本發(fā)明涉及一種定位授時(shí)方法。

背景技術(shù)：

gnss(globalnavigationsatellitesystem)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前業(yè)界公認(rèn)的高精度、高可靠性的星基導(dǎo)航系統(tǒng)，在各國的國防軍事和國民生產(chǎn)中提供定位、授時(shí)服務(wù)。但是基于gnss導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特征，它們極易受到干擾和遮擋。因此，需要有其它導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行輔助以提高gnss系統(tǒng)的可用性和可靠性。地基長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的技術(shù)特征正好互補(bǔ)，可以歸納為“三低”對(duì)“三高”：陸基對(duì)星基、低頻對(duì)高頻、高信號(hào)電平對(duì)低信號(hào)電平。長波授時(shí)系統(tǒng)的技術(shù)特征使其具有很強(qiáng)的抗干擾能力和對(duì)大建筑物的高繞射能力，這正好彌補(bǔ)了gnss系統(tǒng)的不足。長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss組合定位、授時(shí)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在gnss系統(tǒng)受到干擾和遮擋時(shí)，長波授時(shí)系統(tǒng)的發(fā)射臺(tái)可以當(dāng)作gnss系統(tǒng)的偽衛(wèi)星，有效改善系統(tǒng)的dop值，提升系統(tǒng)的可用性和可靠性。

目前業(yè)界研究的長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時(shí)方法大多是基于雙曲線定位原理的，但是雙曲線定位方法在基線延長線附近定位時(shí)存在“奇異”現(xiàn)象，導(dǎo)致定位功能失效。也有學(xué)者采用類似于gnss單系統(tǒng)的定位方法，把長波發(fā)射臺(tái)當(dāng)作一顆偽衛(wèi)星，把長波授時(shí)系統(tǒng)偽距方程中的接收機(jī)與長波發(fā)射臺(tái)之間的時(shí)差通過接收機(jī)與gnss系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差、長波發(fā)射臺(tái)與gnss系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差來間接計(jì)算，但是要獲取長波發(fā)射臺(tái)與各個(gè)gnss系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差相當(dāng)困難，需要搭建專門的時(shí)間比對(duì)鏈路來進(jìn)行時(shí)差監(jiān)測(cè)，而且除了北斗系統(tǒng)以外其它gnss系統(tǒng)都是國外的導(dǎo)航系統(tǒng)，搭建時(shí)間比對(duì)鏈路代價(jià)高昂。此外，基于上述方法進(jìn)行組合授時(shí)都不能直接把世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(coordinateduniversaltime)發(fā)播給用戶。因此，有必要改進(jìn)現(xiàn)有長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時(shí)方法，避免上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的地基長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時(shí)方法，把導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)之間的時(shí)差作為兩個(gè)系統(tǒng)的互操作橋梁，衛(wèi)星和長波系統(tǒng)的偽距方程都以u(píng)tc(ntsc)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)，直接求解組合定位授時(shí)一體化接收機(jī)相對(duì)于utc(ntsc)的時(shí)差和接收機(jī)位置坐標(biāo)，在定位的同時(shí)能直接向用戶進(jìn)行我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)的授時(shí)。我國的bpl長波授時(shí)系統(tǒng)發(fā)播的本身就是國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，因此不需要搭建額外的時(shí)間比對(duì)鏈路。另外，在我國國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃中，高精度地基授時(shí)系統(tǒng)是待建設(shè)的重要基礎(chǔ)項(xiàng)目，待該項(xiàng)目建成之后，將會(huì)有更多的長波發(fā)射臺(tái)用于組合定位授時(shí)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)在國家授時(shí)中心或者與utc(ntsc)有比對(duì)鏈路的地方放置一臺(tái)gnss定時(shí)接收機(jī)，通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計(jì)算utc(ntsc)與衛(wèi)星的時(shí)差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號(hào)，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，ri為第i顆衛(wèi)星到所述gnss定時(shí)接收機(jī)的幾何距離，c為光速，εi為第i顆衛(wèi)星的其它誤差修正項(xiàng)，包括電離層延遲和對(duì)流層延遲；如果gnss定時(shí)接收機(jī)放置于國家授時(shí)中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時(shí)差tsi-utc；如果gnss定時(shí)接收機(jī)放置于與utc(ntsc)有比對(duì)鏈路的地方，則tsi-utc＝δtu-i+td，td為utc(ntsc)與gnss定時(shí)接收機(jī)所在地的時(shí)差；

2)對(duì)gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差數(shù)據(jù)采用一次多項(xiàng)式或者二次多項(xiàng)式進(jìn)行建模，時(shí)差模型表示為tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，時(shí)差模型參數(shù)包括常數(shù)項(xiàng)a、一次項(xiàng)參數(shù)b、二次項(xiàng)參數(shù)c和模型起點(diǎn)t0；

3)按照設(shè)定周期，通過網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)；

4)用戶接入網(wǎng)絡(luò)下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)，通過時(shí)差模型還原時(shí)差tsi-utc；

