时间同步方法及装置
技术领域
本发明涉及导航技术领域，尤其涉及一种时间同步方法及装置。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)可向全球用户提供高质量的定位、导航和授时(Positioning、Navigation and Timing，PNT)等服务，在军事与民用的各个领域发挥着重要的作用。但目前GNSS中，基本服务的精度、完好性、连续性和可用性指标无法满足自动驾驶、测绘、民航等特殊行业用户的应用需求，为此需建设导航增强系统，以提升GNSS服务性能。根据技术体制的不同，导航增强系统分为星基增强系统(SBAS，Satellite-Based Augmentation System)和广域精密定位系统等。
导航增强系统旨在提高基本卫星导航系统在精度、可用性和完好性方面的水平，以满足民航等特殊用户的使用需求。为保证系统服务的可用性和连续性，导航增强系统一般设有多个处理中心同时运行，由播发系统自动对多个处理中心的产品进行选择和播发。但由于通信链路等不确定因素，各处理中心使用的数据源不能保证完全一致，各处理中心解算产品的时间基准存在差异，当处理中心切换时则会导致用户端导航增强服务的跳变。
发明内容
本发明实施例提供了一种时间同步方法及装置。
本发明实施例的第一方面提供了一种时间同步方法，用于导航增强系统中的每个处理中心，其特征在于，包括：
定时向所述导航增强系统系统内其他处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品；
根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差；
根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。
进一步地，所述钟差产品包括：卫星伪随机噪声码号和与所述处理中心对应的本地时间基准下的钟差。
进一步地，所述根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差，包括：
基于卡尔曼滤波算法，根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差；其中，所述卡尔曼滤波算法包括：滤波器初始化、时间更新和量测更新。
进一步地，所述卡尔曼滤波算法选取的滤波状态量包括：本地时间基准与系统时间基准的钟差和钟漂。
进一步地，所述时间更新过程包括：通过
得到第k个历元时刻的所述滤波状态量xk及其方差Pk；其中，dt为时间更新的历元间隔，Φ为状态转移矩阵，xk-1为第k-1个历元时刻的所述滤波状态量，bk-1为第k-1个历元时刻的所述本地时间基准与所述系统时间基准的钟差，
进一步地，所述卡尔曼滤波算法选取的滤波观测量z，通过：
计算得到；其中，Tj为第j个处理中心的本地时间基准，bi,j为第j个处理中心的所述钟差产品，n为所有处理中心共视卫星的个数，i为所述共视卫星中的卫星序号，T为系统时间基准，m为导航增强系统中的处理中心的数量；
所述滤波观测量与所述滤波状态量的关系如下：
zk＝Hxk+v＝[1 0]xk+v，D(v)＝R
其中，zk为第k个历元时刻的所述滤波观测量，H为观测矩阵，xk为第k个历元时刻的所述滤波状态量，v为观测噪声，R为观测噪声的方差。
进一步地，所述量测更新过程包括：通过
K＝Pk-1HT(HPk-1HT+R)-1
得到对应的处理中心更新后的所述滤波状态量
进一步地，所述根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，包括：通过
bi,j'＝bi,j-bk
得到第j个处理中心更新后的本地钟差产品b'i,j；bk为更新后的所述滤波状态量
本发明实施例的第二方面提供了一种时间同步装置，用于导航增强系统中的每个处理中心，包括：
产品交换模块，被配置为定时向所述导航增强系统系统内其他处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品；
基准差计算模块，被配置为根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差；
时间补偿模块，被配置为根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述实施例的第一方面提供的任一项所述的时间同步方法的步骤。
本发明实施例的时间同步方法及装置与现有技术相比存在的有益效果是：首先定时向多个所述处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品，然后根据接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准差，进行时间误差的估计，最后根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，保证了导航增强系统中各处理中心播发产品所用的时间基准的统一，为用户提供稳定的导航增强服务。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种时间同步方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种时间同步方法的实现流程示意图；
图3是本发明实施例提供的时间同步方法的使用效果示意图；
