一种卫星导航授时方法、系统及相关组件与流程

1.本发明涉及卫星导航领域，特别涉及一种卫星导航授时方法、系统及相关组件。


背景技术：

2.授时(time server)，即授予时间，是一种通过某种方式(无线电波、卫星信号、电话、互联网、光纤)播发标准时间信号的工作。常规的卫星导航授时方法采用通过卫星定位解算得到的系统时间作为参考生成1pps(pulse per second)授时信号。在已知用户位置的情况下，一般只需要1颗卫星就能够实现时间同步，如果能观察到4颗或以上，就能精确定位出接收机天线所在位置、速度和时间信息，进而实现定位、测速和精密授时功能。
3.在单点定位中，授时误差主要来自卫星时钟、卫星星历、电离层延时、对流层延时、路径设备延时等。这些误差中影响最大的是电离层延时误差，当前单频用户常利用官方发布的通用模型对电离层延时进行误差修正。这里的通用模型由设在地面的若干参考站实时观测电离层的离子浓度，计算并统计出某个区域的电离层延时，再拟合构建模型，将对应的八个模型参数广播给单频用户。然而该通用模型的拟合度有限，在实际应用中修正精度只有60％左右，修正效果不够理想。
4.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星导航授时方法、系统及相关组件。其具体方案如下：一种卫星导航授时方法，包括：
6.获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系；
7.根据授时终端的当前位置和当前时刻，通过所述延时关系，确定所述授时终端对应所述电离层特征点的当前天顶方向电离层延时；
8.根据所述授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定当前天顶方向电离层延时对应的当前电离层延时并进行授时；
9.获取任一时刻、任一区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时的过程，具体包括：
10.确定该时刻、该区域的测试终端，并选择目标测试卫星；
11.根据所述目标测试卫星对所述测试终端的通信总延时、设备延时和对流层延时，确定所述测试终端的电离层延时；
12.根据所述测试终端和所述目标测试卫星的相对位置，利用所述电离层延时确定所述测试终端对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时。
13.优选的，所述选择目标测试卫星的过程，包括：
14.从所述测试终端的授时卫星范围内确定满足测试条件的目标测试卫星；
15.所述测试条件包括：载噪比超过第一预设值、和/或仰角超过预设仰角、和/或载波跟踪稳定性超过第二预设值、和/或伪距测量误差小于预设误差。
16.优选的，所述获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：
17.获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，对所有所述天顶方向电离层延时进行项目加权，建立延时关系。
18.优选的，所述对所有所述天顶方向电离层延时进行项目加权，建立延时关系的过程，包括：
19.根据对应的所述目标测试卫星，对所有所述天顶方向电离层延时进行载噪比加权、和/或载波多普勒加权、和/或仰角加权，建立延时关系。
20.优选的，所述获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：
21.获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系表格。
22.优选的，所述获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：
23.获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，并根据所有所述天顶方向电离层延时进行数据拟合，建立延时关系函数。
24.优选的，不同区域具体为不同地磁纬度的区域。
25.相应的，本技术还公开了一种卫星导航授时系统，包括：
26.关系模块，用于获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系；
27.延时确定模块，用于根据授时终端的当前位置和当前时刻，通过所述延时关系，确定所述授时终端对应所述电离层特征点的当前天顶方向电离层延时；
28.授时模块，用于根据所述授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定当前天顶方向电离层延时对应的当前电离层延时并进行授时；
29.所述关系模块包括：
30.硬件设置单元，用于确定任一时刻、任一区域对应的电离层特征点的测试终端，并选择目标测试卫星；
