GNSS空間信號法時差監(jiān)測方法與結(jié)果分析

章潔君，陳俊平,2，張益澤,3

(1. 中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030； 2. 中國科學(xué)院上海天文臺上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室，上海 200030； 3. 同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

GNSS空間信號法時差監(jiān)測方法與結(jié)果分析

章潔君1，陳俊平1,2，張益澤1,3

(1. 中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030； 2. 中國科學(xué)院上海天文臺上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室，上海 200030； 3. 同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

比較了3種基于GNSS空間信號進(jìn)行時差監(jiān)測的方法，其中，單站精密單點(diǎn)定位(PPP)時差監(jiān)測法依賴于衛(wèi)星軌道和鐘差的精度，高精度PPP一般采用事后處理的方法；網(wǎng)解時差監(jiān)測法受衛(wèi)星軌道誤差的影響較小，且不受衛(wèi)星鐘差誤差的影響，因此能夠用于高精度時差實(shí)時監(jiān)測。為分析不同方法時差監(jiān)測的差異，在距離不同的時間實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行了時差試驗(yàn)，試驗(yàn)中將外接相同原子鐘的兩個測站的時差用于評定時差監(jiān)測的精度，而相距2000 km的測站用于驗(yàn)證高精度實(shí)時時差監(jiān)測的精度。結(jié)果表明：①實(shí)時網(wǎng)解與事后PPP時差監(jiān)測的精度相當(dāng)，達(dá)到了0.16 ns；②采用PPP方法，是否固定站坐標(biāo)時差結(jié)果差異的RMS為0.04 ns；③采用實(shí)時網(wǎng)解的方法，對于相隔數(shù)千千米的測站實(shí)時時差監(jiān)測，其與PPP后處理結(jié)果的差異約為0.14 ns。

時差監(jiān)測；空間信號法；實(shí)時網(wǎng)解；PPP

傳統(tǒng)的時差監(jiān)測方法主要有衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法(TWSTFT)和衛(wèi)星共視法等方法，其中，TWSTFT利用專用的時間同步鏈路，系統(tǒng)復(fù)雜且經(jīng)濟(jì)成本較高，衛(wèi)星共視方法是基于對GNSS衛(wèi)星的偽距觀測值，其精度較差[1-2]。結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，近年來基于導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號的時差監(jiān)測技術(shù)得到了較快發(fā)展，提高了時差監(jiān)測的實(shí)時性及監(jiān)測精度[3-5]?？臻g信號法時差監(jiān)測主要有兩種方法：PPP技術(shù)和多站網(wǎng)解技術(shù)[6]。單站精密單點(diǎn)定位技術(shù)在求取測站坐標(biāo)的同時求取測站鐘差參數(shù)；它要求固定衛(wèi)星軌道和鐘差，因此高精度的PPP時差測量一般采用后處理的方式[7-8]。多站網(wǎng)解技術(shù)固定了參考站的坐標(biāo)及鐘差參數(shù)，求解其他站的相對鐘差，同時衛(wèi)星鐘差也作為參數(shù)進(jìn)行求解；網(wǎng)解技術(shù)中衛(wèi)星軌道誤差對網(wǎng)解數(shù)據(jù)處理影響較小，并且其影響最大的徑向部分會被衛(wèi)星鐘差參數(shù)吸收，因此網(wǎng)解技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的實(shí)時時差監(jiān)測[9]。

本文擬比較分析基于PPP及網(wǎng)解技術(shù)時差監(jiān)測的模型和數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計(jì)時間實(shí)驗(yàn)室的時差監(jiān)測試驗(yàn)，通過時差參數(shù)的精度及穩(wěn)定性情況評定這兩種方法時差監(jiān)測的精度，驗(yàn)證基于網(wǎng)解技術(shù)長距離實(shí)時時差監(jiān)測的可行性。

1 GNSS空間信號法時差監(jiān)測原理

GNSS空間信號法時差監(jiān)測方法一般采用非差無電離層組合模型，其偽距、相位觀測方程如下

(1)

