阅读说明：本技术 一种广域精确授时wpt系统和方法 (Wide-area accurate time service WPT system and method ) 是由 施闯 楼益栋 于佳亮 郭文飞 宋伟 张东 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种广域精确授时系统,简称WPT系统,包括高精度时间产品服务平台、时间传递系统和时间同步接收机。同步接收机首先通过GNSS天线获取伪距数据和广播星历等公共卫星信号,同时,也通过时间传递系统接受来自高精度时间产品服务平台的时间基准精化数据产品,并利用后者修正同步接收机的本地时钟,使其与星载时钟保持精准同步,获得校准的1PPS等信号,最后输出给应用方。本发明可快速溯源到UTC、北斗时等,提供广域范围优于1ns的授时服务。(The invention discloses a wide-area accurate time service system, called WPT system for short, which comprises a high-precision time product service platform, a time transmission system and a time synchronization receiver. The method comprises the steps that a synchronous receiver firstly obtains pseudo-range data, broadcast ephemeris and other public satellite signals through a GNSS antenna, meanwhile, a time reference refined data product from a high-precision time product service platform is received through a time transmission system, a local clock of the synchronous receiver is corrected through the time transmission system, the local clock and a satellite-borne clock are kept in accurate synchronization, calibrated signals such as 1PPS are obtained, and finally the signals are output to an application party. The invention can quickly trace the source to UTC, Beidou time and the like, and provides time service with a wide area range superior to 1 ns.)

一种广域精确授时WPT系统和方法

技术领域

本发明属于广域精确授时(Wide-area Precise Timing,WPT)领域，特别涉及一种WPT系统和方法。

背景技术

在卫星导航系统精密授时方式中，随着IGS精密星历以及钟差产品精度与时效性的提高，全视法(All-in-view)成为优于CV法的一种精密时频传递技术，并成为国际原子时(TAI)计算的重要手段。相比于CV法，AV法能够改善时间传递路径，增加具有高仰视角大量数据，进一步提高了时间传递的稳定性、可靠性和完备性。当AV法引入载波相位观测值后，称为PPP时间传递方法。Diego等采用IGS最终精密卫星钟差和轨道产品研究了PPP的时间传递性能，通过与双向卫星时频比对方法(TWSTFT)的比较，发现静态PPP可以实现0.1ns的时间传递精度。此外，PPP时间传递的测量噪声在短时间内(1天)要比TWSTFT低1.5倍，是目前GNSS时频传递技术中精度最高的方法。

近年来，各IGS数据分析中心提供的GNSS产品为GNSS时间传递奠定了基础。一方面，GNSS产品为消除PPP时间传递中的卫星钟差误差、卫星轨道误差以及其他模型化误差提供了极大的便利。目前，IGS提供的超快精密星历(IGU)轨道精度约为5cm，卫星钟差精度约为1.5ns～3ns；快速/最终精密星历轨道精度约为2.5cm，卫星钟差精度约为20ps左右。另一方面，为了改善其卫星钟差产品所参考的时间基准性能，以事后处理的方式采用外接氢钟的跟踪站对基准进行精化，有效改善了IGS钟差基准跨天跳跃的情况。IGST的日稳定度优于1×10^-15，远高于日稳定度为2×10^-14的GPST。

目前PPP技术的主要问题是数据产品需要事后处理，实时性较差。由于IGS精密产品具有一定的时延性(快速产品时延17～40小时，最终产品时延一周左右)，不能满足实时精确时间传递的需求。另一方面，国际上高精度的时间传递技术以GPS为主，基于北斗的广域实时时间传递技术系统尚未建立。

发明内容

为此，本发明提供了一种基于GNSS载波观测量及状态空间域改正的WPT系统及方法，可快速溯源到UTC、北斗时等，提供广域范围优于1ns的授时服务。

本发明提供了一种WPT系统，包括高精度时间产品服务平台、时间传递系统和时间同步接收机，

所述高精度时间产品服务平台包括：

基准站数据流管理单元，用于实时接收并预处理全球基准站数据流；

卫星轨道实时确定单元，用于实时接入预处理后的全球基准站数据流中的IGS跟踪站观测数据流，实时计算卫星轨道；

卫星钟差实时估算单元，用于实时接入预处理后的全球基准站数据流中的IGS观测站观测数据以及广播星历，实时估算卫星钟差；

钟差基准精化单元，用于采用时间基准精化方法对实时估算的卫星钟差的基准进行精化，获得实时精密卫星钟差产品，同时引入UTC(k)时间基准与精化后的卫星钟差的基准比对，确保所获得的实时精密卫星钟差产品的安全可靠性；