31.第一计算单元，用于根据所述目标测试卫星对所述测试终端的通信总延时、设备延时和对流层延时，确定所述测试终端的电离层延时；
32.第二计算单元，用于根据所述测试终端和所述目标测试卫星的相对位置，利用所述电离层延时确定所述测试终端对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时。
33.相应的，本技术还公开了一种卫星导航授时装置，包括：
34.存储器，用于存储计算机程序；
35.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述卫星导航授时方法的步骤。
36.相应的，本技术还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述卫星导航授时方法的步骤。
37.本技术公开了一种卫星导航授时方法，包括：获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系；根据授时终端的当前位置和当前时刻，通过所述延时关系，确定所述授时终端对应所述电离层特征点的当前天顶方向电离层延时；根据所述授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定当前天顶方向电离层延时对应的当前电离层延时并进行授时。本技术建立了具体时刻和具体区域的天顶方向电离层延时，针对具体的授时终端查询相应的天顶方向电离层延时，能够更为准确地进行误差计算和卫星授时，修正效率和结果准确度明显高于现有技术。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
39.图1为本发明实施例中一种卫星导航授时方法的步骤流程图；
40.图2为本发明实施例中一种卫星导航授时方法的子步骤流程图；
41.图3为本发明实施例中一种地磁纬度的计算示意图；
42.图4为本发明实施例中一种卫星导航授时系统的结构分布图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.当前单频用户常利用官方发布的通用模型对电离层延时进行误差修正。这里的通用模型由设在地面的若干参考站实时观测电离层的离子浓度，计算并统计出某个区域的电离层延时，再拟合构建模型，将对应的八个模型参数广播给单频用户。然而该通用模型的拟合度有限，在实际应用中修正精度只有60％左右，修正效果不够理想。本技术建立了具体时刻和具体区域的天顶方向电离层延时，针对具体的授时终端查询相应的天顶方向电离层延时，能够更为准确地进行误差计算和卫星授时，修正效率和结果准确度明显高于现有技术。
45.本发明实施例公开了一种卫星导航授时方法，参见图1和图2所示，包括：
46.s1：获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系；
47.s2：根据授时终端的当前位置和当前时刻，通过延时关系，确定授时终端对应电离层特征点的当前天顶方向电离层延时；
48.s3：根据授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定当前天顶方向电离层延时对应的当前电离层延时并进行授时；
49.可以理解的是，电离层延时与电离层离子浓度具有密切的相关性，由于电离层离子浓度随着区域、时刻的不同存在较为明显的差异，因此考虑到本实施例对延时准确性的需求，在步骤s1中建立不同的电离层特征点在天顶方向电离层延时和时刻、区域的延时关
系。具体的，电离层特征点即为任一授时终端与其对应的授时卫星的通讯路径在穿过电离层时的穿刺点。
50.具体的，s1中获取任一时刻、任一区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时的过程，具体包括：
51.s11：确定该时刻、该区域的测试终端，并选择目标测试卫星；
52.可以理解的是，该区域应当位于可见卫星所覆盖的区域。
53.s12：根据目标测试卫星对测试终端的通信总延时、设备延时和对流层延时，确定测试终端的电离层延时；
54.s13：根据测试终端和目标测试卫星的相对位置，利用电离层延时确定测试终端对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时。
55.在之前的常规技术中，单频用户利用用户与导航卫星的相对位置建立电离层模型并进行电离层延时误差的修正，具体按照以下公式确定电离层延时：
[0056][0057]
f＝1.0 16.0
×
(0.53
‑
θ)3；
[0058][0059]
其中，δτ
ion
为电离层延时，单位为秒，f为相对导航卫星的倾斜因子，θ为相对导航卫星的仰角，x为中间过渡变量，φ
im
为电离层特征点的地磁纬度，α
i
和β
i
均为官方发布的电离层模型中对应的参数。
[0060]
可以看出，常规的电离层模型并没有考虑具体位置或时刻下电离层离子浓度不一致的情况，因此实际精度较差，修正效果不够理想。
