GNSS授时性能评估方法
技术领域
本发明涉及一种全球卫星导航系统(GNSS)授时性能的评估方法，尤其是针对不同导航系统建立了统一的授时评估准则和性能表征体系。
背景技术
卫星授时系统包括GPS、GLONASS、GALILEO和北斗，GPS授时性能规定GPS时间溯源到美国海军天文台保持的协调世界时(UTC(USNO))，精度优于90ns(1σ)；GLONASS授时性能规定GLONASS时间溯源到俄罗斯时间与空间计量研究院保持的协调世界时(UTC(SU))，精度优于1μs(99.7％)；Galileo相关信息较不明确，有资料表明Galileo时间是以欧洲某个试验室联合保持的UTC(k)为时间基准，与UTC的偏差小于50ns，偏差的不确定度小于28ns(2σ)；北斗授时性能规定BDS时间通过UTC(NTSC)与协调世界时(UTC)建立联系，与UTC的精度优于100ns(1σ)。以上这些授时系统的时间参考有溯源至UTC(k)，也有溯源至UTC，同时性能表征包含均方误差、1σ、2σ、99.7％等，表征方法不统一使得各授时系统之间相对独立，缺乏统一的评价准则，无法建立有效的联系。
目前国内尚无对GNSS授时性能进行评估的参考标准及专利，仅有一些组织发布的建议，这些建议缺乏权威性，公布的数据不具有可比性，依然没有统一授时性能的评价标准。而指标表征方式也存在差异，各权威机构官方发布的文件中，均无明确定义授时指标该如何表征，有稳定度、准确度、不确定度、偏差等，各种参数表述不够清晰，相互之间存在较大差异，甚至对同一授时系统的指标表征也不一致，给用户的使用与体验带来了众多不便。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于空间信号监测评估GNSS授时性能的方法，通过测试卫星广播UTC时间与实际UTC的偏差，以此建立GNSS授时性能的评估准则，利用最大值、最小值、平均值和标准差表征卫星授时系统的性能指标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)通过伪距修正计算GNSS卫星广播的系统时间与接收机时间的偏差τS,R(i)＝ρ/c-ρ0/c-τclk-τrela-τiono-τtropo-τsagnac-τchan-τother，其中，ρ为卫星到接收机的伪距，c为电波传播速度，τclk为卫星钟差，τrela为相对论效应校正量，τiono、τtropo分别为信号传输的电离层延迟和对流层延迟，τsagnac为Sagnac修正量，τchan为接收端延迟，τother为多径效应等因素引起的其它延迟，ρ0/c为通过星历计算的从卫星到达接收机的几何路径时延；
(2)计数器测量国家授时中心主钟时间与接收机本地时间的偏差τC,R＝UTC(NTSC)-REV，其中，UTC(NTSC)为国家授时中心主钟保持的1PPS时间信号，REV为接收机输出的1PPS时间信号；
(3)计算国家授时中心主钟时间与GNSS卫星广播系统时间的偏差τC,S(i)＝τC,R-τS,R(i)；
(4)计算GNSS卫星广播的UTC时间τS,UTC(i)＝τC,S(i)-τtrace，其中，τtrace为导航电文广播的溯源数据；
(5)获取BIPM T公报发布的实际UTC时间τBIPM＝UTC-UTC(NTSC)；
(6)计算卫星的授时误差σS,UTC(i)＝τBIPM-τS,UTC(i)；
(7)计算整个星座的授时误差
本发明的有益效果是：(1)建立了统一的GNSS授时性能评估准则，不仅能够评估单颗卫星的授时性能，还能评估整个星座的授时性能；(2)摆脱了授时领域指标评价混乱的状态，使得各系统之间具有可比性，支撑卫星导航授时系统之间的兼容与互操作；(3)这种评估方法也可应用于地基授时系统。
