卫星导航系统时间监测与评估技术

时间是卫星导航系统的核心和基础。本书以时间同步和溯源关系为主线，系统介绍卫星导航系统中所涉及的各种时间及其相互关系，以及卫星导航时间监测、评估和应用研究工作。针对卫星导航的基础功能——授时功能，详细分析卫星导航系统授时过程及授时性能要求，重点介绍卫星导航授时偏差监测和授时性能评估理论和方法，以及接收机时延校准关键技术。此外，面向当前多系统导航中的时间兼容与互操作的热点问题，介绍多系统导航中系统时间偏差产生特点及处理方法，给出系统时间偏差辅助定位与完好性分析方法。最后，结合北斗卫星导航系统工程建设实际需要，建成系统时间监测和授时性能评估平台，对卫星导航授时性能进行测试评估和比较分析，评估结果成为北斗大系统决策的重要依据。

本书可供卫星导航、测绘领域科研人员及高校师生，特别是时间科学领域研究人员和时间频率设备研制工程技术人员阅读参考。

第1章绪论1

1.1卫星导航系统概述1

1.1.1BDS2

1.1.2GPS6

1.1.3GLONASS9

1.1.4Galileo13

1.1.5其他导航系统16

1.2卫星导航系统中的时间18

1.2.1卫星导航系统的时间架构及同步18

1.2.2世界时19

1.2.3国际原子时20

1.2.4协调世界时21

1.2.5卫星导航系统的时间参数23

1.3多模导航时间互操作的发展26

1.3.1多模导航兼容与互操作26

1.3.2GPS时间互操作27

1.3.3GLONASS时间互操作28

1.3.4Galileo时间互操作29

1.3.5BDS时间互操作30

1.4卫星导航时间监测与评估现状30

1.4.1时间监测及评估的必要性及意义30

1.4.2时间监测国内外现状31

1.4.3授时性能评估国内外现状32

参考文献33

第2章卫星导航系统时间及授时36

2.1卫星导航系统时间的产生机制和特点36

2.2卫星导航系统时间的定义及溯源38

2.2.1卫星导航系统时间定义38

2.2.2卫星导航系统时间溯源40

2.3卫星导航系统时间的产生及溯源40

2.3.1GPS时间的产生及溯源40

2.3.2GLONASS时间的产生及溯源44

2.3.3Galileo系统时间的产生及溯源45

2.3.4BDS时间的产生及溯源49

2.4卫星导航授时过程51

2.4.1定位与授时的关系51

2.4.2卫星导航的授时原理52

2.4.3时间参数对卫星导航的影响54

2.4.4卫星授时的误差分布55

2.5静态用户接收机钟差计算原理56

2.5.1伪距与载波相位观测量56

2.5.2接收机钟差解算原理60

2.5.3频间偏差改正61

2.5.4星地几何距离改正65

2.5.5卫星钟差改正66

2.5.6电离层延迟误差改正67

2.5.7对流层延迟改正68

参考文献72

第3章卫星导航时间偏差监测75

3.1卫星导航时间偏差监测综述75

3.1.1时间偏差单向监测的时间传递关系75

3.1.2卫星导航广播时间偏差监测综述76

3.2单站时间偏差监测方法81

3.2.1单站时间偏差监测原理81

3.2.2监测接收机时钟架构83

3.2.3监测接收机时钟同步84

3.2.4单站时间偏差监测结果分析86

3.3GGTO监测方法90

3.3.1基于时间比对链路的GGTO监测方法90

3.3.2接收空间信号的GGTO监测方法97

3.3.3接收空间信号方法与时间比对链路组合方法99

3.4时间偏差数据平滑处理方法101

3.4.1二次多项式钟差拟合方法101

3.4.2Vondrak滤波方法103

3.4.3GGTO预报方法105

参考文献106

第4章多模导航系统时间偏差处理方法108

4.1多模导航系统时间偏差处理综述108

4.2单系统用户定位算法及精度因子110

4.3系统级GGTO获取及处理方法110

4.3.1GGTO获取110

4.3.2系统级GGTO处理方法116

4.4用户级GGTO处理方法118

4.5系统级与用户级GGTO处理方法的比较120