图4是本发明实施例提供的一种时间同步装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种终端设备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，为本实施例提供的时间同步方法的一个实施例实现流程示意图，本发明适用于导航增强系统中的每个处理中心，详述如下：
步骤S101，定时向所述导航增强系统系统内其他处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品。
为保证服务的连续性和可用性，导航增强系统通常建有多个处理中心。本实施例的处理中心定时接收导航增强系统中其他的处理中心发送的钟差产品，同时当前的处理中心还向其他处理中心发送本地的钟差产品。
例如，导航增强系统包括6个处理中心，分别为处理中心1、处理中心2、处理中心3、处理中心4、处理中心5和处理中心6。处理中心1定时接收处理中心2、处理中心3、处理中心4、处理中心5和处理中心6发送的钟差产品，还同时向处理中心2、处理中心3、处理中心4、处理中心5和处理中心6发送钟差产品。相应的，处理中心2、处理中心3、处理中心4、处理中心5和处理中心6也均会定时接收其他处理中心的钟差产品，同时向其他处理中心发送钟差产品，实现了各处理中心的钟差产品的交换，即通过交换处理中心间的钟差产品的方式进行时间同步，确保导航增强系统中各处理中心播发产品所用的时间基准的统一，为用户提供稳定的导航增强服务。
钟差产品为处理中心在本地时间基准下解算的钟差产品。可选的，所述钟差产品包括：卫星伪随机噪声码(Pseudo Random Noise code，PRN)号和与所述处理中心对应的本地时间基准下的精密钟差。
本实施例的钟差产品为定时交换，处理中心定时接收其他处理中心的钟差产品，也会定时向其他处理中心发送本地钟差产品。可选的，该定时的具体时间值可以根据导航增强系统的系统时间基准的稳定性和时间同步指标要求共同确定。例如，对星基增强系统而言，定时的时间值一般为五分钟。
步骤S102，根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差。
具体的，本实施例在非定时时刻，当前处理中心可以利用前一历元时刻的时间基准差(本地时间基准与系统时间基准的差)信息确定当前历元时刻的时间基准差。
在定时时刻，利用处理中心间互相交换的钟差产品进行本地时间基准与系统时间基准差的估计，即当前处理中心根据本地钟差产品和接收的多个钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差。
步骤S103，根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。
本实施例将本地时间基准差(本地时间基准与系统时间基准的差)估计结果补偿到本地钟差产品，实现处理中心间的时间同步。
实际应用中，由于钟差为快速变化量，因此导航增强系统播发钟差改正数的频率较高，如星基增强系统每6秒播发一次钟差改正项，广域精密定位系统每10秒或5秒播发一次精密钟差产品，而每次播发钟差产品前均需要进行中心间的时间基准差异的补偿，即当前处理中心根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。
本实施例通过多处理中心间定时交换各自基准下的钟差产品，每个处理中心定时接收其他处理中心发送的钟差产品，以及向其他中心发送本中心的钟差产品；每个处理中心均根据接收的钟差产品进行中心间时间基准差的估计，将估计结果补偿到本地时间基准下的钟差产品，即根据接收的钟差产品计算本地时间基准差，根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，保证各处理中心间播发钟差产品基准的统一，提升为用户提供导航增强服务的稳定性。
可选的，本实施例利用卡尔曼滤波算法，根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差；其中，所述卡尔曼滤波算法包括：滤波器初始化、时间更新和量测更新。卡尔曼滤波估计的状态量包括：本地时间基准与所述系统时间基准的钟差和钟漂，观测量由交换的钟差产品生成。
本实施例由钟差产品生成观测量的方法可以包括：首先选取共视卫星，然后导航增强系统内的各处理中心计算共视卫星的精密钟差均值，将精密钟差均值作为本地时间基准的观测值。
然后计算各处理中心的时间基准的均值作为系统时间基准的观测值；将本地时间基准观测值与系统时间基准观测值做差作为本地时间基准差估计的观测量；将估计结果补偿到本地钟差产品，即根据本地时间基准差更新本地钟差产品。
可选的，所述根据本地时间基准差更新本地钟差产品的方法可以包括：将本地时间基准下的钟差产品(本地钟差产品)减去卡尔曼滤波器的钟差估计值(本地时间基准与系统时间基准的差)。
所述卡尔曼滤波算法选取的滤波状态量包括：本地时间基准与系统时间基准的钟差和钟漂；所述滤波状态量即为所述本地时间基准与所述系统时间基准的差。
进一步地，所述卡尔曼滤波算法中时间更新过程包括：通过
得到第k个历元时刻的所述滤波状态量xk及其方差Pk；其中，dt为时间更新的历元间隔，Φ为状态转移矩阵，xk-1为第k-1个历元时刻的所述滤波状态量，bk-1为第k-1个历元时刻的所述本地时间基准与所述系统时间基准的钟差，