对流层延迟建模单元，用于处理基于基准站天顶对流层湿延迟，生成对流层延迟产品；

卫星端FCB计算单元，用于基于三频观测值对卫星端UPD进行估计，获得卫星端FCB产品；

所述时间传递系统包括：

模型化误差改正处理单元，用于对获取的时间同步接收机接入的GNSS信号中的观测数据进行模型化误差改正处理；

差分改正数解码处理单元，用于对获取的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行差分改正数解码处理；

接收机本地钟差参数估算单元，用于在广域精确授时，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品进行组合处理，估算接收机钟差参数；或在短基线精确授时，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行组合处理，估算接收机本地钟差参数；

所述时间同步接收机包括本地时钟和时钟调控模块，所述时钟调控模块用于利用晶振精密调控技术和原子钟驯服与守时技术，对获取的接收机本地钟差参数进行处理形成调控量，对本地时钟进行实时修正，实现时间同步终端。

在一些实施方式中，所述时间同步接收机还可以包括天线、射频前端模块和基带处理模块，所述天线用于接入GNSS信号，所述射频前端模块用于对接入的GNSS信号进行下变频和滤波处理，所述基带处理模块用于对经过下变频和滤波处理后的GNSS信号进行捕获和跟踪，从中提取出星历和伪距、载波相位观测数据，并将其发送至所述时间传递系统的模型化误差改正处理单元进行模型化误差改正处理。

本发明还提供了一种WPT方法，包括如下过程：

S1：时间基准精化数据产品获取过程，所述时间基准精化数据产品包括包括实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品，所述获取过程包括如下子过程：

S11：实时接收并预处理全球基准站数据流；

S12：实时接入预处理后的全球基准站数据流中的IGS跟踪站观测数据流，实时计算卫星轨道；

S13：实时接入预处理后的全球基准站数据流中的IGS观测站观测数据以及广播星历，实时估算卫星钟差；

S14：采用时间基准精化方法对实时估算的卫星钟差的基准进行精化，获得实时精密卫星钟差产品，同时引入UTC(k)时间基准，与精化后的卫星钟差的基准比对，确保所获得的实时精密卫星钟差产品的安全可靠性；

S15：基于基准站天顶对流层湿延迟，生成对流层延迟产品；

S16：基于三频观测值对卫星端UPD进行估计，获得卫星端FCB产品；

S2:时间传递过程，用于通过互联网将获取的时间基准精化数据产品传递给时间同步接收机，包括如下子步骤：

S21：实时获取时间同步接收机接入的GNSS信号中的观测数据并对其进行模型化误差改正处理；

S22：对获取的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行差分改正数解码处理；

S23：对于广域精确授时，将步骤S21中处理后的观测数据与步骤S22中处理后的实时精密卫星钟差产品进行组合处理，估算接收机钟差参数；对于短基线精确授时，将步骤S21中处理后的观测数据与步骤S22中处理后的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行组合处理，估算接收机本地钟差参数；

S3：本地时钟实时修正过程，包括如下子步骤：

S31：获取接收机本地钟差参数；

S32：利用晶振精密调控技术和原子钟驯服与守时技术，对步骤S31中获取的接收机本地钟差参数进行处理形成调控量，对时间同步接收机中的本地时钟进行实时修正，实现时间同步终端。

进一步，步骤S1还包括：将获得的精密卫星钟差及卫星轨道改正数以SP3文件的格式记录于本地，用以随后分析，同时以实时数据流的形式通过TCP/IP协议播发给进行实时运行的时间同步接收机。

进一步，步骤S13中，还包括对星载氢钟的随机过程建模，并将其用于钟差的滤波估计。

进一步，步骤S14具体过程为：

采用时域稳定性分析方法对不同基准站配置的原子钟进行了稳定度分析，并基于不同平滑时间间隔的阿伦方差数据，分别确定原子钟相应的噪声水平系数及相应的权比关系；然后基于原子钟随机微分模型，采用Kalman滤波对测站原子钟的状态进行估计，以网解的方式分离出测站原子钟相对于基准的初始钟差项、频偏项以及钟差基准的偏差量；最终，根据各原子钟之间的权比关系，以加权平均的方式得到最终的基准改正量，从而获取精化后的卫星钟差基准。