[0061]
本实施例通过步骤s11
‑
s13的动作，进行多次测试获取大量的测试数据，最终得到确定的延时关系，该延时关系具体为电离层特征点在天顶方向电离层延时与时刻、区域的关系。可以理解的是，每次测试时，测试终端具有特定的时刻和区域，目标测试卫星确定，该目标测试卫星对应的通信总延时、设备延时和对流层延时可较为准确地获取，进而推算出此时测试终端的电离层延时，继而反向推导出其对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时。
[0062]
进一步的，将步骤s11
‑
s13得到的延时关系应用于实际的授时终端的卫星导航授时中，此时沿用类似常规算法的模型，利用当前授时终端的当前位置、当前时刻，获取其对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据该授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定倾斜因子，然后根据倾斜因子和天顶方向电离层延时确定实际的电离层延时，再根据电离层延时进行授时，此时对电离层延时误差的修正结果，其准确度要明显高于常规技术。
[0063]
本技术建立了具体时刻和具体区域的天顶方向电离层延时，针对具体的授时终端查询相应的天顶方向电离层延时，能够更为准确地进行误差计算和卫星授时，修正效率和
结果准确度明显高于现有技术。
[0064]
本发明实施例公开了一种具体的卫星导航授时方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。
[0065]
具体的，步骤s11中选择目标测试卫星的过程，包括：
[0066]
从测试终端的授时卫星范围内确定满足测试条件的目标测试卫星；
[0067]
测试条件包括：载噪比cn0超过第一预设值、和/或仰角超过预设仰角、和/或载波跟踪稳定性超过第二预设值、和/或伪距测量误差小于预设误差。
[0068]
可以理解的是，测试终端对应的目标测试卫星的选择，目的是希望除了电离层延时外的其他延时尽量准确可测，这种测试卫星通常是载噪比cn0较高、高仰角、载波跟踪稳定、伪距测量误差小的卫星，因此设置上述测试条件，从授时卫星范围内确定目标测试卫星，进行后续测试。只需要在通信总延时中减去设备延时、对流层延时，即可得到此时的电离层延时，然后再推得天顶方向电离层延时。可以理解的是，此处延时关系实际内含测试终端的本地时间与电离层延时的对应关系。
[0069]
进一步的，获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：
[0070]
获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，对所有天顶方向电离层延时进行项目加权，建立延时关系。
[0071]
具体的，根据对应的目标测试卫星，对所有天顶方向电离层延时进行载噪比加权、和/或载波多普勒加权、和/或仰角加权，建立延时关系。
[0072]
可以理解的是，考虑其上计算过程中每一项参数对延时的影响高低不同，可进行不同项的加权，建立更为具体的延时关系。
[0073]
进一步的，在得到大量的测试数据后，可直接建立具体的延时关系表格作为后续使用的延时关系，也可以根据所有所述天顶方向电离层延时进行数据拟合，建立延时关系函数作为后续使用的延时关系，即：获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系表格；或获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系的过程，包括：获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，并根据所有所述天顶方向电离层延时进行数据拟合，建立延时关系函数。可以理解的是，数据拟合得到的延时关系函数，具有补充修正的作用，相对延时关系表格，计算数据量较小的基础上获得更为准确可靠的结果。
[0074]
可以理解的是，理想的延时关系应该包括全球各个区域、24小时内的所有延时关系，但即使卫星数量足够多，测试数据也难以覆盖全球，因此获取的测试数据常规对应授时需求频繁的区域，在需求较低的区域，在第一次出现授时需求时将其作为测试终端确定此处的延时关系。进一步的，地理位置相近的测试终端可将其归为同一个区域，此处区域并非行政意义上的区域，而是地理上仍两点间均可忽略相对延时误差的地理区块，不同区域具体为不同地磁纬度的区域，地磁纬度可通过对地经度和对低纬度计算得到。
[0075]
具体的，如图3所示，目标测试卫星b与测试终端p的通信路径在电离层有穿刺点，该穿刺点即为电离层特征点c，通常电离层高度为350km，即电离层特征点c相对地球表面的
高度设为h＝350km，本实施例中使用单位角度为半周角180
°
，时间单位为秒。
[0076]
