基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法及系统与流程

本发明涉及一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法及系统，属于卫星导航授时。

背景技术：

1、在电力同步相量测量（pmu）等应用场景中，对授时结果的精度、连续性和完整性提出了严格要求。电力系统中的同步相量测量装置依赖高精度时间同步来实现广域电网的实时动态监测，授时偏差将直接导致相量角度测量误差，影响电网安全稳定分析的准确性。基于北斗卫星导航系统的精密单点定位（ppp）技术和共视时间传递技术是实现电力系统高精度授时的主要手段。

2、现有技术中，基于北斗ppp-b2b（精密单点定位-北斗三号专用载波频点标识）的实时时间传递方法已得到广泛应用。该类方法通过解码ppp-b2b信号、修正广播星历轨道和卫星钟差，利用两个观测站的伪距和载波相位观测值分别估计接收机钟差，并对两站钟差作差得到实时高精度时间传递结果。此外，还有基于北斗短报文建立通信链路的授时方法，通过传输服务端时间与b2b钟差参考时间偏差，实现亚纳秒级授时。

3、在精密共视时间传递方面，已有研究利用ppp-b2b实时精密轨道和载波相位单差技术估算异地接收机相对钟差，试验表明零基线标准差优于0.03纳秒、长基线相对事后ppp标准差优于0.3纳秒。在三频时间传递方面，已有基于三频非差非组合ppp模型的时间传递系统，通过数据检查、周跳探测、误差模型改正和电离层虚拟观测模型得到两站接收机综合钟差。在传统共视方面，已有基于北斗导航卫星系统的共视时间频率传递方法，利用北斗接收机测量本地时间与卫星时间之差，并通过北斗短报文交换两站共视结果。

4、在多源授时融合方面，已有基于bdsbas（北斗星基增强系统）的可信高精度授时方法及系统，该方法通过bdsbas双频增强电文提供具有完好性保障的轨道钟差改正数，结合双频无电离层组合观测值计算测量残差，并用卡尔曼滤波估计接收机钟差。针对单一实时精密产品数据源易中断的问题，已有研究利用多种实时精密产品进行加权融合，融合后可用率超过99.99%。在gnss（全球导航卫星系统）改正完整性方面，已有参考站完整性监测与保障方法，通过比较本地gnss信息和网络rtk（实时动态差分定位）信息，在本地空中信号完整性受损时切换至网络rtk合成信息。

5、然而，上述现有技术存在以下技术问题：

6、（1）、现有ppp-b2b或实时ppp时间传递方案通常直接估计两站钟差，再做差或融合，难以及时判断异常到底来自卫星轨道钟差、某一频点观测、某一改正源基准漂移、链路延迟，还是本地钟异常。

7、（2）、现有多源授时健康度评估多采用可用率、信噪比、时差残差、源优先级或加权平均等指标，缺少面向北斗多频共视的残差空间结构描述，无法充分利用同一异常在卫星维、频点维、源维、站点维上的不同投影形态进行故障归因。

8、（3）、现有多产品ppp时间比对加权备份能够提高可用率，但如果某一产品发生缓慢基准漂移或某一频点出现系统性偏差，仅靠时间结果差值和经验权重可能存在误判、迟判或误切换风险。

9、（4）、现有完整性监测多借鉴定位保护级或消息认证机制，偏重定位误差边界或改正消息可信来源，尚未针对授时应用建立时间保护级、可用性状态、源切换状态和保持状态统一输出的工程闭环。

10、（5）、现有共视时间传递通常把共视观测作为求钟差的手段，而未把共视残差作为长期可学习、可对比的指纹，因此难以实现跨天、跨源、跨频点的异常复现识别和恢复策略复用。

技术实现思路

1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法及系统，在ppp-b2b、rts（国际gnss服务实时精密改正服务）、has（high accuracy service）、广播保持或其它授时源之间存在延迟、中断、基准不一致或缓慢漂移时，能够实时判断授时结果是否可信、异常来源是什么、是否需要切换或保持，并在切换过程中抑制时间跳变。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：获取基准站和用户站的北斗多频观测值，至少一种改正源以及改正源数据。