本发明的有益效果：

1)可以实时授时，每秒更新一次播发数据；

2)可以实现广域(全球覆盖)授时；

3)可以实现高精度(亚纳秒级)授时：高精度服务器时间基准单天内精度优于0.2ns(RMS)；服务器播发的卫星钟差产品精度优于0.2ns(RMS)，产品播发频率为1Hz；可以全球广域覆盖，长基线授时精度优于0.5ns；

4)低成本，与传统高精度授时接收机价位相当，大约是卫星双向法价位的十分之一。

附图说明

图1为本发明的WPT方法流程图；

图2为本发明的时间传递过程流程图；

图3为本发明的高精度时间产品服务平台的结构示意图；

图4为本发明的时间同步接收机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。下面实施例中以北斗信号为例进行说明。

如图1所示，本发明的广域精确授时WPT方法，包括如下步骤：

S1：获取时间基准精化数据产品，包括实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品，所述获取步骤包括如下子步骤：

S11：服务器通过实时数据流综合软件实时接入GNSS全球观测数据流，并对其进行解码存储和实时同步与打包转发。

S12：基于预处理后的全球基准站数据流中的IGS跟踪站观测数据流，采用滑动窗口短弧综合定轨方法，将实时定轨通过建立短弧法方程和短弧法方程综合两个并行进程处理，实现一种处理速度很快，快速初始化以及数值稳定的卫星轨道实时计算方法。

S13：基于预处理后的全球基准站数据流中的IGS观测站观测数据以及广播星历，采用混合差分和对流双线程估计方法，实时估算卫星钟差。

卫星钟差的估算过程中需要对多站的对流层延迟、模糊度参数以及卫星钟差参数等进行求解，待估参数数量较多，会在一定程度上影响卫星钟差估计的效率。因此，快速估计是实现产品秒级更新的技术基础。本发明采用混合差分和对流层双线程的估计策略进行钟差估计。一方面，“混合差分”估计策略可以避免非差大量模糊度参数的估计；另一方面，“对流层双线程处理”可以减少逐秒估计线程中的对流层参数，进一步提高估算效率，实现卫星钟差产品的逐秒估计。此外，考虑到北斗-3负载了新一代高性能氢原子钟，有必要对星载氢钟的随机过程建模，并将其用于钟差的滤波估计中，从而达到进一步提升钟差精度的作用。

S14：采用时间基准精化方法对实时估算的卫星钟差的基准进行精化，获得实时精密卫星钟差产品，同时引入UTC(k)时间基准与精化后的卫星钟差的基准比对，确保所获得的实时精密卫星钟差产品的安全可靠性。

维持广域范围内高精度时间同步，需要引入稳定、高精度的时间基准，作为在时间同步系统的参考时间基准。由于传统的实时卫星钟差估计侧重实时定位应用，一般不对基准时间偏差做特殊处理，因此会影响授时的精度。因此，卫星钟差引入的时间基准需要进一步精化。

针对实时卫星钟差基准不稳定的问题，本发明首先采用时域稳定性分析方法对不同基准站配置的原子钟进行了稳定度分析，并基于不同平滑时间间隔的阿伦方差数据，分别确定其相应的噪声水平系数及相应的权比关系；然后基于原子钟随机微分模型，采用Kalman滤波对测站原子钟的状态进行估计，以网解的方式分离出测站钟相对于基准的初始钟差项、频偏项以及钟差基准的偏差量；最终，根据各原子钟之间的权比关系，以加权平均的方式得到最终的基准改正量，从而获取精化后的时间基准，获得<0.2ns的实时精密卫星钟差产品。最后，将精密卫星钟差及卫星轨道改正数以SP3文件的格式记录于本地用以事后分析，同时以实时数据流的形式通过TCP/IP协议播发给进行实时运行的精密授时终端。

S15：基于基准站天顶对流层湿延迟，生成对流层延迟产品。

S16：基于北斗三频观测值对卫星端UPD进行估计，获得卫星端FCB产品。

S2:通过互联网(公用通信网络或者专用DCN)将获取的时间基准精化数据产品传递给时间同步接收机。

针对目前PPP收敛速度较慢的问题，本发明提供了一种快速收敛技术，其中包括：对多系统观测数据进行组合处理，增加观测值数量、改善卫星几何构型；对高度角定权的随机模型进行优化，减弱伪距多路径误差；研究对流层处理策略，利用对流层先验约束，加快广域精确授时的收敛；使用单频伪距观测值代替噪声较大的伪距无电离层组合观测值，同时加入Uofc观测值来进行组合处理。如图2所示，具体包括如下子步骤：

