守時實驗室iGMAS站接收機鐘差分析與時延相對校準

王然，楊旭海，孫保琪，楊海彥，張喆

守時實驗室iGMAS站接收機鐘差分析與時延相對校準

王然1,2,3，楊旭海1,2,3，孫保琪1,2,3，楊海彥1,2，張喆1,2,3

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049)

GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機時延的穩(wěn)定性及準確度對基于國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）跟蹤站的授時性能評估、時間傳遞等具有重要影響。iGMAS永久跟蹤站BRCH和測試跟蹤站XIA3與XIA5，分別位于兩個國際重要守時實驗室德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）和中國科學院國家授時中心（NTSC）。以參與UTC國際時間比對的接收機PTBB和NTP1為參考，基于GPS觀測數(shù)據(jù)，采用PPP時間傳遞的方法，對BRCH，XIA3和XIA5 3臺iGMAS接收機的鐘差長期穩(wěn)定性進行了分析。作為對照，同時分析了并址的PT11，XIA4和XIA6等3臺商用授時型接收機。結(jié)果表明：①3臺iGMAS接收機的時延均具有較好的長期穩(wěn)定性，不存在大幅度的系統(tǒng)性變化；②BRCH接收機時延300 d穩(wěn)定度優(yōu)于0.3 ns，與PT11相當；③XIA3與XIA5接收機時延存在2ns左右的單天起伏，可通過并址且共天線的XIA4、XIA6進行校準?；贐IPM TAIPPP結(jié)果，對BRCH，XIA3和XIA5接收機的總時延進行了相對校準。論文相關(guān)結(jié)果可為后續(xù)基于iGMAS跟蹤站的授時監(jiān)測、時間傳遞及其他時間頻率服務(wù)提供參考。

iGMAS；協(xié)調(diào)世界時（UTC）；精密單點定位；接收機時延；相對校準

0 引言

國際GNSS（Global Navigation Satellite System）監(jiān)測評估系統(tǒng)（international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS）通過布設(shè)全球GNSS連續(xù)運行跟蹤站網(wǎng)，對北斗/GPS/GLONASS/Galileo四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位、授時服務(wù)性能進行監(jiān)測評估[1]。在iGMAS規(guī)劃建設(shè)的30個跟蹤站中，有2個跟蹤站分別位于德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）和中國科學院國家授時中心（National Time Service Center，NTSC）[2]。PTB和NTSC均為國際重要的守時實驗室，而且PTB是協(xié)調(diào)世界時（coordinated universal time，UTC）國際時間比對中心節(jié)點?；谑貢r實驗室的iGMAS站接收機，可以開展北斗/GNSS授時性能監(jiān)測、時間傳遞等時間服務(wù)工作。GNSS接收機設(shè)備時延的穩(wěn)定性及準確度對于上述時間服務(wù)工作具有重要影響。

文獻[3]對GNSS接收機時延的長期穩(wěn)定性進行了分析，文獻[4]和文獻[5]分別對Galileo系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)各頻點的硬件時延進行校準。但是，對iGMAS站接收機的時延穩(wěn)定性分析及校準尚未見相關(guān)報道。本文的主要工作是，對位于兩個守時實驗室的iGMAS站接收機進行鐘差分析和時延校準。分別在PTB守時實驗室和NTSC守時實驗室搭建試驗平臺，采用精密單點定位（precise point positioning，PPP）的方法，計算iGMAS站接收機的長期鐘差，并以參與國際時間比對的PTBB站和NTP1站作為比較參考。最后將各臺iGMAS接收機進行相對校準，為后期基于iGMAS站的時間服務(wù)試驗提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

本節(jié)對試驗平臺、解算策略及評價方法進行詳細介紹。

1.1 試驗平臺

試驗用到的GNSS接收機均外接由守時實驗室鐘房產(chǎn)生的UTC信號。其中，PTBB外接UTC（PTB）信號，位于PTB守時實驗室鐘房內(nèi)，是參與BIPM（國際權(quán)度局）國際原子時計算的接收機，BRCH是iGMAS接收機，與PT11共同位于距離PTB鐘房約283 m的機房內(nèi)，其參考頻率由UTC（PTB）主鐘輸出頻率經(jīng)過同一個頻率分配放大器產(chǎn)生。位于NTSC守時實驗室的iGMAS測試接收機（未正式參與iGMAS監(jiān)測評估）XIA3，XIA5和商用授時接收機XIA4，XIA6放置在距離NTSC鐘房95m的CAPS機房內(nèi)，參考頻率由UTC（NTSC）主鐘輸出頻率經(jīng)過同一個頻率分配放大器產(chǎn)生，4臺接收機通過功分器連接同一天線，為零基線模式。NTP1外接UTC（NTSC）信號，位于鐘房內(nèi)，是參與BIPM國際原子時計算的接收機。各臺接收機連接情況如圖1和圖2所示。試驗選取的站點所用的接收機型號、天線配置及外接時頻信號情況詳見表1。

