一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法

本发明属于卫星导航，尤其涉及一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法。

背景技术：

1、近年来，gnss成为主要的定位、导航以及授时技术之一，能够全天候的为用户提供位置以及时间信息。随着igs产品精度与完备性的提升，基于ppp的广域精密授时技术成为性能最优的gnss授时技术之一。对于广域授时技术而言，不仅需要高精度的差分产品保证时间传递精度，还需要建立高精度、稳定、可溯源的时间基准作为授时参考。广域精密授时服务的时间基准可以通过广播星历或测站钟引入。但广播星历精度较低，难以满足亚纳秒量级的精度需求；单站测站钟的状态会受到原子钟自身频偏或频漂的影响，其引入的时间基准显然不够稳定。为进一步提升广域差分产品时间基准的性能，igs综合地面高性能的外接氢原子钟及星载原子钟，结合kalman滤波时间尺度算法定义了高稳定的内部时间尺度igst/igrt。然而，igst/igrt虽然有着极高的中短期频率稳定度，但其频率准确度较差，无法进一步满足授时用户的溯源需求。此外，考虑到igs产品发布的时延性，其定义的时间尺度无法应用于实时的授时需求。此外，现有的广域实时精密差分产品侧重于定位应用，并未对其参照的时间基准进行进一步处理。因此，寻找一种高精度、稳定、实时的广域时间基准建立方法十分必要且迫切。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，基于gnss广域时频比对技术，实时获取空间分布式星载原子钟以及地面高性能原子钟的实时比对数据，并结合修正阿伦方差定权以及滤波时间尺度算法，建立稳定、连续、实时的星地时间基准。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，包括以下步骤：

3、基于地面gnss跟踪站观测数据对地面氢原子钟、铯原子钟以及星载原子钟进行广播星历时间尺度下的钟差估计，进而计算各原子钟稳定度，将稳定度最优的星载原子钟作为参考钟，获取星载原子钟与地面测站原子钟的时钟比对结果以及修正阿伦方差的结果；

4、基于原子钟数学模型进行星地原子钟数据探测，设定阈值进行星地原子钟状态异常的判断，对个体不满足阈值的星地原子钟进行剔除，对全部不满足阈值的星地原子钟时则重新选取参考钟；

5、根据所述的原子钟比对数据的修正阿伦方差结果对满足阈值的星地原子钟进行定权和随机模型处理，实现星地原子钟的随机模型参数估计；

6、根据参与时间基准构建的分布式原子钟数据，估计时间基准修正量，基于所述时间基准修正量对所有星载原子钟钟差进行修正，实现高精度、可溯源时间基准的建立。

7、可选的，基于地面gnss跟踪站的观测数据对地面氢原子钟、铯原子钟、星载原子钟进行广播星历时间尺度下的钟差估计的方法包括：

8、

9、

10、

11、其中，δtr表示接收机钟差，δts表示卫星钟差，表示卫星s在测站r上的对流层投影函数，tr表示测站r的天顶对流层延迟，i表征当前时刻的计算历元；和分别表示伪距和载波观测值的验前残差，lp,r和ll,r分别表示伪距和载波相位观测值的噪声；则表示通过广播星历获取的卫星钟差数值。

12、可选的，计算星地原子钟稳定度的方法包括：

13、

14、其中，τ0钟差序列的时间间隔，n相应平滑时间对应的数据间隔，m为应用于原子钟稳定度分析的数据长度，x(i)为估计的卫星钟以及测站钟钟差。

15、此外，选取稳定度最优的原子钟作为参考钟，获取星地原子钟比对数据，并计算出原子钟比对数据的修正阿伦方差结果。

16、可选的，基于原子钟数学模型进行原子钟数据异常探测，设定阈值进行原子钟的判断的方法包括：根据原子钟的二项式模型，可以得出时钟比对结果的状态方程：

17、

18、式中，由原子钟比对结果的相位偏差、频率偏差以及频漂组成；再结合权利要求1中计算的星地原子钟比对结果{xj′(i),j＝1,2…,n-1}，获取时钟比对结果的观测方程：

