中：
模型构建单元401，用于获取多卫星导航系统的地面站gnss观测数据和星载gnss观测数据，分别根据所述地面站gnss观测数据和所述星载gnss观测数据构建对应的地面站观测模型和星载gnss观测模型；
钟差获取单元402，用于根据所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，对所述多卫星导航系统中的导航卫星以及低轨卫星进行联合精密定轨和时间同步，获取各个卫星导航系统的钟差；
时间尺度建立单元403，用于根据所述各个卫星导航系统的钟差构建多卫星导航系统的时间尺度；
时间基准生成单元404，用于将所述时间尺度约束到某一卫星导航系统的系统时间下，生成所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准，以供每一卫星导航系统将所述统一时间基准附加到各自对应的原始钟差上，以获取各自在所述统一时间基准下的卫星钟差。
在本发明的一个可选实施例中，所述钟差获取单元402，包括线性化处理模块、第一计算模块以及约束处理模块，其中：
线性化处理模块，用于根据预设的参数初始值分别对所述地面站观测模型和星载gnss观测模型进行线性化处理；
第一计算模块，用于采用最小二乘法计算线性化处理后的所述地面站观测模型和星载gnss观测模型，得到各个卫星导航系统的钟差参数；
约束处理模块，用于将所述各个卫星导航系统的钟差参数约束到各自对应的导航星历。
在本发明的一个可选实施例中，所述时间尺度建立单元403，包括相位转换模块、第一模型构建模块、第二模型构建模块、第三模型构建模块、第二计算模块以及时间尺度构建模块，其中：
相位转换模块，用于对所述各个卫星导航系统的钟差进行相位转换，得到各个卫星导航系统的频率观测值；
第一模型构建模块，用于构建每一卫星钟的时钟状态方程，基于所述时钟状态方程构建时钟观测方程；
第二模型构建模块，用于将各个导航卫星以及低轨卫星对应的卫星钟组合成钟组，根据每一卫星钟的时钟状态方程构建所述钟组的状态方程；
第三模型构建模块，用于根据所述钟组的状态方程以及所述各个卫星导航系统的频率观测值构建所述钟组的观测方程；
第二计算模块，用于根据所述钟组的观测方程，计算各个卫星钟相对于欲约束到的卫星导航系统的系统时间的频率序列；
时间尺度构建模块，用于根据所述频率序列计算各个卫星钟相对于所述系统时间的时间序列，并根据所述时间序列构建所述时间尺度。
进一步地，所述时间尺度构建模块，具体用于对所述频率序列进行积分运算得到相应的卫星钟时间相对于所述系统时间的时间序列。
在本发明的一个可选实施例中，所述时间基准生成单元404，包括第四模型构建模块和第三计算模块，其中：
第四模型构建模块，用于构建约束算法的状态方程和观测方程；
第三计算模块，用于根据所述约束算法的状态方程和观测方程，采用卡尔曼滤波法计算约束到某一卫星导航系统的系统时间下的时间序列，将该时间序列作为所述多卫星导航系统中各个卫星的统一时间基准。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本发明实施例提供的多卫星导航系统的时间基准建立方法及系统，利用涵盖所有系统的地面站网gnss和星载gnss观测数据建立时间基准时，保证了结果的稳定性和可靠性；在时间基准的建立过程中，利用所有星载原子钟形成原子钟组，并通过加权来维持，保证时间基准短周期项更高的稳定度和精度；通过将时间基准最终约束到某一个卫星导航系统时间下，保证了时间基准长周期项的稳定，而且最终获取的各个卫星的钟差具有统一的时间基准，方便了多卫星导航系统数据的融合处理及应用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。