一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统及方法，属于时间频率校准领域。本系统包括GPS接收机、时间间隔计数器、本地原子钟和计算机；所述GPS接收机和时间间隔计数器分别与所述计算机连接；所述GPS接收机和本地原子钟分别与所述时间间隔计数器连接；所述时间间隔计数器将本地原子钟输出的1pps信号作为开门脉冲，将GPS接收机输出的1pps信号作为关门脉冲，测量出两个秒脉冲之间的差值，即为时间间隔测量值；所述计算机利用所述差值和从GPS接收机获取的信息生成本地标准格式文件；然后将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对，生成本地的地方标准时间。
【专利说明】一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于时间频率校准领域，具体涉及一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统及方法。
【背景技术】
[0002]时间是国际单位制中七个基本物理量之一，是目前所有物理量中准确度最高的物理量。时间频率的应用范围从重大的科学实验到日常的生活消费，用途都十分广泛。随着卫星导航产业的快速发展，导航相关产品的检测需求不断扩大。导航产品和设备的准确和稳定均是建立在卫星接收模块时间量值准确基础上的，因此卫星接收模块时间量值准确是保证导航设备数据准确可靠的基础。对卫星导航产品进行时间量值传递需要建立准确稳定的地方时间标准，通常由原子钟或钟组组成，即原子时标，可以分为自由时标和驾驭时标，在一个时标的计算过程中，如未加入时频基准的校准(直接或间接)，则产生的时标成为自由时标，反之称为驾驭时标。中国计量院保持的原子时标准确度优于IX 10_13，稳定度优于5X10_14，是我国最高时间频率基准。目前我国各地方时间标准大多为自由时标，由铷或铯原子钟组成，准确度通常在1X10—12，对于校准高精度的导航时间模块显然是不够的。由于原子钟有漂移现象，需要定期进行校准，使用搬运钟可以实现同步，即将原子钟每年搬运到上一级计量单位进行检定校准，但是这样会浪费大量的人力和财力，对于长期加电运行的标准设备更是没有办法实现实时的溯源。而目前国内的驾驭时标也只是溯源到GPS时间，容易依赖于美国GPS系统，并不是一种独立自主的时标。
[0003]GPS共视法是世界上广泛采用的时间频率远程传递方法，传递不确定度可为几个纳秒。共视法是指在一颗GPS卫星的视角内，地球上任何两地的原子钟可以利用同一时间收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对。共视法也是国际原子时合作的主要技术手段之一。目前GPS共视技术已经发展得相当成熟，但是国内还没有利用共视法溯源到国家基准的驾驭时标，而国外GPS共视技术仅限于国家与国家时间频率基准之间的比对，在时间量值传递方面无相关应用，因此无法对卫星导航产品进行实时的时间量值传递。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统及方法，通过GPS共视法使本地原子钟溯源到中国计量院的时间基准UTC (NM)，生成地方时间标准UTC (BM)，同步精度保持在±10ns以内，实现了实时的量值传递，满足导航产品的检测需求。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，包括GPS接收机、时间间隔计数器、本地原子钟和计算机；
[0007]所述GPS接收机和时间间隔计数器分别与所述计算机连接；
[0008]所述GPS接收机和本地原子钟分别与所述时间间隔计数器连接；
[0009]所述时间间隔计数器将本地原子钟输出的Ipps信号作为开门脉冲，将GPS接收机输出的Ipps信号作为关门脉冲，测量出两个秒脉冲之间的差值，即为时间间隔测量值；
[0010]所述计算机利用所述差值和从GPS接收机获取的信息生成本地标准格式文件；然后将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对，生成本地的地方标准时间。
[0011]所述GPS接收机通过串口与计算机相连，时间间隔计数器通过另一个串口与计算机相连；
[0012]GPS接收机和本地原子钟分别为时间间隔计数器提供Ipps脉冲。
[0013]所述GPS接收机采用双频接收机，能够接收CA码、L1/L2双频信号；
[0014]所述时间间隔计数器采用高精度时间间隔计数器；
[0015]所述本地原子钟采用GPS可驯铷原子钟,频率准确度I X 10_12。
[0016]利用GPS接收机在LI和L2两个频段上测得的电离层时延，对时延值进行修正，修正公式如下:
DD PR.! — ? PR、
[0017]PR = ^=.-
卜7(4)