可选的，本实施例所述的根据本地钟差和接收的多个所述钟差产品计算计算本地时间基准与系统时间基准的差的方法，即为所述卡尔曼滤波算法选取的滤波观测量的方法，通过：
得到滤波观测量z；其中，Tj为第j个处理中心的本地时间基准，bi,j为第j个处理中心的所述钟差产品，n为所有处理中心共视卫星的个数，i为所述共视卫星中的卫星序号，T为系统时间基准，m为导航增强系统中的处理中心的数量。
进一步地，所述滤波观测量与所述滤波状态量的关系如下：
zk＝Hxk+v＝[1 0]xk+v，D(v)＝R
其中，zk为第k个历元时刻的所述滤波观测量，H为观测矩阵，xk为第k个历元时刻的所述滤波状态量，v为观测噪声，R为观测噪声的方差。
可选的，所述卡尔曼滤波算法中量测更新过程包括：通过
K＝Pk-1HT(HPk-1HT+R)-1
得到对应的处理中心更新后的所述滤波状态量
可选的，步骤S103中所述的根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品的具体实现流程包括：通过
b'i,j＝bi,j-b
得到第j个处理中心更新后的本地钟差产品b'i,j；bk为更新后的所述滤波状态量
示例性的，参见图2，本实施例以导航增强系统中的一个处理中心的一种时间同步方法进行说明。
开始：启动处理中心的时间同步软件。
步骤S201，判断是否为定时交换产品的时刻，是则执行步骤S202、203，后执行204；否则执行步骤S204。
步骤S202、向其他处理中心发送本中心的钟差产品，获取其他处理中心的钟差产品。该钟差产品为处理中心本地时间基准下的卫星钟差产品。
步骤S203、计算滤波观测量。
计算滤波观测量具体包括：
1)获取其他处理中心的钟差产品，查找所有处理中心共视卫星，并记录钟差序列bi,j，下标i表示卫星号，下标j表示第j个处理中心。
2)计算观测量。首先取所有共视卫星的钟差平均值作为处理中心j的时间基准估计，记为Tj，计算如下：
所有处理中心的时间基准的均值记为系统时间基准的观测量T，计算如下：
Tj与T的差即为处理中心j的时间基准与系统时间基准差异的状态值z，如下：
z＝Tj-T。
步骤S204，判断是否已完成(本地时间的滤波状态量)初始化，未完成初始化执行步骤S205；否则执行步骤S207。
步骤S205，判断观测量是否可用，不可用则程序结束；可用则执行步骤S206。
步骤S206，根据系统时间基准的性能，在滤波器中进行滤波状态量和协方差矩阵P的初始化，然后执行步骤S210。
k时刻时间同步滤波器的状态量为本地时间基准与系统时间基准的钟差b和钟漂
步骤S207、进行中心间时间基准差状态量的时间更新，前后历元时刻状态量的关系如下：
即：
式中具体解释见上述实施例。
步骤S208，判断时间更新后的观测量是否可用，是则执行步骤S209，否则直接执行步骤S210。
步骤S209，对状态量进行量测更新。
对钟差钟漂状态量进行量测更新的具体步骤包括：
首先计算增益矩阵K：
K＝Pk-1HT(HPk-1HT+R)-1
则量测更新后的观测量及协方差如下：
滤波观测量与状态量的关系为：
zk＝Hxk+v＝[1 0]xk+v，D(v)＝R。
步骤S210，根据本地时间基准差估计值调整当前时刻的本地钟差产品，即将观测量x第一维记录的钟差值b补偿到本地钟差产品上，如下：
bi,j′＝bi,j-b
bi,j′为经本实施例的时间同步方法后的钟差产品，即更新后的本地钟差产品。其中，对非定时时刻，b为步骤S207的时间更新值；对定时时刻，b为步骤S209的量测更新值。
参见图3，为使用本实施例的时间同步方法的处理中心间时间基准同步效果图。如图所示，使用本实施例的时间同步方法后，各个处理中心的时间同步精度优于0.1ns，证明了本实施例的方法的有效性，保证了导航增强系统中各处理中心播发产品的时间基准的一致性，为用户提供稳定的导航增强服务。
上述时间同步方法，定时向多个所述处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品，然后根据接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准差，进行时间误差的估计，最后根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，保证了导航增强系统中各处理中心播发产品所用的时间基准的统一，为用户提供稳定的导航增强服务。
本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的时间同步方法，本实施例提供了一种时间同步装置。具体参见图4，为本实施例中时间同步装置的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
所述时间同步装置包括：产品交换模块110、基准差计算模块120和时间补偿模块130。
产品交换模块110被配置为定时向所述导航增强系统系统内其他处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品。
基准差计算模块120被配置为根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差。
时间补偿模块130被配置为根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。进一步地，所述钟差产品包括：卫星伪随机噪声码号和与所述处理中心对应的本地时间基准下的钟差。