時差解算中，衛(wèi)星位置一般可采用精密軌道進(jìn)行固定，測站坐標(biāo)可以作為參數(shù)估計(jì)或固定為精確已知值；接收機(jī)鐘差、模糊度等參數(shù)一般作為參數(shù)估計(jì)。采用PPP進(jìn)行時差監(jiān)測需要固定衛(wèi)星的鐘差，因此這種方法在實(shí)時處理中精度受到實(shí)時鐘差精度的約束，基于廣播星歷的鐘差精度能夠達(dá)到大約2～5 ns[11]。網(wǎng)解技術(shù)則將衛(wèi)星鐘差也作為待求參數(shù)，因此其精度不受輸入衛(wèi)星鐘差精度的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的實(shí)時解算[12]。網(wǎng)解技術(shù)中測站和衛(wèi)星鐘差參數(shù)的同時解算存在秩虧，需要定義一個鐘差基準(zhǔn)，從而解算的鐘差參數(shù)都是相對該基準(zhǔn)的相對鐘差[13]。

以上的數(shù)據(jù)處理都是基于相位觀測，單站的相位處理由于模糊度無法固定，一般存在一定的收斂時間?；诰W(wǎng)解的相位處理可進(jìn)行雙差模糊度固定，因此其實(shí)時收斂的時間更短。

獲取的鐘差參數(shù)包含了接收機(jī)設(shè)備時延，對于定時接收機(jī)該時延值可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高精度標(biāo)定。對于外接時頻信號T(A)的GNSS接收機(jī)A，以上鐘差結(jié)果扣除設(shè)備時延后，得到的測站鐘差為外接時間信號T(A)與衛(wèi)星系統(tǒng)時間GNSST之差[14]

δA=GNSST-T(A)

(2)

不同接收機(jī)鐘差作差得到外接時頻信號的差異，即為時差測量值

ΔT=δA-δB

=GNSST-T(A)-GNSST-T(B)

=T(B)-T(A)

(3)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

對GNSS信號法時差監(jiān)測方法進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中在成都某時頻實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)場架設(shè)5臺GNSS接收機(jī)，其中1臺接收機(jī)REF連接了該實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)時頻信號，另外4臺(A、B、C、D)是為了此次測試在其附近臨時架設(shè)的，此外將距離測試場地約為2000 km的測站E也加入處理分析。以上測站中A、B站外接至同一臺原子鐘。試驗(yàn)測量了2015年第228和229年積日的數(shù)據(jù)，并分別使用事后PPP和實(shí)時網(wǎng)解技術(shù)獲取測站鐘差。實(shí)時網(wǎng)解中以實(shí)驗(yàn)室原子鐘作為基準(zhǔn)，求取其他測站相對于REF站的時差。

2.1 時差結(jié)果分析

由于PPP時差測量需要收斂，因此結(jié)果比較中不包含剛開始觀測的1小時數(shù)據(jù)。由于篇幅限制，僅圖1給出網(wǎng)解技術(shù)所得的測站鐘差(扣除了線性項(xiàng))的結(jié)果，圖2為各測站相對于A站的時差計(jì)算值，表1在圖1的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)了擬合殘差，作為時差測量的精度。

圖1 網(wǎng)解時差監(jiān)測測站鐘差序列

分析圖1和圖2可知，測站鐘差解算兩天的吻合度較好。C站未連接氫原子鐘，其本身噪聲較大，其他3個測站的鐘差值均表現(xiàn)出較小的噪聲。從表1可以看到，對于外接了原子鐘的測站，3種方法的測站鐘差精度都在0.2 ns以內(nèi)，平均為0.16 ns。對于A與B站的時差，其頻率差異為-1.28×10-15，由于A、B外接了相同的時頻信號，因此該頻率的差異主要反映了接收機(jī)的噪聲及性能。而C站3種技術(shù)求得的測站鐘差RMS均大于0.3 ns，由于未接時頻信號，其時差噪聲較大。

表1 3種時差監(jiān)測方法測站鐘差結(jié)果RMS值比較 ns

圖2 網(wǎng)解測站時差序列

2.2 實(shí)時網(wǎng)解與PPP事后處理時差結(jié)果的比較

將網(wǎng)解方法與事后PPP方法獲取的時差測量值作比較，如圖3所示。從圖3中可看到，網(wǎng)解結(jié)果與PPP結(jié)果吻合較好，其差異的RMS為0.04 ns。PPP處理中對于坐標(biāo)已知的測站可以進(jìn)行坐標(biāo)的固定，將其與常規(guī)PPP的結(jié)果進(jìn)行比較，圖4列出了不同測站這兩種方法的差異，其結(jié)果基本吻合，差值的RMS約為0.04 ns。因此，是否固定測站坐標(biāo)對解算結(jié)果影響不大。