[0018]其中，PRi (i = 1,2)是分别在LI和L2频段上的电离层时延测量值，PR是通过两个频段电离层时延的线性组合计算得到的双频电离层修正值；
[0019]Y用下式计算:
[0020]Y = (fLi/fL2)2 = (1575.42/1227.6)2 = (77/60)2(5)
[0021]fL1和L分别为LI和L2频段的频率。
[0022]所述GPS接收机设置为1nofree的测量模式，能够更精确的修正电离层时延。
[0023]在GPS接收机启动时，使用自动定位功能，先使GPS接收机处于巡游模式，24小时后计算出平均坐标，再设为固定模式，能够获得较高的定位精度。
[0024]利用所述系统实现的一种国家基准驾驭的地方时间标准生成方法，包括:
[0025]在每秒的开门脉冲和关门脉冲过后，下一秒脉冲到来之前，计算机收到时间间隔计数器发来的时间间隔测量值和从GPS接收机获取的相应信息，对其进行处理后得到用于比对的一系列参数，将所有参数写入本地标准格式文件中；
[0026]将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对，生成本地的地方标准时间。
[0027]所述将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对，生成本地的地方标准时间是这样实现的:
[0028]通过对本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件中的参数REFGPS在同PRN、MJD、STTIME条件下作差，得到一系列的差值，剔除差值中的异常数据后，对差值数据进行vondrak滤波,对得到的数据每天求一个平均值,具体如下:
[0029]设国家时间基准产生的时间为t (NM)，本地原子钟产生的时间为t (BM)，t (GPS)为GPS时间，REFGPS(NIM)和REFGPS(BM)分别为两地标准文件中的REFGPS参数值，则:
[0030]REFGPS (NIM) = t (NIM) -t (GPS)(I)
[0031 ] REFGPS (BIM) = t (BIM) _t (GPS)(2)
[0032]REFGPS (NIM)-REFGPS (BIM) = t (NIM)-t (BIM) (3)
[0033]所述t (NIM)即为国家时间基准，利用REFGPS (NIM) -REFGPS (BIM)对本地原子钟进行校准，将校准后的t (BIM)定义为本地的地方标准时间；
[0034]对每天得到一系列的REFGPS (NIM) -REFGPS (BIM)数据序列进行处理，即剔除异常数据后，经过vondrak滤波消除随机噪声，然后求平均值，作为校准本地的地方标准时间的修正值。
[0035]在进行比对的过程中选择卫星仰角30°以上的数据进行计算。
[0036]GPS接收机使用载波相位平滑数据，平滑间隔设为300s。
[0037]所述方法进一步包括:
[0038]对本地的地方标准时间的数据做二次曲线拟合求出预估方程，由历史数据预估出当前数据，从而对本地原子钟发送给导航产品的秒脉冲进行修正，实现量值传递。
[0039]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明实现了由国家时间频率基准驾驭现有时间频率计量标准的工作模式，填补了现有时间频率体系中的空白，从而实现了对卫星导航产品时间量值的传递，为导航产品及设备的检测提供必须的技术基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是本发明国家基准驾驭的地方时间标准生成系统结构图
[0041]图2共视数据比对流程图
[0042]图3共视比对滤波前后曲线图(16min —个点)
[0043]图4共视比对结果曲线图(一天一个点)
[0044]图5用前9天数据预测第10天数据的预估方程曲线图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0046]本发明利用铷原子频率标准、GPS双频接收机以及时间间隔计数器搭建一套GPS共视时间传递系统，生成符合国际计量局制定的标准格式文件；利用本地产生和中国计量院的标准文件进行比对，生成北京市地方标准时间UTC(BM)，使UTC(BM)与国家时间基准UTC(NIM)同步在+1ns以内。
[0047]GPS接收机通过串口 I与计算机相连，时间间隔计数器通过串口 2与计算机相连，GPS接收机和铷原子频标(即图1中的本地原子钟)分别与时间间隔计数器相连接。时间间隔计数器将铷原子频标输出的Ipps信号作为开门脉冲，将GPS接收机输出的Ipps信号作为关门脉冲，测量出两个秒脉冲之间的差值。在每秒的开关门脉冲过后，下一秒脉冲到来之前，计算机会收到时间间隔计数器发来的时间间隔测量值(即铷原子频标与GPS时间的差值)和从GPS接收机获取的相应信息(包括GPS卫星的时间、位置、状态、轨道、星历等等信息)，经过数据处理软件处理后可得到用于比对的一系列参数，最后写入CCTF(时频咨询委员会)规定的标准数据文件(即本地生成的标准文件)中，用于数据比对。图1中从本地原子钟到导航产品的校准是利用比对数据计算出的修正值对本地原子钟的秒脉冲修正后校准导航产品。
