在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法 |
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| 申请号 | CN202410445681.6 | 申请日 | 2024-04-15 | 公开(公告)号 | CN118050976A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 中国科学院国家授时中心; | 发明人 | 王侃; 苏行; 杨旭海; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于卫星 定位 授时领域，公开了一种在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，该方法包括：从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星；根据基准星在多个历元的原始钟差，利用多项式拟合的方法对基准星在所有历元的钟差进行拟合，得到拟合钟差；根据基准星的拟合钟差与可用钟差的钟差差异，对其它卫星的原始钟差进行调整。本发明 实施例 针对GNSS星钟可能出现的复杂间断情况，在仅依赖于该GNSS星钟的情况下，通过对系统中卫星的原始钟差进行调整，实现了为GNSS系统提供稳定且完整的实时时间基准，从而在GNSS星钟出现缺历元的情况下减小了内插误差，改善了低轨卫星实时精密定轨定时及地面实时精密定位授时的 精度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法技术领域背景技术[0002] 得益于低轨卫星高度低、速度快、造价成本低等特点，低轨增强GNSS(全球导航卫星系统)定位导航授时技术拥有信号强度强、收敛时间短、多路径效应白噪化等一系列优势，在近年获得了越来越多的关注。为更好地利用低轨导航信号实现地面的高精度实时定位授时，低轨卫星的高精度实时轨道星钟成为了重要前提。而为了获得高精度的低轨卫星实时轨道星钟，需利用GNSS星钟对低轨卫星进行实时精密定轨定时。其中，GNSS星钟需以高频的形式通过英特网或卫星信号传递给定轨处理模块，因此GNSS星钟的精度很大程度决定了低轨卫星实时定轨定时的精度。此外，基于GNSS信号实现地面实时精密定位授时的精确性也很大程度受到GNSS星钟的精度的影响。 [0003] 在GNSS星钟的生成与传输过程中，不可避免地会出现长短不同的间断。实验显示，GNSS星钟的实时流即使在网络稳定的情况下，其完整度也在90%至100%浮动。对于GNSS星钟出现间断的情况，现有技术中可由实时流用户选取特定的高稳定度卫星钟，如选取高性能铷原子卫星钟或氢原子卫星钟进行实时时间基准归算，或者也可以采用所有卫星零均值化的方法进行实时时间基准归算。在完成实时时间基准归算后，对GNSS星钟间断的历元采取多项式内插的方式进行填补，并将内插结果用于高精度低轨卫星实时定轨定时或高精度地面实时定位授时，从而不浪费间断期间的GNSS观测。 [0004] 然而，多项式内插的误差大小取决于GNSS星钟间断时间的长短以及GNSS星钟在实时时间基准下的稳定性。尽管GNSS星钟如今多使用铷钟或氢钟等高稳定度原子钟，但GNSS星钟在实时状态下的时间基准稳定度仍不够理想，这很大程度上影响了GNSS星钟的内插效果，并间接影响着低轨卫星实时定轨定时或地面高精度实时定位授时。因此，如果GNSS星钟的原始时间基准不够稳定或发生阶跃，将直接影响其间断期间的内插效果。此外，选取高性能原子卫星钟或采用所有卫星零均值化的方法进行实时时间基准归算，可能使归算的实时时间基准无法覆盖所有有效历元，甚至因不同历元参与卫星的不同而发生大跳。 [0005] 因此，当GNSS星钟的原始时间基准不够稳定或者归算的实时时间基准无法覆盖所有有效历元时，在GNSS星钟间断时间较长时的内插误差可能高达数分米，这将极大影响GNSS星钟的精度，并将间接影响高精度低轨卫星实时定轨定时以及高精度地面实时定位授时。 发明内容[0006] 为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法。 [0007] 本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，包括： 从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星； 根据所述基准星在所有历元的可用钟差，利用多项式拟合的方法对所述基准星在所有历元的钟差进行拟合，得到所述基准星在每个历元的拟合钟差；其中，所述基准星在任一历元的可用钟差为：所述基准星在该历元的原始钟差或后补钟差，所述基准星在任一历元的后补钟差是基于其它卫星在该历元的原始钟差为所述基准星进行钟差填补得到的； 根据所述基准星在每个历元的拟合钟差与可用钟差的钟差差异，对所述GNSS系统的其它卫星在该历元的原始钟差进行调整。 [0008] 可选地，所述从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星，包括：判断GNSS系统中是否有至少一颗卫星在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流； 当判断结果为是时，从所述至少一颗卫星中选取一颗卫星作为基准星，该基准星在任一历元的可用钟差为该基准星在该历元的原始钟差； 当判断结果为否时，从所述GNSS系统中选取有效历元最多的一颗卫星作为基准星，该基准星在其任一有效历元的可用钟差为该基准星在该历元的原始钟差，该基准星在其任一钟差间断历元的可用钟差为该基准星在该历元的后补钟差；卫星的有效历元是指卫星有原始钟差的历元。 [0009] 可选地，当判断结果为是时，从所述至少一颗卫星中选取一颗卫星作为基准星，包括：若所述GNSS系统中，在所有历元均接收到所述实时流的卫星仅有一颗，则将该颗卫星作为所述基准星； 若所述GNSS系统中，在所有历元均接收到所述实时流的卫星不止一颗，则对其中每个卫星的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作并求取标准差，将其中标准差最小的卫星作为所述基准星。 [0010] 可选地，当判断结果为否时，从所述GNSS系统中选取有效历元最多的一颗卫星作为基准星，包括：若所述GNSS系统中有效历元最多的卫星仅有一颗，则将该颗卫星作为所述基准星； 若所述GNSS系统中有效历元最多的卫星不止一颗，则对其中每个卫星的原始钟差依次进行去基准和去趋势项的操作并求取标准差，将其中标准差最小的卫星作为所述基准星。 [0011] 可选地，所述基准星在其钟差间断历元的后补钟差是按照下述方式进行钟差填补得到的：从其它卫星中，确定在所述基准星的各个钟差间断历元中均有原始钟差的参考卫星； 若参考卫星仅有一颗，则根据该参考卫星的原始钟差，对所述基准星的钟差间断历元进行钟差填补； 若参考卫星不止一颗，则对每个参考卫星的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作并求取标准差，根据其中标准差最小的参考卫星的原始钟差，对所述基准星的钟差间断历元进行钟差填补。 [0012] 可选地，当选定对所述基准星的钟差间断历元进行钟差填补的参考卫星时，对所述基准星的钟差间断历元进行钟差填补的方式，具体包括：将选定的参考卫星作为辅助星，确定所述辅助星与所述基准星的交集历元；所述交集历元满足：所述辅助星和所述基准星在该历元中均有原始钟差； 根据所述基准星和所述辅助星两者在各个交集历元的钟差差异，利用多项式拟合的方法对所述基准星和所述辅助星两者在所述钟差间断历元的钟差差异进行拟合，并根据拟合结果推算所述基准星在其钟差间断历元的后补钟差。 [0013] 本发明提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，首先从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星，然后根据基准星在多个历元的原始钟差，利用多项式拟合的方法对基准星在所有历元的钟差进行拟合，得到基准星在每个历元的拟合钟差；根据基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差间的钟差差异，对其它卫星在该历元的原始钟差进行调整。由此本发明实现了在实时状态下，不依赖地面或其它星钟产品，仅依赖实时GNSS星钟实现稳定实时时间基准的方法。 [0014] 其中，本发明基于其它卫星的原始钟差为基准星缺失的原始钟差进行填补，形成基准星的后补钟差，即使GNSS星钟间断时间较长，也能够提供完整且稳定的实时时间基准；在此基础上，本发明并不直接利用基准星的可用钟差来对其它卫星的原始钟差进行调整，而是先得到基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差的钟差差异，然后基于该钟差差异对其它卫星的原始钟差进行调整。这样，避免了GNSS星钟的原始时间基准不够稳定导致的GNSS系统中实时时间基准不准确的问题。因此，本发明可以有效改善低轨卫星实时定轨定时及地面实时定位授时的精度。 附图说明[0016] 图1是本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法的简要流程图；图2是本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法的详细流程图； 图3是本发明实施例中给出的一个具体实例的实验结果。 