5、步骤s2：在滑动时间窗口内匹配基准站和用户站的北斗多频观测值与改正源数据，形成共视片段集合。

6、步骤s3：对共视片段集合进行钟差解算，分别得到各改正源对应的站间候选钟差与对应的观测残差。

7、步骤s4：根据观测残差，构建当前残差指纹矩阵，基于历史正常观测数据建立基线指纹库。

8、步骤s5：根据当前残差指纹矩阵与基线指纹库，计算偏离量以及指纹偏离度。

9、步骤s6：将偏离量与异常类型判定标准相比较，若不满足异常类型判定标准，则判定无异常进入步骤s7，若满足异常类型判定标准，则判定有异常进入步骤s8。

10、步骤s7：按当前所选改正源输出当前授时结果，根据指纹偏离度，计算当前授时结果对应的时间保护级，并判断当前授时结果是否可信。

11、步骤s8：输出异常类型。

12、步骤s9：根据异常类型执行处置策略。

13、步骤s10：执行完处置策略后，若需要切换改正源，则以影子钟差为连续基准，通过平滑因子把输出从异常的改正源过渡到可信的改正源。

14、步骤s11：过渡后，重复步骤s1-步骤s4，输出更新后的基线指纹库。

15、可选的，所述改正源数据，包括：改正源的卫星轨道、卫星钟差、码偏差、有效时刻、更新间隔和源标识。

16、可选的，所述共视片段集合中每个共视片段至少包含：站点对、卫星编号、频点编号、观测起止时刻、改正源编号和预处理后的观测残差信息。

17、可选的，所述步骤s3，具体包括：

18、利用共视片段集合，结合伪距和载波相位组合观测值，通过站间单差消除卫星钟差，利用各改正源提供的卫星轨道和钟差产品进行参数估计，并利用载波相位平滑伪距的方法降低伪距观测噪声，解算出基准站与用户站之间的站间候选钟差以及观测残差。

19、可选的，所述根据观测残差，构建当前残差指纹矩阵，具体包括：

20、将同一滑动时间窗口内的观测残差按站点对、卫星、频点、改正源维度排列为残差张量，从残差张量中提取残差均值、时间斜率、离散度、频间差、源间差，构建当前残差指纹矩阵。

21、其中，所述当前残差指纹矩阵的表达式如下：

22、

23、其中，为第个滑动窗口的残差指纹矩阵，为归一化残差向量，为按卫星聚合的残差均值向量，为按频点聚合的残差均值向量，为按改正源聚合的残差均值向量，为改正源残差的时间斜率向量， 表示第个滑动时间窗口，表示站点对编号，表示卫星编号，表示频点编号，表示改正源编号。

24、归一化残差向量的表达式如下：

25、

26、其中， 和  分别为历史正常窗口中对应维度的残差均值和标准差， 为小正数，表示归一化前的观测残差。

27、可选的，所述步骤s5，具体包括：

28、计算当前残差指纹矩阵中卫星对应元素的均值与基线指纹库中历史正常指纹均值的差值，得到卫星维偏离量。

29、计算当前残差指纹矩阵中跨卫星聚合后的频点残差均值与基线指纹库中历史正常指纹的差值，得到频点维偏离量。

30、计算当前残差指纹矩阵中改正源在所有卫星和频点上的残差均值与基线指纹库中历史正常指纹的差值，得到改正源维偏离量。

31、计算当前残差指纹矩阵中所有改正源残差的公共趋势成分与基线指纹库中历史正常指纹钟漂的差值，得到公共钟差维偏离量。

32、根据卫星维偏离量、频点维偏离量、改正源维偏离量以及公共钟差维偏离量，计算指纹偏离度，表达式如下：

33、

34、其中，为指纹偏离度，、、、为非负权重，为卫星维偏离量， 为频点维偏离量， 为改正源维偏离量， 为公共钟差维偏离量。表示第个滑动时间窗口，表示卫星编号，表示频点编号，表示改正源编号，表示公共钟差维度。

