利用RTKLIB實現(xiàn)GPS PPP時間比對

王應(yīng)建,朱光耀,康濟(jì)童,謝志越

(1.61365部隊,天津 300140;2.31668部隊,甘肅 天水 810000)

0 引 言

遠(yuǎn)程高精度時間傳遞是實現(xiàn)異地綜合原子時計算的基礎(chǔ),其時間比對精度直接影響綜合原子時的頻率穩(wěn)定度。目前,原子鐘的頻率準(zhǔn)確度和日穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到了10-13和10-15量級,要求原子鐘時間比對精度達(dá)到納秒甚至亞納秒量級。目前,參與國際權(quán)度局(BIPM)國際原子時(TAI)加權(quán)計算的守時實驗室70多個,總計約500臺原子鐘[1]。典型的時間比對手段包括衛(wèi)星雙向時間比對[2]和GPS時間傳遞,其中GPS時間傳遞包括GPS共視[3](GPS CV)、GPS全視[4](GPS AV)和GPS PPP[5]。GPS PPP作為一種新興的高精度時間傳遞方法,于2006年通過了CCTF(Consultative Committee for Time and Frequency)一項關(guān)于“GPS CP應(yīng)用于TAI時間頻率傳遞”的建議。同時,BIPM和IGS展開了一系列試驗計劃[8]。近年來,國際上許多守時實驗室逐漸采用GPS雙頻接收機(jī),替代GPS CV進(jìn)行GPS PPP時間傳遞,其綜合性能逐步逼近、甚至長期穩(wěn)定度方面更加優(yōu)越于衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù),具有操作性強(qiáng)、比對鏈路校準(zhǔn)便捷、價格優(yōu)惠等優(yōu)勢,在所有時間傳遞鏈路中約占50%.

目前,國內(nèi)外開源成熟的GPS PPP軟件相對較少,且大部分側(cè)重于導(dǎo)航定位功能,時間傳遞模塊相對較少。為此,本文利用RTKLIB軟件實現(xiàn)GPS PPP時間傳遞。

1 GPS PPP時間傳遞

GPS PPP時間傳遞一般采用精密單點(diǎn)定位(PPP)算法,常用的PPP觀測模型包括無電離層組合模型、UofC模型和非組合模型。本文采用無電離層組合觀測方程,其數(shù)學(xué)模型如下:

(1)

(2)

cdtj),

(3)

(4)

由式(3)和式(4),可采用卡爾曼濾波或序貫平差進(jìn)行解算。計算出的接收機(jī)鐘差dti即為接收機(jī)時鐘與參考時間基準(zhǔn)Ref的時差。因此,分處兩地的守時實驗室的時間傳遞結(jié)果為:

δt1,2=dt1-dt2=(t1-Ref)-(t2-Ref).

(5)

2 RTKLIB

目前,國際上有關(guān)GPS PPP的開源軟件包括RTKLIB,GPSTK和gLab等。此外, 部分研究機(jī)構(gòu)也提供了在線PPP解算功能,例如CSRS-PPP、GAPS、APPS和magicGNSS。這些軟件主要側(cè)重于導(dǎo)航定位,暫時沒有提供時間傳遞方面的功能?？紤]到導(dǎo)航定位解算與時間傳遞在很多方面的共同性,因此在已有的開源軟件資源基礎(chǔ)上,進(jìn)行二次開發(fā)專業(yè)時頻傳遞功能。RTKLIB是由日本東京海洋大學(xué)開發(fā)的GNSS導(dǎo)航定位軟件,支持多種實時和事后GNSS導(dǎo)航定位功能,提供了豐富的數(shù)據(jù)輸入輸出接口,例如RINEX 2、RNIEX 3、RTCM 2、RTCM 3、IONEX等,同時支持目前市場上多種常見的GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)格式。

RTKLIB提供了SPP、PPP、RTK等多種典型的GNSS應(yīng)用程序?qū)嵗?用戶可以直接進(jìn)行定位解算和數(shù)據(jù)分析。對于特殊需求用戶,RTKLIB提供了豐富的基礎(chǔ)函數(shù)庫,包含了數(shù)據(jù)輸入輸出函數(shù)、模型改正函數(shù)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換函數(shù)、RTK服務(wù)器函數(shù)等。用戶可以根據(jù)專業(yè)需求,進(jìn)行便捷的二次開發(fā),豐富和補(bǔ)充軟件功能。

3 實驗驗證

為了分析RTKLIB的GPS PPP時間傳遞的精度和穩(wěn)定度,以4個IGS站BRUX、IENG、OPMT和PTBB的觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行時間傳遞,測站具體信息如表1所示。

表1 TAI和IGS并置站信息

下載了2017-08-07至2017-08-21共15天的觀測數(shù)據(jù),星歷數(shù)據(jù)采用了IGR星歷和鐘差數(shù)據(jù),用于比對分析的鐘差數(shù)據(jù)采用IGS最終鐘差文件。圖1虛線所示為4個IGS站利用RTKLIB進(jìn)行GPS PPP時間比對的結(jié)果。實線表示IGS最終鐘差文件的時間比對結(jié)果。

從圖1可以看出,BRUX-PTBB、IENG-PTBB、OPMT-PTBB的解算結(jié)果與IGS最終鐘差基本保持一致,尤其是BRUX-PTBB、IENG-PTBB.然而,OPMT-PTBB部分時間存在較大跳變,這主要是因為OPMT測站缺少2017-08-16和2017-08-19兩天的觀測數(shù)據(jù),導(dǎo)致重新解算需要一定的收斂時間,實際上,經(jīng)收斂后其解算結(jié)果基本與IGS最終鐘差吻合。

為進(jìn)一步統(tǒng)計分析RTKLIB時間比對結(jié)果的精度,以IGS最終鐘差為參考值計算三條鏈路的時間比對殘差,其中OPMT-PTBB僅統(tǒng)計收斂后的結(jié)果,如圖2所示。

表2 比對鏈路的精度統(tǒng)計結(jié)果 ns

從圖2和表2可以看出,三條比對鏈路的估計鐘差的絕對殘差約-0.6～0.4 ns,RMS約0.1～0.2 ns,平均值約-0.15～0.05 ns.因此,RTKLIB的時間比對結(jié)果與IGS最終鐘差具有較好的一致性。

進(jìn)一步分析RTKLIB時間傳遞的頻率穩(wěn)定度,由于OPMT測站丟失了兩天的觀測數(shù)據(jù),僅計算了BRUX-PTBB和IENG-PTBB的Allan方差,如圖3所示。

從圖3可以看出,利用RTKLIB進(jìn)行時間傳遞,其天頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到1.5×10-15～2.5×10-15,與當(dāng)前BIPM守時實驗室GPS PPP時間比對的穩(wěn)定度相當(dāng)。

4 結(jié)束語

針對目前開源成熟的GPS PPP軟件較少,且大多側(cè)重于導(dǎo)航定位功能,時間傳遞的模塊較少。簡要介紹了GPS PPP時間傳遞的基本原題,利用RTKLIB進(jìn)行高精度遠(yuǎn)程時間傳遞,以IGS最終鐘差產(chǎn)品為參考分析了RTKLIB時間傳遞的性能,其絕對殘差約-0.6～0.4 ns,RMS約0.1～0.2 ns,天穩(wěn)定度達(dá)到了1.5×10-15～2.5×10-15.后期,將利用RTKLIB軟件開源的優(yōu)勢,進(jìn)一步拓展在高精度時頻傳遞方面的應(yīng)用。