进一步地，所述钟差产品包括：卫星伪随机噪声码号和与所述处理中心对应的本地时间基准下的钟差。
进一步地，所述根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差，包括：
基于卡尔曼滤波算法，根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差；其中，所述卡尔曼滤波算法包括：滤波器初始化、时间更新和量测更新。
进一步地，所述卡尔曼滤波算法选取的滤波状态量包括：本地时间基准与系统时间基准的钟差和钟漂。
进一步地，所述时间更新过程包括：通过
得到第k个历元时刻的所述滤波状态量xk及其方差Pk；其中，dt为时间更新的历元间隔，Φ为状态转移矩阵，xk-1为第k-1个历元时刻的所述滤波状态量，bk-1为第k-1个历元时刻的所述本地时间基准与所述系统时间基准的钟差，
进一步地，所述卡尔曼滤波算法选取的滤波观测量通过：
得到滤波观测量z；其中，Tj为第j个处理中心的本地时间基准，bi,j为第j个处理中心的所述钟差产品，n为所有处理中心共视卫星的个数，i为所述共视卫星中的卫星序号，T为系统时间基准，m为导航增强系统中的处理中心的数量；
所述滤波观测量与所述滤波状态量的关系如下：
zk＝Hxk+v＝[1 0]xk+v，D(v)＝R
其中，zk为第k个历元时刻的所述滤波观测量，H为观测矩阵，xk为第k个历元时刻的所述滤波状态量，v为观测噪声，R为观测噪声的方差。
进一步地，所述量测更新过程包括：通过
K＝Pk-1HT(HPk-1HT+R)-1
得到对应的处理中心更新后的所述滤波状态量
进一步地，所述根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，包括：通过
bi,j'＝bi,j-bk
得到第j个处理中心更新后的本地钟差产品b'i,j；bk为更新后的所述滤波状态量
上述时间同步装置，定时与多个处理中心交换钟差产品，然后根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差，最后根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品，保证了导航增强系统中各处理中心播发产品所用的时间基准的统一，为用户提供稳定的导航增强服务。
本实施例还提供了一种终端设备100的示意图。如图5所示，该实施例的终端设备100包括：处理器140、存储器150以及存储在所述存储器150中并可在所述处理器140上运行的计算机程序151，例如时间同步方法的程序。
其中，处理器140在执行存储器150上所述计算机程序151时实现上述时间同步方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至103。或者，所述处理器140执行所述计算机程序151时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图4所示模块110至130的功能。
示例性的，所述计算机程序151可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器150中，并由所述处理器140执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序151在所述终端设备100中的执行过程。例如，所述计算机程序151可以被分割成产品交换模块110、基准差计算模块120和时间补偿模块130，各模块具体功能如下：
产品交换模块110被配置为定时向所述导航增强系统系统内其他处理中心发送本地钟差产品，并接收多个处理中心发送的钟差产品。
基准差计算模块120被配置为根据本地钟差产品和接收的多个所述钟差产品计算本地时间基准与系统时间基准的差。
时间补偿模块130被配置为根据所述本地时间基准与系统时间基准的差更新本地钟差产品。
所述终端设备100可包括，但不仅限于处理器140、存储器150。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是终端设备100的示例，并不构成对终端设备100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备100还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器140可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器150可以是所述终端设备100的内部存储单元，例如终端设备100的硬盘或内存。所述存储器150也可以是所述终端设备100的外部存储设备，例如所述终端设备100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器150还可以既包括所述终端设备100的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器150用于存储所述计算机程序以及所述终端设备100所需的其他程序和数据。所述存储器150还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模型的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
