基于GNSS的国家标准时间亚纳秒级授时方法与流程

本发明涉及一种高精度授时方法，特别涉及一种亚纳秒级授时方法。

背景技术：

确定、保持某种时间尺度，通过一定方式把代表这种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用，这一整套工作在中国称为授时，在其他国家称为时间服务。授时服务为用户提供三种基本信息：一是日期和一天中的时刻，它告诉人们某事发生于何时；二是精密时间间隔，它告诉人们事件发生经历“多长”的时间；三是标准频率，它标注某些事件法的速率。随着人类社会的发展和科学技术的进步，授时技术取得了重大进展。授时服务已经称为国计民生中不可或缺的公益工程，它甚至攸关国家安全。

目前，大多数授时方法都以某种类型的无线电发播为基础。根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、电视授时、互联网授时、电话授时和卫星授时等。各种授时技术的精度如表1所示。其中，卫星授时，信号覆盖范围大，传送精度高，传播衰减小，是目前被广泛采用的高精度授时方法。

表1各种授时技术的精度比较

高精度的卫星授时依赖于gnss高精度的空间基准和时间基准，包括高精度的卫星星历和gnss系统时间，所以也称为gnss授时。同时，授时精度还受卫星信号和传播过程影响，包括信号强度影响、对流层和电离层实验影响以及接收机信号处理时延影响等。gnss授时的基本原理为，在gnss卫星上载有原子钟，地面上的用户可接收发自gnss卫星的时间服务信号来校正本地时钟，使之与gnss时钟同步，完成授时过程。

由于gnss本身的特点，gnss授时存在一定的不足。首先，gnss授时是通过求解用户位置坐标和用户相对gnss系统时间的时间差，进而修正用户时钟实现与gnss系统时间的同步。也就是说，gnss授时基于各导航系统所保持的系统时间，如gpst。而我国的标准时间是中国科学院国家授时中心产生、保持并发布的utc(ntsc)，其100天稳定度可达10^-16，远优于gnss系统时间。如果基于国家标准时间utc(ntsc)授时，可以较大程度的改善gnss授时的稳定度，同时对完善我国授时体系有重要意义。其次，目前的卫星授时精度为10～40ns，无法满足深空探测、物联网、科学实验等领域对时间提出的更高精度的需求。最后，由于导航卫星离地面20000～30000km，卫星信号非常微弱，极容易受到各种恶意干扰，进而影响授时的可靠性。尤其是基于某一种导航系统授时，授时可靠性较低。因此，建立一种高精度，高可靠性且可完善我国标准时间的授时方法是十分迫切的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于gnss的国家标准时间亚纳秒级授时方法，利用该方法能够直接获取国家标准时间utc(ntsc)，完善了我国标准时间授时体系；并且，该方法采用多gnss备份，利用ppp和精密共视等多种技术手段，一方面增加了授时可靠性，另一方面将授时精度从十数纳秒提高到亚纳秒级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)服务端基于igmas和igs跟踪网络产生的gnss观测数据，生成gnss精密卫星钟差产品、精密卫星轨道产品或精密共视数据，而且参考钟设置为我国标准时间utc(ntsc)；

(2)所述的gnss精密卫星钟差产品、精密卫星轨道产品或精密共视数据通过通信网络传播；

(3)用户端通过gnss接收机获取gnss观测数据，通过通信网络接收gnss精密卫星钟差产品、精密卫星轨道产品或精密共视数据；利用gnss精密卫星钟差产品、精密卫星轨道产品进行精密单点定位ppp；利用精密单点定位或精密共视解算utc(ntsc)与本地钟的钟差，对授时中的误差项进行模型改正，从而实现授时，且授时内容为我国标准时间utc(ntsc)。

所述的gnss包括gps、glonass、galileo、bds、qzss、irnss、sbas中的一种或多种组合。

所述的gnss精密卫星钟差产品包括实时产品和事后产品。

所述的通信网络包括卫星通信网络和互联网。

所述的精密共视在亚太地区选择bds系统geo卫星进行共视。

所述的步骤(3)中，同时精密单点定位和精密共视解算utc(ntsc)与本地钟的钟差，相互备份，增加授时的可靠性。

所述的步骤(3)中，当用户站不在共视范围内时，通过增加部署基准站将用户站纳入共视范围；各基准站之间利用双向时间比对技术实现时间同步。

所述的步骤(3)中，当用户站不在共视范围内时，通过增加部署和ntsc建立双向比对链路的基准站将用户站纳入共视范围；各基准站之间利用双向时间比对技术实现时间同步。

本发明的有益效果是：

1、该授时方法的授时内容为我国标准时间utc(ntsc)

通过将gnss精密卫星钟差和轨道产品归算至utc(ntsc)，使授时内容成为我国标准时间。utc(ntsc)是我国自主生成、保持并发布的国家标准时间。授时关系到国计民生甚至国家安全，而利用该方法，可以削弱对gnss系统时间的依赖，增加授时安全性，并完善我国标准时间的授时体系。

2、该授时方法的授时精度为亚纳秒级

该方法采用高精度的授时技术，例如ppp和精密共视，在授时观测中主要采用的是载波相位数据，并利用gnss精密产品对授时中的误差项进行模型改正，将授时精度从目前的十数纳秒提高到了亚纳秒量级，解决了目前授时精度无法满足某些高精度应用需求的问题。