5)將時(shí)差tsi-utc代入組合定位授時(shí)方程組

通過求解方程組實(shí)現(xiàn)組合定位和授時(shí)解算；其中，ρi表示用戶與第i顆衛(wèi)星之間的偽距；(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時(shí)一體化接收機(jī)坐標(biāo)；δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時(shí)差；為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)；k為用戶端能夠接收到的地基長波授時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的長波發(fā)射臺(tái)編號(hào)；pk為長波發(fā)射臺(tái)到用戶的偽距；δ0k為接收機(jī)到長波發(fā)射臺(tái)之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量；ttk-utc為長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差。

本發(fā)明的有益效果是：提出以導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)之間的時(shí)差作為地基長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)互操作的橋梁，用戶在組合定位的同時(shí)能夠獲取我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)，在不用增加額外成本的情況下實(shí)現(xiàn)了一體化定位、授時(shí)。本發(fā)明所提的組合定位授時(shí)方法一方面避免了單個(gè)gnss系統(tǒng)定位、授時(shí)的局限性，提升了整個(gè)組合系統(tǒng)的可靠性和有效性。另一方面，本發(fā)明所采用的組合定位授時(shí)算法結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星偽距觀測(cè)方程和地基長波授時(shí)系統(tǒng)的偽距觀測(cè)方程一起進(jìn)行定位解算，避免了傳統(tǒng)羅蘭系統(tǒng)雙曲線組合定位算法的“奇異”現(xiàn)象，即定位方程組無解的現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可用性。此外，本發(fā)明所提組合定位授時(shí)方法不需要知道長波發(fā)射臺(tái)與gnss系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差，也避免了搭建專門的時(shí)間比對(duì)鏈路而帶來的昂貴開銷。

附圖說明

圖1是gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差監(jiān)測(cè)、建模、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)備連接圖；

圖2是用戶組合定位授時(shí)流程圖；

圖3是遮擋環(huán)境下西安地區(qū)雙系統(tǒng)組合與北斗單系統(tǒng)gdop對(duì)比圖；

圖4是遮擋環(huán)境下雙系統(tǒng)組合與北斗單系統(tǒng)定位誤差對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)在國家授時(shí)中心或者與utc(ntsc)有比對(duì)鏈路的地方放置一臺(tái)gnss定時(shí)接收機(jī)，監(jiān)測(cè)gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差tsi-utc。通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計(jì)算用戶與衛(wèi)星的時(shí)差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號(hào)，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，ri為衛(wèi)星到用戶之間的幾何距離，c為光速，εi為其它誤差修正項(xiàng)，包括電離層延遲、對(duì)流層延遲，通過普通的模型即可求解。如果定時(shí)接收機(jī)放置于國家授時(shí)中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時(shí)差tsi-utc。如果定時(shí)接收機(jī)放置于其它與utc(ntsc)有比對(duì)鏈路的地方，則tsi-utc＝δtu-i+td，td為utc(ntsc)與定時(shí)接收機(jī)所在地的時(shí)差，通過現(xiàn)有比對(duì)鏈路獲得；

2)對(duì)gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過建模減少向用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。由于衛(wèi)星與utc之間的時(shí)差基本呈線性特性，因此采用普通的一次多項(xiàng)式或者二次多項(xiàng)式進(jìn)行建模即可，模型可以表示為tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，a為常數(shù)項(xiàng)，b為一次項(xiàng)參數(shù)，c為二次項(xiàng)參數(shù)，t0為模型起點(diǎn)，模型參數(shù)可以通過采用普通的最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合獲得；

3)通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)，由于衛(wèi)星與utc之間的時(shí)差模型比較穩(wěn)定，模型參數(shù)更新周期可以定為半小時(shí)或者更長；

4)用戶端只要接入internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)即可下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)，通過模型公式tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²用戶還原計(jì)算出步驟(1)中的gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差。向用戶發(fā)送時(shí)差模型與向用戶發(fā)送時(shí)差數(shù)據(jù)相比，大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；

5)用戶端把gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差值代入組合定位授時(shí)方程組即可實(shí)現(xiàn)組合定位和授時(shí)解算。該方程組中，第一個(gè)方程是gnss系統(tǒng)的偽距觀測(cè)方程，第二個(gè)方程是地基長波授時(shí)系統(tǒng)的偽距觀測(cè)方程。ρi表示用戶與衛(wèi)星之間的偽距，n為可視衛(wèi)星數(shù)目，(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時(shí)一體化接收機(jī)坐標(biāo)，為待求量。δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時(shí)差，也為待求量。為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。k為用戶端能夠接收到的地基長波授時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的長波發(fā)射臺(tái)編號(hào)，pk為長波發(fā)射臺(tái)到用戶的偽距，m為長波發(fā)射臺(tái)的數(shù)目，δ0k為接收機(jī)到長波發(fā)射臺(tái)之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量。δ0k和δsk都是關(guān)于接收機(jī)坐標(biāo)(xr，yr，zr)的函數(shù)，通過簡單數(shù)學(xué)計(jì)算即可獲得。ttk-utc為長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差，是已知量，事先在internet網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布各個(gè)長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差結(jié)果。