[0048]用于比对的参数主要有:PRN，MJD, STTIME, ELV, REFGPS，其中，PRN为卫星的伪随机编码号，其可利用的卫星范围是从I到32。来自GPS解码信息；MJD为跟踪卫星的起始日(参考UTC)，5位数表示的起始日；STHME为跟踪卫星的起始时刻(参考UTC的小时，分钟，秒)。多通道接收机时刻表的排列规律如下:以1997年10月I日O时2分作为起点，时刻表的周期是89个16min，再加上一个12min。因此，每次跟踪时段为16min，STHME便是每次跟踪时段的起始时刻；ELV为实际跟踪时段中点所对应的卫星仰角。单位0.1dgo来自GPS解码信息；REFGPS为实际跟踪时段中点处、本地秒脉冲与GPS秒脉冲之差，单位0.1ns。接收机软件标准化技术指南规定每次跟踪GPS卫星时间为780秒，780秒被分成52个15秒，对每15秒钟测得的时间间隔值用最小二乘法进行二次曲线拟合，分别得到52个曲线中点值，再进行各项时延修正。然后分别再用最小二乘法对52个中点值进行线性拟合，得到直线中点值就是REFGPS。
[0049]利用本地和中国计量院分别生成的标准文件(中国计量院的标准文件由中国计量院提供)进行比对，可以得到两地的钟差(即时差，修正值是一天内的时差求平均值计算出来的)，使本地原子钟溯源到中国计量院的UTC(NM)。图1中UTC(NM)远程校准是指利用GPS作为媒介，两地原子钟分别和GPS作差，这样利用差值数据，UTC(NIM)就可以远程校准本地的原子频标。
[0050]两地标准文件比对过程为:通过对两个标准文件中的参数REFGPS在同PRN、MJD、STTIME条件下作差，得到一系列的差值(一个差值对应一个时间点，每16min—个)即为两地原子钟之间的绝对误差，对差值数据进行分析，可以得到两地时差。设中国计量院原子钟产生的时间为t (NIM)，北京计量院原子钟(即图1中的本地原子钟)产生的时间为t (BIM)，t (GPS)为GPS时间，REFGPS(Nm)和REFGPS(BM)分别为两地标准文件中的REFGPS参数值，由于两地都是以本地秒脉冲作为开门，GPS秒脉冲作为关门，则:
[0051 ] REFGPS (NIM) = t (NIM) _t (GPS)(I)
[0052]REFGPS (BIM) = t (BIM)-t (GPS)(2)
[0053]REFGPS (NIM)-REFGPS (BIM) = t (NIM)-t (BIM) (3)
[0054]中国计量院原子钟产生的时间t(NM)即为国家时间基准UTC(NM)，由式(3)，北京计量院原子钟产生的时间t(BM)通过REFGPS的差值校准后可溯源到UTC(NM)(利用REFGPS (NIM) -REFGPS (BIM)来校准)，将校准后的t (BIM)定义为北京计量院的地方标准时间UTC(BIM)(即图1中计算机输出的)。这样每天可以得到一系列的(REFGPS (NIM) -REFGPS (BIM))，对此数据序列剔除异常数据后，经过vondrak滤波消除随机噪声，然后求平均值，作为校准UTC (BIM)的修正值。
[0055]为了使UTC(BM)与UTC(NM)同步在±50ns以内，采用以下措施提高同步精度:
(I)选用双频接收机，可以更精确地修正电离层时延；(2)接收机设置于位置固定模式；(3)仰角选择30°以上的数据进行计算。
[0056]生成的UTC(BM)要为卫星导航产品提供实时的量值传递，需要经过实时修正的秒脉冲，因此对UTC(BIM)的数据做二次曲线拟合求出预估方程，由历史数据预估出当前数据，从而对秒脉冲(是本地原子钟发送给导航产品的)进行修正，实现量值传递。
[0057]如图1所示，本发明的硬件构成为铷原子频率标准、GPS接收机、时间间隔计数器和计算机。在本发明的优选实施例中，GPS接收机选用JAVAD公司生产的SIGMA型号的接收机，能接收CA码、L1/L2双频信号，更精确的测量电离层时延，从而得到更高的定时精度。在时间间隔测量方面，选用的是SRS公司的SR-620高精度时间间隔计数器，最高分辨精度达到25ps。铷原子频率标准为福禄克公司生产的910R型号GPS可驯铷原子钟，频率准确度I X 10_12。GPS接收机通过串口 I与计算机相连，时间间隔计数器通过串口 2与计算机相连，接收机和铷原子频标分别为时间间隔计数器提供Ipps脉冲。
[0058]为了提高比对精度，减小同步误差，需对接收机进行必要的设置，下面进行详细说明:
[0059](I)双频接收机可以利用电离层对微波信号的影响具有色散特性，用L1/L2两个频率上测得的电离层时延，计算出更精确的时延值，修正公式如下:
… 限一.'.PR'
[0060]pR = ~-
1-7(4)
[0061]其中，PRi (i = 1,2)是分别在LI和L2频段上的电离层时延测量值，PR是通过两个频段电离层时延的线性组合计算得到的双频电离层修正值。而Y用下式计算:
[0062]Y = (fL1/fL2)2 = (1575.42/1227.6)2 = (77/60)2(5)
[0063]由于两个频段的电离层延时不一样，通过修正公式(4)、(5)可以更好的对电离层时延进行修正。
[0064]接收机有4种伪距测量类型:ca码、pi码、p2码和1nofree,前3种是只用一种码进行的单频测量，而1nofree是前3种码的组合，这种测量模式是用双频实测电离层时延来修正伪距，因此其结果是不受电离层影响的。接收机设置为1nofree的测量模式，可以更精确的修正电离层时延。
[0065](2)接收机天线坐标是否准确是影响比对精度的一个重要因素。接收机有两种定位模式:固定模式和巡游模式。接收机在巡游模式下可实时计算天线位置坐标，在固定模式下则使用一个已知的固定坐标。当接收机处于静态，并主要用于定时应用时，使用固定模式可以使Ipps脉冲更好的同步到GPS时标，从而提高同步精度，因此接收机应设置于固定模式。在接收机启动时，使用自动定位功能，先使接收机处于巡游模式，24小时后计算出平均坐标，再设为固定模式，可获得较高的定位精度。
[0066](3)GPS时间频率传递的主要误差源是大气折射误差和多径效应，这些误差源对精度的影响与卫星仰角有关，仰角越小，共视比对误差越大，因此应去除低仰角卫星数据以提高比对精度。在比对中选择仰角30°以上的数据进行计算。
[0067](4)接收机既能进行码观测，也能进行载波相位观测。P3码消除了电离层的影响，使观测精度大大提高，但也有其缺点:卫星仰角低时，观测受到影响较大，而且短期稳定度较差。载波相位比P码噪声水平低，但存在整周模糊度的问题，载波相位平滑的P3码可以结合两种观测的优点，降低观测噪声。因此，使用载波相位平滑数据，平滑间隔设为300s。
[0068]两地标准文件比对过程如图2所示，具体为:通过对两个标准文件中的参数REFGPS在同PRN、MJD、STTIME条件下作差，得到一系列的差值，剔除异常数据，对差值数据进行vondrak滤波，得到的数据每天求一个平均值，作为两地时差。
[0069]以MJD56451-56460之间的10天数据为例，与中国计量院的UTC数据进行比对，仰角取30°以上,每16min—个取样点，结果如图3所示。
[0070]由图3可见，滤波后的数据消除了随机噪声，更加的平滑，更能反映真实钟差，数据的标准偏差为6.2ns，符合不大于1ns的预期目标。
[0071]将图3数据每天求I个平均值，即为最终得到的两地时差，如图4所示。此数据可作为校准导航产品时的修正值，使校准数据直接溯源到国家基准。
[0072]由于一天数据必须收齐才能得到修正值，所以校准导航产品当天的数据无法实时修正，需要等到第二天才能修正，为了实现实时的修正，可以使用前几天的数据做二次曲线拟合，求出预估方程，利用方程预估出当天的修正值，做到实时的修正。
[0073]例如，用MJD56451-56459之间9天数据预估MJD56460的数据，设x = I, 2，…，10，作二次曲线拟合如图5所示，求得方程为:
[0074]y = 3.7413χ2-40.697χ_1372.9
[0075]将X = 10代入方程，求得y = -140.6ns，即为MJD56460的预估修正值，MJD56460的实测值为-143.2ns，预估误差为-140.6ns-(-143.2ns) = 2.6ns。
[0076]在MJD56460当天利用地方时间标准生成系统的秒脉冲校准导航产品时，设所测数据为T。，则修正后的数据为:T = T0+140.6ns。
[0077]上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述【具体实施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
【权利要求】
1.一种国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:所述国家基准驾驭的地方时间标准生成系统包括GPS接收机、时间间隔计数器、本地原子钟和计算机； 所述GPS接收机和时间间隔计数器分别与所述计算机连接； 所述GPS接收机和本地原子钟分别与所述时间间隔计数器连接； 所述时间间隔计数器将本地原子钟输出的Ipps信号作为开门脉冲，将GPS接收机输出的Ipps信号作为关门脉冲，测量出两个秒脉冲之间的差值，即为时间间隔测量值； 所述计算机利用所述差值和从GPS接收机获取的信息生成本地标准格式文件；然后将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对，生成本地的地方标准时间。
