基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法
阅读说明：本技术 基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法 (Beidou local precise time transfer method based on time laboratory enhancement information ) 是由 涂锐 卢晓春 张鹏飞 张睿 韩军强 范丽红 鲁洋为 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法,包括：建设北斗基准站,将接收机时钟连接中国科学院国家授时中心时间实验室的标准时间信号,基于北斗基准站的观测值,提取含有标准时间信号的北斗卫星增强信息,并通过网络形式进行播发,时间用户接收到增强信息,并结合采集的观测数据和接收的星历产品,进行非差PPP解算,获取与标准时钟的时差,从而实现国家标准时间的精密时间传递。本发明方法能够消除或削弱共性误差,提高观测值误差修正水平,提高时间传递精度,可以提高用户站观测值误差的修正水平。(The invention discloses a Beidou local precise time transfer method based on time laboratory enhancement information, which comprises the following steps of: the method comprises the steps of building a Beidou reference station, connecting a receiver clock with a standard time signal of a national time service center time laboratory of China academy of sciences, extracting Beidou satellite enhanced information containing the standard time signal based on an observed value of the Beidou reference station, broadcasting the enhanced information in a network form, receiving the enhanced information by a time user, combining collected observation data and a received ephemeris product, performing non-differential PPP resolving, and obtaining time difference with the standard clock, so that precise time transmission of national standard time is realized. The method can eliminate or weaken common errors, improve the error correction level of the observed value, improve the time transfer precision and improve the correction level of the observed value error of the user station.)
技术领域
本发明涉及精密授时、时间同步和时频传递技术领域，具体是涉及一种基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法。
背景技术
时间传递是各时间用户间实现高精度时间同步的重要手段，在电力组网、5G通信、金融证券等行业有着广泛应用需求，基于卫星技术的时间传递方法因成本低、连续性好、容易实施成为其中的重要手段之一。
卫星时间传递中的载波相位精密单点定位(PPP)时间传递方法因为精度高成为当前的主流技术，并在诸多时间实验室中得到广泛应用；但是，当前的PPP时间传递方法存在三个局限：一是非差观测值中很多误差难以高效处理，时间传递精度还可以进一步提高；二是常规的PPP时间传递都是点对点的实现，满足不了大量用户的并发使用需求；三是常规PPP需要专业的技术人员和软件才可以实现高精度时间传递，操作实施复杂。
如何进一步提高PPP时间传递的精度，满足大量用户并发使用需求，且简单易操作实施对时间方面的行业用户具有重要价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法。
本发明的技术方案是：一种基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法，主要包括以下步骤：
S1北斗基准站架设调制：架设北斗基准站，并将接收机时钟连接中国科学院国家授时中心时间实验室的1PPs标准时间信号；
S2基准站数据获取：获得基准测站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据；
S3增强信息提取：对基准站数据进行预处理，并进行周跳探测并得出结果，基于精密星历，强约束坐标，对预处理后数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自传的误差修正，修正后提取每颗卫星的增强信息；
S4增强信息播发：对每颗卫星伪距、相位的增强信息，以及周跳探测信息通过网络以设定的格式进行播发；
S5用户站数据获取：获得用户测站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据，基准站增强信息和周跳信息，以及辅助数据；
S6时间传递解算：对用户站数据进行预处理，并进行周跳探测并得出结果，再对预处理后数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自传的误差修正，并进行增强信息修正和周跳信息融合，确定观测方程和随机模型，并进行最小二乘解算，即得到用户时钟与标准时钟的时差。
本发明精密时间传递方法基于时间实验室增强信息，有效的消除或削弱共性误差，从而提高观测值误差修正水平，进而提高时间传递精度，利用基准站获取的高精度增强信息，其不仅包含了时间信号，同时包括了一些非模型化误差，可以提高用户站观测值误差的修正水平，满足大量用户并发使用需求。