網(wǎng)解方法把衛(wèi)星鐘差與測站鐘差一起作為參數(shù)估計(jì)，可實(shí)現(xiàn)長距離實(shí)時的時差觀測。圖5比較了距離達(dá)2000 km的E站與A站的實(shí)時時差測量值與PPP事后處理的結(jié)果。兩者結(jié)果基本吻合，且兩天的結(jié)果一致，差值的RMS均值為0.14 ns。因此可以認(rèn)為，對于長距離的測站，實(shí)時網(wǎng)解可與事后PPP解算精度一致。

2.3 實(shí)時網(wǎng)解與PPP事后處理時差頻率穩(wěn)定度的比較

在時間領(lǐng)域中，使用Allan方差來評估利用GNSS方法得到的產(chǎn)品的時域穩(wěn)定度，在實(shí)際測量中，Allan方差是描述隨機(jī)噪聲時域統(tǒng)計(jì)特性的通用標(biāo)準(zhǔn)[15]。其公式為

圖3 網(wǎng)解時差監(jiān)測與PPP時差監(jiān)測的比較

圖4 PPP是否固定站坐標(biāo)對時差監(jiān)測的影響

(4)

式中，xi為歷元i的觀測值；N為觀測序列的長度；τ為采樣間隔，τ=nτ0，τ0為原始觀測序列采樣間隔；n為正整數(shù)(1≤n≤N)。本文中，xi是歷元i的鐘差解，N為鐘差解序列樣本總數(shù)(即歷元數(shù))，τ0為觀測值采樣間隔30 s。

圖5 長距離實(shí)時網(wǎng)解與PPP事后處理時差結(jié)果的比較

基于以上數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，分析了不同采樣率下的Allan方差，如圖6所示。

圖6 Allan方差時差序列

結(jié)合圖6可知，3種方法計(jì)算得到的Allan方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果相當(dāng)，說明這3種時差解算方法的頻率穩(wěn)定度一致。其中10 000 s間隔的頻率穩(wěn)定度在1×10-13～1.5×10-13左右。

3 結(jié) 論

針對以上關(guān)于3種時差監(jiān)測方法的研究和驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1) PPP、PPP固定和實(shí)時網(wǎng)解時差監(jiān)測的結(jié)果均能夠達(dá)到優(yōu)于0.2 ns的精度，頻率萬秒的穩(wěn)定度為1×10-13～1.5×10-13。

(2) 實(shí)時網(wǎng)解與PPP事后處理時差監(jiān)測的精度相當(dāng)，都優(yōu)于0.2 ns。距離達(dá)2000 km的實(shí)時網(wǎng)解時差測量精度與PPP差異為0.14 ns。

(3) 采用PPP方法，是否固定站坐標(biāo)造成時差監(jiān)測結(jié)果差異的RMS為0.04 ns。

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ResearchandResultsAnalysisofMethodsofGNSSSpatialSignalTimeMonitoring

ZHANG Jiejun1,CHEN Junping1,2,ZHANG Yize1,3

(1. Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Technology,ShanghaiAstronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 3. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Methods using GNSS signal in space to monitor time offset among timing stations are dicussed. Three methods namely the traditional PPP, PPP with fixed station coordinates and the real-time network solutions are compared. To validate and assess the performance of SIS time offset monitoring, data of 5 GNSS stations with different configurations are analyzed.Results show that: (1)Precision of real time network solutions is 0.16 ns, which is at the same level of post-processed PPP.(2)Station coordinates estimation has impact on the determination of station clocks，which is about 0.04 ns. (3) Precision of time transfer for stations depart 2000 km could reach 0.14 ns in the real-time network solution.

time monitoring； spatial signal; real-time network solution;PPP

P224

A

0494-0911(2017)01-0026-04

章潔君，陳俊平，張益澤.GNSS空間信號法時差監(jiān)測方法與結(jié)果分析[J].測繪通報(bào)，2017(1)：26-29.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0006.

2016-05-05；

2016-05-27

中科院百人計(jì)劃；國家863計(jì)劃(2013AA122402；2014AA123102)；國家自然科學(xué)基金(11273046)

章潔君(1991—)，女，碩士，研究方向?yàn)镚NSS精密數(shù)據(jù)處理。E-mail：jjzhang@shao.ac.cn