2.根据权利要求1所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:所述GPS接收机通过串口与计算机相连，时间间隔计数器通过另一个串口与计算机相连； GPS接收机和本地原子钟分别为时间间隔计数器提供Ipps脉冲。
3.根据权利要求2所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:所述GPS接收机采用双频接收机，能够接收CA码、L1/L2双频信号； 所述时间间隔计数器采用高精度时间间隔计数器； 所述本地原子钟采用GPS可驯铷原子钟，频率准确度I X 10_12。
4.根据权利要求3所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:利用GPS接收机在LI和L2两个频段上测得的电离层时延，对时延值进行修正，修正公式如下:
PR - PR PR = ^? 丨一， (1、 其中，PRi (i = 1,2)是分别在LI和L2频段上的电离层时延测量值，PR是通过两个频段电离层时延的线性组合计算得到的双频电离层修正值； Y用下式计算:
Y = (fL1/fL2)2 = (1575.42/1227.6)2 = (77/60)2(5) fL1和L分别为LI和L2频段的频率。
5.根据权利要求4所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:所述GPS接收机设置为1nofree的测量模式。
6.根据权利要求5所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:在GPS接收机启动时，使用自动定位功能，先使GPS接收机处于巡游模式，24小时后计算出平均坐标，再设为固定模式。
7.利用权利要求1至6任一所述系统实现的一种国家基准驾驭的地方时间标准生成方法，其特征在于:所述方法包括: 在每秒的开门脉冲和关门脉冲过后，下一秒脉冲到来之前，计算机收到时间间隔计数器发来的时间间隔测量值和从GPS接收机获取的相应信息，对其进行处理后得到用于比对的一系列参数，将所有参数写入本地标准格式文件中； 将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对,生成本地的地方标准时间。
8.根据权利要求7所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成方法，其特征在于:所述将本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件进行比对,生成本地的地方标准时间是这样实现的: 通过对本地标准格式文件和国家基准产生的标准文件中的参数REFGPS在同PRN、MJD、STTIME条件下作差，得到一系列的差值，剔除差值中的异常数据后，对差值数据进行vondrak滤波,对得到的数据每天求一个平均值,具体如下: 设国家时间基准产生的时间为t (NIM)，本地原子钟产生的时间为t (BIM)，t (GPS)为GPS时间，REFGPS(NIM)和REFGPS(BM)分别为两地标准文件中的REFGPS参数值，则:REFGPS(NIM) = t(NIM)-t (GPS)(I) REFGPS (BIM) = t (BIM)-t (GPS)(2) REFGPS(NIM)-REFGPS(BIM) = t(NIM)_t(BIM) (3) 所述t (NIM)即为国家时间基准，利用REFGPS (NIM) -REFGPS (BIM)对本地原子钟进行校准，将校准后的t(BIM)定义为本地的地方标准时间； 对每天得到一系列的REFGPS(NM)-REFGPS(BM)数据序列进行处理，即剔除异常数据后，经过vondrak滤波消除随机噪声，然后求平均值，作为校准本地的地方标准时间的修正值。
9.根据权利要求8所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成方法，其特征在于:在进行比对的过程中选择卫星仰角30°以上的数据进行计算； GPS接收机使用载波相位平滑数据，平滑间隔设为300s。
10.根据权利要求7所述的国家基准驾驭的地方时间标准生成系统，其特征在于:所述方法进一步包括: 对本地的地方标准时间的数据做二次曲线拟合求出预估方程，由历史数据预估出当前数据，从而对本地原子钟发送给导航产品的秒脉冲进行修正，实现量值传递。
【文档编号】G04F5/14GK104238352SQ201410495675
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】姚和军, 黄艳, 高源 , 张晗, 梁炜, 许原, 吴锦铁, 高春柳 申请人:北京市计量检测科学研究院