圖1 PTB守時實驗室接收機連接示意圖

圖2 NTSC守時實驗室接收機連接示意圖

表1 接收機配置信息

1.2 解算策略

數(shù)據(jù)處理采用中國科學院國家授時中心iGMAS分析中心自主改編的Bernese 5.2軟件，從國際GNSS服務(wù)（IGS）數(shù)據(jù)中心下載相應(yīng)時段的IGR快速產(chǎn)品，包括精密軌道和鐘差等產(chǎn)品，基于PPP方法解算得到各站接收機鐘差[6-7]。表2列出了Bernese 5.2軟件PPP方法詳細的處理策略。

表2 Bernese 5.2軟件PPP時間傳遞解算策略

BIPM每月公布各守時實驗室接收機的GPS PPP鐘差結(jié)果，使用的是由加拿大自然資源局（Natural Resources Canada）開發(fā)的NRCan-PPP軟件，解算策略與Bernese 5.2軟件基本一致[8]。區(qū)別是參數(shù)估計方法中，NRCan-PPP使用的是卡爾曼濾波，而Bernese 5.2軟件使用最小二乘法。

1.3 評價方法

本文通過計算鐘差外符合比較結(jié)果的STD（standard deviation）值，來表示接收機時延的穩(wěn)定度，即A類不確定度。具體計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

利用參試接收機2018年的GPS觀測數(shù)據(jù)進行PPP解算，得到同一守時實驗室多臺接收機之間的相對鐘差。因為外接同源時頻信號，這些接收機屬于共鐘模式，其相對鐘差能夠反映接收機（含天線及電纜）時延的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，借助PTBB和NTP1接收機的已知校準值，對iGMAS接收機時延進行相對校準。

2.1 iGMAS接收機時延穩(wěn)定性分析

本節(jié)從PTB守時實驗室和NTSC守時實驗室的接收機時延角度進行穩(wěn)定性分析。

2.1.1 PTB守時實驗室iGMAS接收機時延穩(wěn)定性分析

對2018年第1~300天期間的PTBB，PT11和BRCH 3臺接收機的GPS單系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行PPP計算，得到鐘差時間序列。解算過程中使用的衛(wèi)星軌道和鐘差是IGS的快速產(chǎn)品（IGR）。其中，PTBB和PT11觀測數(shù)據(jù)從PTB服務(wù)器下載，BRCH觀測數(shù)據(jù)從iGMAS西安數(shù)據(jù)中心下載。

PTBB是參與BIPM國際時間比對的測站，將其鐘差序列作為參考標準，將iGMAS站BRCH的鐘差結(jié)果與其進行比對。由于PPP解算的測站鐘差均以IGRT作為參考基準，將PTBB站與BRCH站的鐘差直接相減，獲得PTBB站與BRCH站的相對鐘差，分析其穩(wěn)定性。PT11作為檢核站，與BRCH和PTBB進行比對，通過3條比對鏈路比較分析iGMAS接收機時延長期穩(wěn)定性。

圖3、圖4和圖5依次給出了BRCH-PTBB、PT11-PTBB、BRCH-PT11 3條比對鏈路在2018年第1~300天的相對鐘差序列，表3給出了3條比對鏈路的統(tǒng)計結(jié)果。3條比對鏈路的總體變化趨勢是一致的，BRCH，PT11與PTBB比對結(jié)果的STD分別是0.296 ns和0.270 ns，結(jié)果接近。3條比對鏈路的STD均小于0.33ns，說明測站時延長期穩(wěn)定性較好。3條比對鏈路組成閉合三角形，其均值之和為-0.22ns（閉合差）。

圖3 BRCH-PTBB鏈路鐘差結(jié)果

圖4 PT11-PTBB鏈路鐘差結(jié)果

圖5 BRCH-PT11鏈路鐘差結(jié)果

表3 PTB接收機鏈路鐘差結(jié)果統(tǒng)計值 單位：ns

2.1.2 NTSC守時實驗室iGMAS接收機時延穩(wěn)定性分析

使用iGMAS測試接收機XIA3，XIA5和商用授時接收機XIA4，XIA6，2018年第250~290天的GPS觀測數(shù)據(jù)，基于IGR衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品分別計算了4站連續(xù)的PPP鐘差。NTP1站參與BIPM國際時間比對，其鐘差序列來自BIPM提供的GPS PPP鐘差解算文件，作為參考標準與iGMAS測試接收機進行比對。圖6給出了上述5站的PPP鐘差序列?？梢钥闯?，5站鐘差序列變化總體趨勢一致，變化范圍約為11 ns。但XIA3和XIA5站的噪聲明顯大于其他3個測站，且存在較小的天周期項變化，初步判斷是因為這兩臺接收機對溫度變化較為敏感。