19、

20、对原子钟比对结果进行kalman滤波估计，获取原子钟比对相位数据的验前残差

21、设定阈值进行星地原子钟状态异常的判断包括：

22、若则j号原子钟发生异常，不参与历元计算；若所有的原子钟，均则参考钟发生异常，重新选取参考钟。

23、可选的，根据所述的原子钟比对数据的修正阿伦方差对满足阈值的星地原子钟进行定权和随机模型处理包括：

24、共有n′个原子钟参与计算，则第j′个原子钟的权比pj′为：

25、

26、其中，表示该原子钟与参考钟比对结果的修正阿伦方差；

27、对于每个参与计算的原子钟，结合不同平滑时间对应的比对数据的修正阿伦方差结果，对原子钟的噪声系数进行拟合；

28、σ2(τ)＝3q0τ-2+q1τ-1+q2τ/3+q3τ3/20

29、其中，q0、q1、q2和q3分别代表调相白噪声、调频白噪声、调频随机游走噪声和调频随机奔跑噪声对应的过程噪声参数。

30、可选的，基于参与时间基准构建分布式原子钟组，估计时间基准修正量包括：

31、

32、其中，t(i)为i历元广播星历时间基准的修正量，xj(i)为广播星历时间基准下的原子钟差，xj(0)为初始历元的原子钟差，为原子钟的频偏参数，δt(0)为初始历元的基准修正量。

33、可选的，基于所述时间基准修正量对所有星地原子钟钟差进行修正，获取高精度、可溯源的时间基准包括：

34、

35、其中，为所建立时间基准下的原子钟差，xj(i)为广播星历时间尺度下的原子钟差，t(i)为广播星历时间基准修正量。

36、本发明技术效果：本发明公开了一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，首先估计出地面测站钟以及星载原子钟在广播星历时间尺度下的钟差。等待钟差估计初始化完成以后，基于修正阿伦方差等时域稳定性分析工具对各原子钟的频率稳定度进行计算，并以此为参考选取参考钟，形成时钟比对结果；然后基于原子钟的数学模型对各原子钟进行异常探测，提出状态异常的原子钟数据；紧接着基于原子钟比对数据的修正阿伦方差结果实现原子钟过程噪声参数以及权比参数的确定，并结合原子钟的数学模型，进行各原子钟状态参数的估计，以实现广播星历时间基准改正量的修正，并最终完成gnss广域高精度、可溯源时间基准的建立。

技术特征：

1.一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，基于地面gnss跟踪站的观测数据对地面氢原子钟、铯原子钟、星载原子钟进行广播星历时间尺度下的钟差估计的方法包括：

3.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，计算地面氢原子钟、铯原子钟以及星载原子钟稳定度的方法，即修正阿伦方差包括：

4.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，基于原子钟数学模型进行星地原子钟数据异常探测，设定阈值进行原子钟状态异常判断的方法包括：根据原子钟的二项式模型，可以得出时钟比对结果的状态方程：

5.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，根据所述时钟比对结果的修正阿伦方差对满足阈值的地面氢钟、铯钟以及星载原子钟进行定权和随机模型处理包括：

6.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，基于参与时间基准构建分布式原子钟组，估计时间基准修正量包括：

7.如权利要求1所述的星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法，其特征在于，基于所述时间基准修正量对所有星地原子钟钟差进行修正，获取高精度、可溯源的时间基准包括：

技术总结
本发明公开了一种星地原子钟融合的高稳定时间基准建立方法,包括：对地面氢原子钟、铯原子钟以及星载原子钟进行广播星历时间尺度下的钟差估计，计算星地原子钟稳定度，将稳定度最优的原子钟作为参考钟，获取星载原子钟与地面测站原子钟的时钟比对结果以及其修正阿伦方差的结果；基于原子钟数学模型实现原子钟数据异常探测，设定阈值对星地原子钟可能存在的相位、频率异常进行判断；根据原子钟比对结果的修正阿伦方差对满足阈值的原子钟进行定权和随机模型处理，实时获取星地原子钟的状态参数；采用参与时间基准构建的分布式原子钟组数据，估计时间基准修正量，进而获取高精度、可溯源的时间基准。

技术研发人员：郑福,张东,施闯
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13