35、可选的，所述异常类型判定标准如下：

36、当满足第一标准时，判定为有异常，其中，第一标准如下：。

37、当满足第二标准时，判定为有异常，其中，第二标准如下：。

38、当满足第三标准时，判定为有异常，其中，第三标准如下：。

39、当满足第四标准时，判定为有异常，其中，第四标准如下：。

40、当满足第五标准时，判定为有异常，其中，第五标准如下：。

41、其中，为卫星维偏离量，为频点维偏离量，为改正源维偏离量，为公共钟差维偏离量，为卫星异常的判定门限，为频点异常的判定门限，为改正源异常的判定门限，为公共钟差异常的判定门限；表示第个滑动时间窗口，表示卫星编号，表示频点编号，表示改正源编号，表示公共钟差维度。

42、可选的，所述根据指纹偏离度，计算当前授时结果对应的时间保护级，并判断当前授时结果是否可信，具体包括：

43、根据指纹偏离度，计算当前授时结果对应的时间保护级，其中时间保护级的表达式如下：

44、

45、其中， 为时间保护级，为基准保护级，为指纹偏离度，为有效共视片段数量，为保持模式风险因子，、、为调节系数，为小正数，表示第个滑动时间窗口。

46、当时间保护级超过预设告警门限时，输出完整性告警；当时间保护级持续低于门限时，表明当前授时结果状态可信。

47、可选的，所述异常类型获取方法如下：

48、当满足第一标准时，输出改正源基准异常。

49、当满足第二标准时，且若频点在多颗卫星上呈现相同方向的偏离，则输出频点异常；若仅在单一卫星的单一频点上异常而其他卫星该频点正常，则输出接收通道异常。

50、当满足第三标准时，输出卫星相关异常。

51、当满足第四标准时，输出站点观测异常。

52、当满足第五标准时，输出本地钟异常。

53、可选的，所述处置策略，具体包括：

54、当卫星相关异常时，隔离对应卫星并切换至其他可见卫星。

55、当频点/接收通道异常时，对该频点或异常通道执行降权或剔除，保留其他正常频点继续授时。

56、当改正源基准异常时，对该改正源执行降权或隔离，提高其他正常改正源的权重。

57、当站点观测异常时，触发站点故障告警，切换至备用站点或启用保持模式。

58、当本地钟异常时，进入影子钟差保持模式并输出本地钟告警，避免误隔离所有改正源。

59、可选的，所述影子钟差的表达式如下：

60、

61、其中，为第个窗口的输出钟差，为第个窗口的影子钟差状态，为影子钟差权重，为改正源的站间候选钟差，为改正源的输出权重，为改正源编号。

62、式中，影子钟差状态的表达式如下：

63、

64、其中，为第个窗口的影子钟差状态，为第个窗口估计得到的钟漂参数，为相邻滑动窗口之间的时间间隔，为过程噪声。

65、第二方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面中任一所述的一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法。

66、第三方面，一种计算机设备，包括：

67、存储器，用于存储指令。

68、处理器，用于执行所述指令，使得所述计算机设备执行如第一方面中任一所述的一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法的操作。

69、有益效果：本发明提供的一种基于多频共视残差指纹的北斗授时完整性监测与切换方法及系统，属于卫星导航授时技术领域。本发明方法包括：采集基准站和用户站的北斗多频共视观测值，并接入ppp-b2b、rts、has等多种实时改正源；在滑动窗口内匹配共视卫星和频点，形成共视片段集合；针对多个可用改正源分别形成候选钟差解和对应残差；将残差按站点对、卫星、频点、改正源和时间窗口构造残差指纹矩阵；将当前残差指纹矩阵与基线指纹库进行比较，得到卫星维、频点维、改正源维和公共钟差维的偏离量；根据各维偏离量进行授时异常归因并计算时间保护级；根据异常归因结果对改正源或观测频点执行降权、隔离、保持或恢复，并通过影子钟差状态和平滑权重输出连续授时结果。本发明能够区分卫星异常、频点异常、改正源异常和本地钟异常，在切换过程中抑制时间跳变，并输出时间保护级，适用于高可靠授时、分布式测量和安全关键同步场景。