本發(fā)明的實(shí)施例包括以下步驟，對(duì)于用戶來說，步驟1至步驟5是不需要執(zhí)行的，只需要執(zhí)行步驟6至步驟8。此外，步驟5和步驟7只需要執(zhí)行一次，不需要重復(fù)執(zhí)行，如果步驟5或步驟7已經(jīng)執(zhí)行成功，則可以跳過該步驟，直接執(zhí)行下一步驟。

步驟1.準(zhǔn)備好gnss接收機(jī)、工控機(jī)、脈沖分配放大器、頻率分配放大器等設(shè)備，在國家授時(shí)中心搭建gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差tsi-utc監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，gnss接收機(jī)的天線放置于坐標(biāo)已知的觀測(cè)點(diǎn)上；

步驟2.工控機(jī)實(shí)時(shí)采集gnss接收機(jī)的偽距和衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)，通過ρi＝ri+c·δtu-i+εi計(jì)算用戶與衛(wèi)星的時(shí)差δtu-i，其中i為衛(wèi)星編號(hào)，ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距，rⁱ為衛(wèi)星到用戶之間的幾何距離，可根據(jù)衛(wèi)星位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，c為光速，εi為其它誤差修正項(xiàng)，包括電離層延遲和對(duì)流層延遲，通過普通的模型即可求解。由于gnss接收機(jī)放置于國家授時(shí)中心，則δtu-i即為衛(wèi)星i與utc(ntsc)的時(shí)差tsi-utc；

步驟3.在工控機(jī)上對(duì)gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，采用二次模型tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²，a為常數(shù)項(xiàng)，b為一次項(xiàng)參數(shù)，c為二次項(xiàng)參數(shù)，t0為模型起點(diǎn)，利用最小二乘法可以計(jì)算出各個(gè)模型參數(shù)；

步驟4.工控機(jī)通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)向用戶發(fā)布gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)；

步驟5.工控機(jī)通過internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)向用戶發(fā)布各個(gè)長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差結(jié)果；

步驟6.用戶從internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)下載gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)，并通過公式tsi-utc＝a+b·(t-t0)+c·(t-t0)²計(jì)算gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差；

步驟7.用戶從internet網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞W(wǎng)下載各個(gè)長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差數(shù)據(jù)；

步驟8.用戶把gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差值和長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差值代入組合定位授時(shí)方程組，進(jìn)行組合定位和授時(shí)解算。

該方程組中，(xr，yr，zr)為用戶端組合定位授時(shí)一體化接收機(jī)坐標(biāo)，為待求量。δu-utc為用戶與utc(ntsc)的時(shí)差，也為待求量。為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，通過對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行解算可以求得。ρi表示用戶與衛(wèi)星之間的偽距，n為可視衛(wèi)星數(shù)目。k為用戶端能夠接收到的地基長波授時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的長波發(fā)射臺(tái)編號(hào)，pk為長波發(fā)射臺(tái)到用戶的偽距，m為長波發(fā)射臺(tái)的數(shù)目，δ0k為接收機(jī)到長波發(fā)射臺(tái)之間的球面角距，δsk為球面角距到橢球面角距的修正量。δ0k和δsk都是關(guān)于接收機(jī)坐標(biāo)(xr，yr，zr)的函數(shù)，通過簡單數(shù)學(xué)計(jì)算即可獲得。ttk-utc為長波發(fā)射臺(tái)與utc(ntsc)的時(shí)差，在步驟7中獲得。tsi-utc為衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差，在步驟6中獲得。

從上述實(shí)施步驟可知，本發(fā)明所提的地基長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss系統(tǒng)的組合定位授時(shí)方法的實(shí)施過程主要包括gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差監(jiān)測(cè)、定組合位授時(shí)解算兩大部分。gnss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差監(jiān)測(cè)屬于系統(tǒng)級(jí)的工作內(nèi)容，用戶級(jí)只需要進(jìn)行g(shù)nss衛(wèi)星與utc(ntsc)的時(shí)差模型參數(shù)的下載、解析和組合定位授時(shí)解算。

由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是把導(dǎo)航衛(wèi)星與我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)之間的時(shí)差作為地基長波授時(shí)系統(tǒng)與gnss衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作參數(shù)，衛(wèi)星和長波系統(tǒng)的偽距方程都以u(píng)tc(ntsc)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)，用戶直接進(jìn)行組合定位授時(shí)一體化解算。本發(fā)明所提方法需要進(jìn)行衛(wèi)星與utc(ntsc)之間的時(shí)差監(jiān)測(cè)，但是監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)過程簡單，監(jiān)測(cè)設(shè)備僅需要gnss接收機(jī)、工控機(jī)和一些輔助設(shè)備，監(jiān)測(cè)成本較低。但本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的組合定位方法，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可用性，也避免了搭建長波發(fā)射臺(tái)與gnss系統(tǒng)時(shí)間的比對(duì)鏈路而帶來的昂貴開銷。最重要的是，本發(fā)明在定位的同時(shí)把國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間utc(ntsc)授予用戶，是定位、授時(shí)一體化的方法，且不需要額外的成本開銷，還可以快速、便捷地推廣使用，具有較好的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。