具体实施方式[0017] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 [0018] 为了在GNSS星钟的原始时间基准不够稳定或者归算的实时时间基准无法覆盖所有有效历元时，能够为GNSS系统提供稳定的实时时间基准，本发明实施例提供了一种在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，该方法适于在如下所述的场景中应用，能够为GNSS系统提供稳定的实时时间基准，从而为高精度低轨卫星定轨定时及高精度地面实时定位授时提供保障：(1)在实时状态下仅有某机构提供的GNSS星钟，并无其它地面钟与星钟可供参考； (2)该机构提供的GNSS星钟的时间基准针对不同GNSS系统可能不同； (3)GNSS系统中的卫星收到的GNSS星钟可能并不完整，每颗卫星都可能出现各不相同的间断，这种情况在本发明实施例中被称之为复杂间断情况； (4)该机构提供的GNSS星钟在任一GNSS 系统中可能没有任何一颗卫星的钟差可覆盖所有的有效历元。 [0019] 本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，针对每个GNSS系统使用，旨在为所有相关的GNSS系统下的实时星钟产品提供稳定的实时时间基准。如图1所示，本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法包括以下步骤：S1、从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星。 [0020] 具体的，从GNSS系统包含的多个卫星中，选取有效历元较多的基准星，具体的选取方式存在多种，后续进行举例说明。其中，卫星的有效历元是指卫星有原始钟差的历元，而若是卫星在某个历元没有原始钟差，那么该历元便是卫星的钟差间断历元。 [0021] S2、根据基准星在所有历元的可用钟差，利用多项式拟合的方法对基准星在所有历元的钟差进行拟合，得到基准星在每个历元的拟合钟差；其中，基准星在任一历元的可用钟差为：基准星在该历元的原始钟差或后补钟差，基准星在任一历元的后补钟差是基于其它卫星在该历元的原始钟差为基准星进行钟差填补得到的。 [0022] 具体的，对于基准星 来说，如果其在某个历元有原始钟差，则该原始钟差便是基准星 在该历元的可用钟差，如果基准星 在某个历元没有原始钟差，则基于其它卫星在该历元的原始钟差为基准星 进行钟差填补，得到一后补钟差，并将该后补钟差作为基准星在该历元的可用钟差，具体填补方式后续进行举例说明。由此，实际上已经对基准星先进行了钟差调整。 [0023] 然后，利用基准星 在所有历元的可用钟差将基准星 的钟差拟合为一个 次多项式，拟合时可采用最小二乘法进行拟合，该 次多项式表示为：(1)； 其中， 是覆盖所有历元的一段时间 的开始时刻， 表示 时刻； 是拟 合好的 次多项式的第 个常数因子，这里 ，可根据该GNSS系统的卫星钟的总体质量进行选取，例如可取 =2；当然并不局限于此； 表示基准星 在 时刻的 拟合钟差，表示当前针对的是GNSS系统 所做的稳定实时时间基准的处理。 [0024] 基于上述 次多项式，将每个历元对应的时刻代入该 次多项式，便可以得到基准星在每个历元的拟合钟差。 [0025] S3、根据基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差间的钟差差异，对GNSS系统的其它卫星在该历元的原始钟差进行调整。 [0026] 具体的，根据基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差的钟差差异，对GNSS系统的其它卫星在该历元的原始钟差进行调整，具体实现可以用式(2)来表示：(2)； 其中， 表示基准星 在 时刻的可用钟差， 表示基准星 在 时刻的拟合钟差和可用钟差间的钟差 差异， 表示其它卫星 在 时刻的原始钟差， 表示对其它卫星 在 时刻的原始钟差进行调整后的钟差。 [0027] 基于式(2)，可以将每个其它卫星 在各个历元的原始钟差进行调整。至此，GNSS系统下的所有卫星的钟差都被归算到了新的时间基准下，稳定了实时时间基准。 [0028] 本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法，首先从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星，然后根据基准星在所有历元的可用钟差，利用多项式拟合的方法对基准星在所有历元的钟差进行拟合，得到基准星在每个历元的拟合钟差；根据基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差的钟差差异，对其它卫星在该历元的原始钟差进行调整。由此本发明实施例实现了在实时状态下，不依赖地面或其它星钟产品，仅依赖实时GNSS星钟的稳定实时时间基准的方法。 [0029] 其中，本发明实施例基于其它卫星的原始钟差为基准星缺失的原始钟差进行填补，形成基准星的后补钟差，即使GNSS星钟间断时间较长，也能够提供完整且稳定的实时时间基准；在此基础上，本发明实施例并不直接利用基准星的可用钟差来对其它卫星的原始钟差进行调整，而是先得到基准星在每个历元的拟合钟差和可用钟差间的钟差差异，然后基于该钟差差异对其它卫星的原始钟差进行调整。这样，避免了GNSS星钟的原始时间基准不够稳定导致的GNSS系统中实时时间基准不准确的问题。因此，本发明实施例可以有效改善低轨卫星实时定轨定时及地面实时定位授时的精度。 [0030] 关于对基准星的钟差间断历元进行钟差填补的具体实现方式，下面开始对其进行举例说明。 [0031] 具体而言，在开始进行填补之前，首先从GNSS系统的其它卫星中选取可靠的卫星作为参考，具体是从其它卫星中，确定在基准星的各个钟差间断历元中均有原始钟差的参考卫星。在一种实现方式中，可以从这些参考卫星中任选一个，从而基于该卫星的原始钟差来对基准星的钟差间断历元进行钟差填补。在另一种实现方式中，可以先确定在基准星的各个钟差间断历元中均有原始钟差的参考卫星；若参考卫星仅有一颗，则根据该参考卫星的原始钟差对基准星的钟差间断历元进行钟差填补；若参考卫星不止一颗，则对每个参考卫星的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作并求取标准差，根据其中标准差最小的参考卫星的原始钟差，对基准星的钟差间断历元进行钟差填补。 [0032] 其中，以任一卫星 为例，对该卫星 的原始钟差进行去基准的操作可以表示为：(3)； 其中， 表示 时刻下该卫星 的原始钟差， 表示 时刻下 参与去基准操作的卫星j的原始钟差， ， 为参与去基准操作的卫星的数量，表示对卫星 在 时刻的原始钟差去基准后的结果。可以理解的是，如果去基准的操作是为了选取参考卫星，则 等于参考卫星的数量。 [0033] 仍以卫星 为例，对其在 时刻的原始钟差去基准后，继续进行去趋势项的操作，表示为：(4)； 该式(4)中， 是对卫星 在 时刻的原始钟差去基准后的结果， 则是根据卫星 在多个时刻的原始钟差去基准后的结果对 进行 次多项式拟合后得到的 次多项式，拟合时可采用最小二乘法。其中， 是拟合好的 次多项式中的第 个常数因子，这里 ，可根据GNSS系统的卫星钟的总体质量进行选取，例如可取 2，当然并不局限于此； 表示对卫星 在 时刻的原始钟差去基准、去趋势项后得到的残差。 [0034] 由此，参照上面给出的去基准、去趋势项的方式，便可以对每个参考卫星的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作。 [0035] 然后，对每个参考卫星的全部有效历元的残差求标准差，这样每个参考卫星都对应一个标准差，根据其中标准差最小的参考卫星的原始钟差对基准星的钟差间断历元进行钟差填补。 [0036] 本发明实施中，在选定了对基准星的钟差间断历元进行钟差填补的参考卫星后，将该参考卫星作为辅助星来对基准星的钟差间断历元进行钟差填补。 [0037] 具体而言，首先确定辅助星与基准星的交集历元；交集历元满足：辅助星和基准星在该历元中均有原始钟差；然后根据基准星和辅助星两者在各个交集历元的钟差差异，利用多项式拟合的方法对基准星和辅助星两者在基准星的钟差间断历元的钟差差异进行拟合，并根据拟合结果推算基准星在其钟差间断历元的后补钟差。 [0038] 其中，基准星在交集历元的原始钟差表示为 ，辅助星在交集历元的原始钟差表示为 ， 表示交集历元对应的时刻；由此，根据基准星和 辅助星两者在各个交集历元的钟差差异 ，利用多 项式拟合的方法可以对基准星和辅助星两者在任意时刻的钟差差异进行拟合，拟合时可采用最小二乘法进行拟合。由此，可以拟合得到一个次多项式，可根据GNSS系统的卫星钟的总体质量进行选取，例如可取=2；该 次多项式表示为： (5)； 该式(5)中， 表示基准星和辅助星两者在 时刻的钟差差异， 是拟合好的次多项式中第 个常数因子，这里 。 [0039] 基于式(5)，将其中的 代入为基准星的钟差间断历元对应的时刻 ，即可得到基准星和辅助星两者在钟差间断历元的钟差差异 。然后，利用即可推算基准星在其钟差间断历元的后补钟差，具体操作如下： (6)； 其中， 表示辅助星在 时刻的原始钟差， 表 示为基准星填补的其在 时刻的后补钟差。 [0040] 下面对步骤S1中选取基准星的具体实现方式进行举例说明。 [0041] 在一种实现方式中，从GNSS系统包含的多个卫星中选取基准星，可以包括：S11、判断GNSS系统中是否有至少一颗卫星在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流。 [0042] 具体的，以接收GNSS星钟的实时流的约定采样频率来寻找在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流的卫星，如果找到，则判断结果为是，否则判断结果为否。其中，约定采样频率例如为10秒，当然并不局限于此。 [0043] 可以理解的是，卫星在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流，则该卫星在所有历元都有原始钟差。 [0044] S12、当判断结果为是时，从步骤S11中提到的至少一颗卫星中选取一颗卫星作为基准星，该基准星在任一历元的可用钟差为该基准星在该历元的原始钟差。 [0045] 这里，如果在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流的卫星仅有一颗，则将该颗卫星作为基准星；如果在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流的卫星不止一颗，则可以通过进一步的筛选方法来对这些卫星进行筛选。例如，随机选取，或者参照前述的计算标准差的方式来对这些卫星进行进一步的筛选，这样选取的基准星，其原始钟差更为精确。 [0046] 具体而言，当在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流的卫星不止一颗时，则针对在所有历元均接收到GNSS星钟的实时流的每一颗卫星，对其每个历元的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作，然后，利用其在所有历元去基准、去趋势项后的原始钟差计算一个标准差，这样其中每个卫星都对应一个标准差；然后，将其中标准差最小的卫星作为基准星。 [0047] S13、当判断结果为否时，从GNSS系统中选取有效历元最多的一颗卫星作为基准星，该基准星在其任一有效历元的可用钟差为该基准星在该历元的原始钟差，该基准星在其任一钟差间断历元的可用钟差为该基准星在该历元的后补钟差。 [0048] 可以理解的是，当判断结果为否时，说明GNSS系统中没有一颗卫星在所有历元都有钟差，也就是说所有卫星在整个 内都经历了间断，且不同卫星的间断时刻、间断长度都可能是不同的。因此，本发明实施例选取有效历元最多的一颗卫星作为基准星。具体操作如下：首先统计GNSS系统中在 内有效历元最多的卫星。若GNSS系统中有效历元 最多的卫星仅有一颗，则将该颗卫星作为基准星；若GNSS系统中有效历元最多的卫星不止一颗，则可以通过进一步的筛选方法来对这些卫星进行筛选。例如，随机选取，或者参照前述的计算标准差的方式来对这些卫星进行进一步的筛选，这样选取的基准星，其原始钟差更为精确。 [0049] 具体而言，当GNSS系统中有效历元最多的卫星不止一颗时，则针对GNSS系统中有效历元最多的每一颗卫星，对其每个有效历元的原始钟差依次进行去基准、去趋势项的操作；然后，利用其全部有效历元去基准、去趋势项后的原始钟差计算一个标准差，这样其中每个卫星都对应一个标准差；然后，将其中标准差最小的卫星作为基准星。 [0050] 图2中示出了本发明实施例提供的在卫星钟差复杂间断情况下稳定实时时间基准的方法的详细流程图，实际中可根据情况的不同选择对应的分支来进行实时时间基准的调整。 [0051] 图3示出了本发明实施例的方法进行实时时间基准调整的一个具体实例。图3中，标记为“原始时间基准”的曲线展示的是在2023年2月7日，法国国家空间研究中心(CNES)提供的实时星钟产品原始时间基准与欧洲定轨中心提供的星钟产品的时间基准之差，标记为“稳定后的时间基准”的曲线展示的是利用本发明实施例的方法对法国国家空间研究中心(CNES)提供的实时星钟产品进行稳定处理后，与欧洲定轨中心提供的星钟产品的时间基准之差，横轴的GPST表示GPS(Global Positioning System，全球定位系统)时，单位为小时。从图3中可以看到，利用本发明实施例的方法对实时星钟产品进行稳定处理后，时间基准相交于处理前的稳定性得到了极大的提升，证明了本发明实施例的有效性。 [0052] 综上，本发明实施例针对GNSS星钟可能出现的复杂间断情况，在仅依赖于该GNSS星钟的情况下，通过对GNSS系统中卫星的原始钟差进行调整，实现了为GNSS系统提供稳定且完整的实时时间基准，从而在GNSS星钟出现缺历元的情况下减小了内插误差，改善了低轨卫星实时精密定轨定时及地面实时精密定位授时的精度。 [0053] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。 [0054] 尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其它变化。在本发明的描述中，“包括”一词不排除其它组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外,相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。 [0055] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 |
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