附图说明
图1是GNSS授时性能评估的原理图；
图2是GPS卫星授时误差示意图；
图3是GLONASS卫星授时误差示意图；
图4是北斗卫星授时误差示意图；
图5是GNSS星座授时误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
授时就是发播标准时间信号使用户获得UTC的过程，对卫星授时系统广播UTC的准确度进行测试，以此评估GNSS授时性能。一方面利用国家授时中心产生与保持的标准时间频率信号UTC(NTSC)，放置一台GNSS接收机监测卫星发射的导航信号，通过时差修正获得各颗卫星广播UTC与UTC(NTSC)的时差；另一方面利用国际权度局(BIPM)发布的T公报数据，获得实际UTC与UTC(NTSC)的时差，二者相减得到各颗卫星的授时误差。性能指标通过最大值、最小值、平均值和标准差进行表征，最大值与最小值体现了卫星广播UTC时间与实际UTC偏差的变化范围；平均值表征了卫星广播UTC时间的准确度，反映了GNSS授时精度；标准差表征了卫星广播UTC时间的离散程度，反映了授时误差的分布情况。
如图1所示，本发明在国家授时中心放置GNSS定时接收机，通过溯源模型、星钟模型、发射通道偏差、接收端延迟等参数对接收机输出的伪距进行修正，得到卫星广播的UTC时间；同时利用BIPM T公报发布的UTC-UTC(NTSC)数据，得到实际的UTC时间。通过比对卫星广播UTC时间与实际UTC时间的时差，得到用户获得的授时误差。本发明的具体步骤如下：
(1)通过伪距修正计算GNSS卫星广播的系统时间与接收机时间的偏差τS,R(i)：
其中，SvGNSST(i)为第i颗GNSS卫星广播的系统时间，ρ为卫星到接收机的伪距，τclk为卫星钟差，τrela为相对论效应校正量，τiono、τtropo分别为信号传输的电离层延迟和对流层延迟，τsagnac为Sagnac修正量，τchan为接收端延迟，τother为多径效应等因素引起的其它延迟，ρ0/c为通过星历计算的从卫星到达接收机的几何路径时延，也可表示为：
其中，xS,yS,zS为卫星位置，通过导航电文中星历参数计算得到；xR,yR,zR为接收机位置，由测绘部门精密测量得到；
(2)计数器测量国家授时中心主钟时间与接收机本地时间的偏差：
τC,R＝UTC(NTSC)-REV(3)
其中，UTC(NTSC)为国家授时中心主钟保持的1PPS时间信号，REV为接收机输出的1PPS时间信号，τC,R为计数器测量两路1PPS时间信号之间的偏差；
(3)计算国家授时中心主钟时间与GNSS卫星广播系统时间的偏差τC,S(i)：
τC,S(i)＝UTC(NTSC)-SvGNSST(i)＝τC,R-τS,R(i)(4)
(4)计算GNSS卫星广播的UTC时间：
τS,UTC(i)＝UTC(k)-UTC(NTSC)＝τC,S(i)-τtrace(5)
其中，τS,UTC(i)为第i颗GNSS卫星广播的UTC时间，τtrace为导航电文广播的溯源数据UTC(k)-SvGNSST(i)；
(5)获取BIPM T公报发布的实际UTC时间τBIPM：
τBIPM＝UTC-UTC(NTSC) (6)
(6)计算卫星的授时误差σS,UTC(i)：
σS,UTC(i)＝τBIPM-τS,UTC(i)(7)
(7)计算整个星座的授时误差σS,UTC：
其中，n为可见卫星数，w(i)为每颗卫星的权重，可根据信号观测质量设置每颗卫星的权重，对同一时刻各导航系统的可见卫星进行加权平均，即可得到各系统整个星座的评估结果。
图2～图4分别是GPS、GLONASS和北斗部分卫星的授时误差，图5是三大系统整个星座的授时误差，表1是对整个星座性能指标表征的统计情况。
表1 GNSS星座授时误差的指标表征情况(单位：纳秒)