4.5.1系统级与用户级GGTO处理方法对DOP值的影响120

4.5.2系统级与用户级GGTO处理方法对定位精度的影响122

4.6GGTO辅助多系统组合导航方法123

4.6.1GGTO辅助多系统导航方法概述123

4.6.2GGTO辅助导航方法设计124

参考文献126

第5章系统时间偏差辅助完好性分析方法127

5.1GNSS完好性与完好性要求127

5.2卫星导航系统完好性监测130

5.2.1系统级完好性监测130

5.2.2接收机自主完好性监测132

5.3GNSS时间偏差辅助完好性监测137

5.3.1系统时间偏差约束的RAIM137

5.3.2系统时间偏差同步的RAIM138

5.4系统时间偏差对组合导航系统的完好性改善分析139

5.4.1系统时间偏差改善RAIM可用性分析139

5.4.2系统时间偏差改善故障检测分析141

5.4.3系统时间偏差改善故障识别分析143

参考文献145

第6章卫星导航系统授时性能评估方法147

6.1卫星导航系统授时的不确定度组成147

6.2GNSS授时性能指标的发展及定义149

6.2.1GNSS授时性能指标的发展历程149

6.2.2最新GNSS授时性能指标150

6.2.3GNSS授时性能指标153

6.3授时性能评估方法153

6.3.1授时准确度评估153

6.3.2协调世界时偏差误差评估156

6.3.3时间传递准确度评估162

6.3.4附加指标评估163

参考文献167

第7章GNSS时间监测评估系统168

7.1GNSS时间监测评估系统设计概述168

7.1.1系统基本架构设计168

7.1.2系统基本组成170

7.1.3系统特点分析171

7.2GNSS时间监测评估系统设计要求172

7.2.1监测站组成及关键组件要求172

7.2.2数据处理中心要求175

7.3GNSS时间偏差监测评估系统设计及实现176

7.3.1GNSS时间偏差监测评估系统组成及工作原理176

7.3.2监测站软件数据处理179

7.3.3数据处理中心软件数据处理181

7.3.4监测评估系统实现183

7.4时间偏差监测评估结果分析185

7.4.1BDS广播系统时间偏差监测和授时性能评估185

7.4.2GNSS广播系统时间偏差监测评估187

7.4.3GNSS广播协调世界时监测评估189

7.4.4GGTO监测评估193

7.4.5UT1监测评估197

参考文献198

第8章接收设备延迟的校准方法199

8.1接收设备延迟的特点199

8.1.1接收设备延迟的组成199

8.1.2接收设备延迟的种类200

8.2天线延迟的校准201

8.2.1接收天线的种类201

8.2.2天线延迟的校准难点202

8.2.3采用三角帽法校准天线延迟205

8.3接收机延迟的相对校准206

8.3.1接收机延迟的相对校准方法206

8.3.2相对校准的应用207

8.4接收机延迟的绝对校准208

8.4.1接收机的定时特性208

8.4.2接收机延迟的绝对校准原理210

8.4.3卫星信号模拟器的校准211

8.4.4接收机延迟的绝对校准方法212

8.4.5绝对校准的表征方式215

8.5外部参考信号相位差对接收机延迟的影响216

8.5.1外部参考信号相位差的定义216

8.5.2TtP与接收机延迟的关系216

8.5.3TtP对校准结果的影响218

参考文献221

第9章GNSS时间服务的风险分析及告警机制224

9.1GNSS时间性能指标概述224

9.1.1GNSS性能指标224

9.1.2GNSS时间性能指标226

9.1.3GNSS时间性能指标关系227

9.2GNSS时间服务依赖性及风险分析228

9.2.1对GNSS时间服务的依赖228

9.2.2风险分析230

9.3GNSS时间服务风险告警机制232

9.3.1现有的风险告警232

9.3.2风险告警机制概述234

9.3.3风险预判235

9.3.4风险告警237

参考文献239