3、该授时方法可靠性较高

相比于利用单一导航系统授时，该方法利用多gnss系统授时，使授时系统不依赖于某一种导航系统，避免了单一导航系统的低可靠性对授时系统的影响。与此同时，该方法采用2种授时技术相互备份，增加授时系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的授时原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的实现主要依靠服务端、通信网络及用户端，包括以下步骤：

服务端基于igmas和igs跟踪网络产生的gnss观测数据，生成gnss精密卫星钟差、轨道产品或精密共视数据。所说的gnss是指gps、glonass、galileo、bds、qzss、irnss、sbas等各大导航系统的一种或多种组合，所说的gnss精密卫星钟差产品包括实时产品及事后产品。精密卫星钟差产品的参考钟设置为我国标准时间utc(ntsc)。utc(ntsc)天稳远优于gpst等各导航系统的系统时间。因此，通过将精密钟差产品的参考钟设置为utc(ntsc)，一方面可以提高授时精度，另一方面可以减少对gnss系统的依赖，并完善我国标准时间的授时体系。仅当用户端采用精密共视手段实现授时，服务端产生精密共视数据。

通信网络可通过卫星或互联网实现。

用户端配置gnss多模(共视)接收机，通过gnss接收机，开展观测，获取gnss观测数据。用户端利用ppp(精密单点定位)或精密共视，解算utc(ntsc)与本地钟的钟差，从而实现授时，且授时内容为我国标准时间utc(ntsc)。所说的精密共视，是指利用卫星载波相位观测数据和gnss精密产品进行共视并数据处理。值得特别关注的是，在亚太地区可以选择bds系统geo卫星进行共视，为双方连续无间断的相互比对提供便利。当用户站不在共视范围内时，可在全球范围内部署多个基准站(优先选择和ntsc建立双向比对链路的站点)，以扩大共视范围。各基准站之间利用双向时间比对技术实现时间同步。

如图1所示，本发明实施例的步骤如下：

基于gnss的国家标准时间亚纳秒级授时方法，主要包括服务端、通信网络及用户端。服务端基于igmas和igs跟踪网络产生的观测数据，生成gnss精密卫星钟差及轨道产品，且精密卫星钟差产品的参考钟设置为我国标准时间utc(ntsc)。仅当用户端采用精密共视手段实现授时，服务端产生精密共视数据。

通信网络可通过卫星或互联网实现。

用户端配置gnss多模(共视)接收机，通过gnss接收机，开展观测，获取gnss观测数据。用户端利用ppp(精密单点定位)或精密共视，解算utc(ntsc)与本地钟的钟差，从而实现授时，且授时内容为我国标准时间utc(ntsc)。所说的精密共视，是指利用卫星载波相位观测数据和gnss精密产品进行共视并数据处理。

本实施例的工作原理叙述如下：

服务端基于igmas/igsmgex跟踪网，igmas分析中心，依据公式(1)、(2)生成以国家标准时间utc(ntsc)为参考的gnss精密星钟差、实时星钟差等产品。通过在国家授时中心ntsc放置外接utc(ntsc)的高精度测地型接收机，将钟差解算的参考钟设置为utc(ntsc)。

其中：

s为卫星号；

r为接收机编号；

j为不同频率的信号；

为伪距观测值；

为相位观测值；

为几何距离，即卫星质量中心到接收机天线参考点的几何距离；

为用码观测值时，接收机天线相位中心相对于接收机参考点的偏差，卫星天线相位中心相对于卫星质心偏差；

为用相位观测值时，接收机天线相位中心相对于接收机参考点偏差，卫星天线相位中心相对于卫星质心偏差；

dr，j为伪距观测时，接收机硬件时延；

为伪距观测时，卫星硬件时延；

δr，j为相位观测时，接收机硬件时延；

为相位观测时，卫星硬件时延；

dtr为接收机钟差；

dt^s为卫星钟差；

为电离层折射延迟的等效距离；

为对流层折射延迟的等效距离；

δt^rel为卫星相对论效应改正；

为整周模糊度；

为相位缠绕误差；

和为未模型化的随机误差，例如接收机噪声，多径等。

当采用精密共视手段授时，服务端利用生成的gnss精密产品，采用多通道gnss共视接收机，对卫星进行观测。基于载波相位数据，依据公式(2)，固定站坐标、轨道，并对传播误差进行精密修正，进而生成精密共视数据。值得特别关注的是，在亚太地区可以选择bds系统geo卫星进行共视，为双方连续无间断的相互比对提供便利。当用户站不在共视范围内时，可在全球范围内部署多个基准站(优先选择和ntsc建立双向比对链路的站点)，以扩大共视范围。各基准站之间利用双向时间比对技术实现时间同步。

通信网络采用常规的网络手段即可满足要求，例如互联网、gprs、通信卫星等。

用户端根据时效性的需求，选择事后、实时gnss精密产品或精密共视数据，利用ppp或精密共视来求解本地钟与utc(ntsc)的钟差。当用户端采用ppp时，依据公式(1)、(2)，利用本地观测数据，即可得到本地钟与utc(ntsc)的钟差，即完成授时。当用户端利用精密共视实现授时，用户端根据公式1生成共视数据后，与服务端产生的共视数据做差，即可得到本地站钟与utc(ntsc)的钟差。值得注意的是，利用精密共视进行授时只需要对用户接收机和服务端的基准接收机进行相对时延校准，避开了接收机绝对时延校准这一项国际难题。