计算电离层特征点c与测试终端p之间的地心角为其中θ为测试终端p相对目标测试卫星b的仰角。
[0077]
计算电离层特征点c的对地纬度为φ
i
＝φ
u
ψcosa，如果φ
i
＞ 0.416，则令φ
i
＝ 0.416，如果φ
i
＜
‑
0.416，则令φ
i
＝
‑
0.416，其中a为测试终端p相对目标测试卫星b的方位角，φ
u
为测试终端p的纬度。
[0078]
以西经为负，计算电离层特征点c的对地经度为其中λ
u
为测试终端p的经度。
[0079]
再计算可得电离层特征点c的地磁纬度为φ
m
＝φ
i
0.064cos(λ
i
‑
1.617)。
[0080]
进一步的，还可确定电离层特征点c的本地时间为t＝4.32
×
104λ
i
t
gps
，单位为秒。
[0081]
可以理解的是，通过步骤s11
‑
s13确定了不同区域、不同时刻对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时并得到延时关系，该延时关系内含具体时刻和区域的延时特征，能够为后续授时终端的延时误差修正提供更为精确的修正依据。
[0082]
相应的，本技术实施例公开了一种卫星导航授时系统，参见图4所示，包括：
[0083]
关系模块1，用于获取不同时刻、不同区域的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系；
[0084]
延时确定模块2，用于根据授时终端的当前位置和当前时刻，通过延时关系，确定授时终端的当前天顶方向电离层延时；
[0085]
授时模块3，用于根据授时终端和对应的授时卫星的相对位置，确定当前天顶方向电离层延时对应的当前电离层延时并进行授时；
[0086]
关系模块1包括：
[0087]
硬件设置单元11，用于确定任一时刻、任一区域的测试终端，并选择目标测试卫星；
[0088]
第一计算单元12，用于根据目标测试卫星对测试终端的通信总延时、设备延时和对流层延时，确定测试终端的电离层延时；
[0089]
第二计算单元13，用于根据测试终端和目标测试卫星的相对位置，利用电离层延时确定测试终端对应的天顶方向电离层延时。
[0090]
本技术建立了具体时刻和具体区域的天顶方向电离层延时，针对具体的授时终端查询相应的天顶方向电离层延时，能够更为准确地进行误差计算和卫星授时，修正效率和结果准确度明显高于现有技术。
[0091]
在一些具体的实施例中，硬件设置单元11具体用于：
[0092]
从所述测试终端的授时卫星范围内确定满足测试条件的目标测试卫星；
[0093]
所述测试条件包括：载噪比超过第一预设值、和/或仰角超过预设仰角、和/或载波跟踪稳定性超过第二预设值、和/或伪距测量误差小于预设误差。
[0094]
在一些具体的实施例中，关系模块1具体用于：
[0095]
获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，对所有所述天顶方向电离层延时进行项目加权，建立延时关系。
[0096]
在一些具体的实施例中，关系模块1具体用于：
[0097]
根据对应的所述目标测试卫星，对所有所述天顶方向电离层延时进行载噪比加权、和/或载波多普勒加权、和/或仰角加权，建立延时关系。
[0098]
在一些具体的实施例中，关系模块1具体用于：
[0099]
获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，根据所有所述天顶方向电离层延时建立延时关系表格。
[0100]
在一些具体的实施例中，关系模块1具体用于：
[0101]
获取不同时刻、不同区域对应的电离层特征点的天顶方向电离层延时，并根据所有所述天顶方向电离层延时进行数据拟合，建立延时关系函数。
[0102]
在一些具体的实施例中，不同区域具体为不同地磁纬度的区域。
[0103]
相应的，本技术实施例还公开了一种卫星导航授时装置，包括：
[0104]
存储器，用于存储计算机程序；
[0105]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述卫星导航授时方法的步骤。
[0106]
相应的，本技术实施例还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述卫星导航授时方法的步骤。
[0107]
其中，具体有关卫星导航授时方法的相关内容可以参照上文实施例中的细节描述，此处不再赘述。
[0108]
其中，本技术实施例中的卫星导航授时装置和可读存储介质具有与上文实施例相同的技术效果，此处不再赘述。
[0109]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0110]
以上对本发明所提供的一种卫星导航授时方法、系统及相关组件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。