进一步地，所述步骤S3、S6中相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自传的误差修正具体为：相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自传误差改正使用IERS EOP C04模型改正。通过对相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自传的误差修正，可以提高后续采用增强信息提取观测模型获取各颗卫星的伪距观测值增强信息，从而降低或消除共性误差，提高观测值误差修正水平，提高时间传递精度。
进一步地，所述步骤S2、S5中辅助数据具体包括：精密星历、天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。
进一步地，所述步骤S3、S6数据预处理具体为：对基准站、用户站数据进行质量检查、粗差剔除，删除物卫星星历或观测值不完整的数据，得到干净的数据。对基准站、用户站获得数据进行预处理，可以剔除无关或不完整等数据，提高获取数据的质量，提高后续增强信息的提取准确度以及用户站观测值误差的修正水平，实现用户的精密时间传递。
进一步地，所述步骤S3中增强信息的提取采用以下观测模型：
其中，P和Φ代表伪距和相位，L为无电离层组合观测值，R为基准站标记，Cor代表增强信息，ρ为站星几何距离，model为模型化误差总和，包括对流层，相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差。
进一步地，所述步骤S6中用户站时间传递解算采用以下观测模型：
其中，U为用户站标记，A为卫星与接收机的单位矢量，x为用户坐标，C为光速，λ为波长，ΔN为单差模糊度参数，dt为时差参数，ε为观测噪声；
其随机模型确定如下：
其中，a为观测值精度，伪距观测值一般设为0.2～0.3m，相位观测值一般设为0.002～0.003m，θ为卫星高度角，单位为弧度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法基于增强信息，消除或削弱共性误差，提高观测值误差修正水平，提高时间传递精度，利用基准站提供的高精度增强信息，其中不仅包含了时间信号，同时包括了一些非模型化误差，可以提高用户站观测值误差的修正水平。
(2)本发明方法增强信息采取播发模式，可以实现区域内多用户独立自主的时间传递服务，相对于常规PPP时间传递方法，只能实现点对点的被动式时间服务，采用增强信息播发模式，用户可以独立自主完成时间传递，且用户数量不限。
(3)本发明方法简单可靠，用户不增加额外工作，方便实时实施，在用户端即可以简单实施，不需要外部辅助，在进行增强信息改正后，仅仅采用常规的PPP解算流程就可以完成时间传递服务，并且，在局域范围内，因卫星轨道、钟差、大气等误差相关性很高，采用广播星历也可以得到较好的结果方便实时应用。
附图说明
图1是基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法流程图。
图2是具体实施例中基准站提取的卫星的增强信息。
图3是具体实施例中USER测站获取的时差序列。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法主要包括两大核心技术：
1)时间实验室北斗基准站上增强信息提取，增强信息的提取采用下列观测模型：
其中，P和Φ代表伪距和相位，L为无电离层组合观测值，R为基准站标记，Cor代表增强信息，ρ为站星几何距离，model为模型化误差总和，包括对流层，相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差。
2)用户端基于增强信息的时间传递解算，用户站时间传递解算采用以下观测模型：
其中，U为用户站标记，A为卫星与接收机的单位矢量，x为用户坐标，C为光速，λ为波长，ΔN为单差模糊度参数，dt为时差参数，ε为观测噪声；
其随机模型确定如下：
其中，a为观测值精度，伪距观测值一般设为0.2～0.3m，相位观测值一般设为0.002～0.003m，θ为卫星高度角，单位为弧度。
如图1所示，基于时间实验室增强信息的北斗局域精密时间传递方法包括基准站架设调制，基准站数据获取，增强信息提取，增强信息播发，用户站数据获取，基于增强信息的时间传递解算六个部分，通过将基准站的接收机时钟连接国家授时中心时间实验室的标准时间信号，并提取各颗卫星的增强信息，播发给时间用户；时间用户接收到增强信息后，联合自己的观测值进行PPP解算，实现精密时间传递，具体如下：
第一步，北斗基准站架设调制
架设北斗基准站，并将接收机时钟连接中国科学院国家授时中心时间实验室的1PPs标准时间信号，调制为静态测量观测模式。
第二步，基准站数据获取
选取国家授时中心临潼基准站NTP1，2016年200天数据为例，数据采样间隔为30s；
获得测站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据以及数据处理需要的辅助数据，包括精密星历，天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。
第三步，增强信息提取
1)对数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，得到干净的数据，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
2)基于精密星历，强约束坐标，对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正，
其中，相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型；
3)改正后，根据公式(1)提取每颗卫星的增强信息，其获取的各颗卫星的伪距观测值增强信息如图2所示。
第四步，增强信息播发
对每颗卫星伪距、相位的增强信息，以及周跳探测信息通过网络以设定的格式进行播发。
第五步，用户数据获取
获得用户测站上北斗卫星的双频伪距、相位观测数据，基准站增强信息和周跳信息，以及辅助的解算参数，包括精密星历，天线相位中心、地球自转参数、测站准确坐标、潮汐参数。
第六步，基于增强信息的时间传递解算
1)对用户站的数据进行质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，得到干净的数据，并进行周跳探测，给出周跳探测结果；
2)对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自传的误差修正，并进行增强信息修正和周跳信息融合，
其中，相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正；
3)确定观测方程和随机模型，根据公式(2)和(3)并采用最小二乘法即可以求解用户时钟与标准时钟的时差，实现用户的精密时间传递；
选取2019年200天用户站USER为例，数据采样间隔为30秒，其获取的时差结果如图3所示，由图对比可知，采用上述精密时间传递方法可以消除或削弱共性误差，提高观测值误差修正水平，提高时间传递精度，可以提高用户站观测值误差的修正水平。