S21：实时获取时间同步接收机接入的北斗、GPS等多星座信号中的观测数据并对其进行模型化误差改正处理，增加观测值数量、改善卫星几何构型，对高度角定权的随机模型进行优化，减弱伪距多路径误差；

S22：对获取的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行差分改正数解码处理，加快广域精确授时的收敛；

S23：对于广域精确授时，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品进行组合处理，估算接收机钟差参数。面向区域范围内快速(初始化时间优于5分钟)时间传递的指标要求和大气传播误差相关性强的特别，本发明采用对于短基线精确授时方式，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行组合处理，估算接收机本地钟差参数。

S3：通过GNSS天线获取伪距数据和广播星历等公共卫星信号，同时，也通过互联网接受来自时间服务平台的时间基准精化数据产品，并利用后者修正接收机的本地时钟，使其与星载时钟保持精准同步，获得校准的1PPS等信号(精度<1ns)，最后输出给应用方。具体地包括如下子步骤：

S31：获取接收机本地钟差参数；

S32：利用晶振精密调控技术和原子钟驯服与守时技术，对获取的接收机本地钟差参数进行处理形成调控量，对时间同步接收机中的本地时钟进行实时修正，实现时间同步终端。

基于上述WPT技术，本发明提供了一种WPT系统，主要包括高精度时间产品服务平台、时间传递系统和时间同步接收机。

基于北斗的高精度时间产品服务平台，用于实时估算并播发具有精确时间基准的高精度卫星钟差改正数。特别地，高精度时间产品服务平台包括设置在一处或多处的专用服务器和基准站数据流管理单元、卫星轨道实时确定单元、卫星钟差实时估算单元、钟差基准精化单元、对流层延迟建模单元和卫星端FCB计算单元，如图3所示。其中，服务器通过实时数据流综合软件接入GNSS全球观测数据(不仅可以遍布各地的卫星观测站的实时数据流，可同时接入IGS超快速预报轨道产品和星历数据流)；利用基准站数据流管理单元对接入的GNSS全球观测数据进行解码和存储以及实时同步和转发；利用卫星轨道实时确定单元，采用滑动窗口短弧综合定轨方法，实时计算卫星轨道；利用卫星钟差实时估算单元，采用混合差分和对流双线程估计方法，实时估算卫星钟差；利用钟差基准精化单元，采用时间基准精化方法对实时估算的卫星钟差的基准进行精化，获得<0.2ns的实时精密卫星钟差产品；利用对流层延迟建模单元生成对流层延迟产品；利用卫星端FCB计算单元，基于北斗三频观测值对卫星端UPD进行估计，获得卫星端FCB产品。最后，将精密卫星钟差及卫星轨道改正数以SP3文件的格式记录于本地用以事后分析，同时以实时数据流的形式通过TCP/IP协议播发给进行实时运行的精密授时终端。

时间传递系统可以通过公用通信网络或者专用DCN，作为高精度时间产品平台与时间同步接收机之间的信息传递通道。因此，在“云管端”的时间服务体系架构下，时间传递系统属于宏观的单向信息管道。

特别地，时间传递系统包括：模型化误差改正处理单元、差分改正数解码处理单元和接收机本地钟差参数估算单元。其中，模型化误差改正处理单元用于对获取的时间同步接收机接入的北斗信号中的观测数据进行模型化误差改正处理；差分改正数解码处理单元用于对获取的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行差分改正数解码处理；接收机本地钟差参数估算单元，用于在广域精确授时，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品进行组合处理，估算接收机钟差参数；在短基线精确授时，将处理后的观测数据与处理后的实时精密卫星钟差产品、对流层延迟产品和卫星端FCB产品进行组合处理，估算接收机本地钟差参数。

如图4所示，时间同步接收机包括天线、射频前端模块、基带处理模块、时钟调控模块和本地时钟。其中，天线用于接入北斗信号；射频前端模块用于对接入的北斗信号进行下变频和滤波处理；基带处理模块用于对经过下变频和滤波处理后的北斗信号进行捕获和跟踪，从中提取出星历和伪距、载波相位观测数据，并将其发送至时间传递系统的模型化误差改正处理单元进行模型化误差改正处理；时钟调控模块用于利用晶振精密调控技术和原子钟驯服与守时技术，对获取的接收机本地钟差参数进行处理形成调控量，对本地时钟进行实时修正，最终实现时间同步终端，获得校准的1PPS等信号(精度<1ns)，最后输出给应用方。

本发明可以应用于例如通讯行业、铁路时频系统、分布式雷达、二次雷达等应用领域。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。