將NTP1作為參考站，iGMAS接收機與其形成4條比對鏈路，圖7至圖10依次給出了NTP1與XIA3，XIA4，XIA5和XIA6比對鐘差序列，表4給出了比對鏈路的統(tǒng)計結(jié)果。從中可以看出，鏈路NTP1-XIA4和NTP1-XIA6的STD明顯小于鏈路NTP1-XIA3和NTP1-XIA5，主要是由于XIA3和XIA5的鐘差噪聲相對較大引起。NTP1-XIA3的均值與NTP1-XIA5較為接近，得益于兩臺接收機使用了相同的硬件與連接電纜，只是軟件版本略有不同。XIA4與XIA6使用同類型的接收機，但NTP1-XIA4的均值與NTP1-XIA6有較大差異，初步確定由于兩臺接收機不是同批次采購，硬件可能存在差異。從40 d的統(tǒng)計結(jié)果看，各站與NTP1接收機鏈路鐘差STD均小于0.5 ns，在合理范圍內(nèi)[9]。因此，NTSC守時實驗室的iGMAS測試接收機可以為后期的授時服務(wù)提供參考，但其性能需要進一步提升。

圖7 NTP1-XIA3鏈路鐘差

圖8 NTP1-XIA4鏈路鐘差

圖9 NTP1-XIA5鏈路鐘差

圖10 NTP1-XIA6鏈路鐘差

表4 NTSC接收機鏈路鐘差結(jié)果統(tǒng)計值 單位：ns

2.2 iGMAS接收機校準

在前文的分析計算中，同類型、不同類型接收機時延可能存在較大差異，需要對每臺接收機進行時延校準。國內(nèi)外常用的校準方法有絕對校準和相對校準[10]。本文基于BIPM提供的PTBB和NTP1的站鐘差數(shù)據(jù)和接收機時延等信息，通過共鐘比對的方式對iGMAS接收機與iGMAS測試接收機進行時延校準。時間比對中接收機時延可以用如下公式表示[11]：

， （4）

BIPM給出了參與國際時間比對的守時實驗室接收機的時延校準信息，表5給出了從BIPM提供文件中提取的NTP1和PTBB兩站接收機時延數(shù)據(jù)。

表5 BIPM文件中給出的延遲參數(shù)和計算得到的總延遲 單位：ns

計算NTP1和PTBB接收機總延遲之后，以這兩臺接收機作為參考，對參與試驗的iGMAS接收機進行校準，如圖11所示。校準公式如式（7）和式（8）所示。圖11中，是接收機CAB DLY，是接收機INT DLY，是接收機REF DLY。參考接收機和被校準接收機均連接相同的（為時間實驗室縮寫）信號。第一步，使用GPS PPP對每臺接收機進行鐘差解算，獲得式（7）中的。再對兩臺接收機進行GPS PPP時間傳遞，所得鏈路鐘差結(jié)果均值即為式（8）中的，引入已知的參考接收機的TOT DLY（即式（7）和式（8）中的），可計算得到被校準接收機的接收機總延遲，即完成時延校準。根據(jù)以上方法計算各站240~290天鐘差結(jié)果，得到的各臺接收機時延值見表6。

圖11 接收機時延相對較準示意圖

表6 計算得到的各接收機總時延 單位：ns

3 結(jié)語

本文以參與BIPM國際時間比對的接收機PTBB和NTP1作為參考，分別對位于PTB守時實驗室的BRCH接收機，和位于NTSC守時實驗室的XIA3，XIA4，XIA5，XIA6接收機搭建試驗平臺，對各臺iGMAS接收機進行鐘差分析和時延校準。綜合分析表明：iGMAS跟蹤站BRCH與參與BIPM國際時間比對的PTBB站鐘差結(jié)果基本一致，與對照參考接收機PT11差異STD小于0.35 ns，可為BRCH站開展時間傳遞、授時性能評估等工作提供參考；位于NTSC守時實驗室的iGMAS測試跟蹤站XIA3、XIA5，與參與國際時間比對的NTP1接收機鏈路鐘差STD小于0.5 ns，可為后期的授時服務(wù)提供參考，但其性能需要進一步提升。以PTBB和NTP1接收機校準值作為參考，對各臺iGMAS接收機時延開展了相對校準。

論文相關(guān)結(jié)果可為后續(xù)基于iGMAS跟蹤站的授時監(jiān)測、國際時間傳遞及其他時間頻率服務(wù)提供參考。

致謝：感謝中國科學院國家授時中心iGMAS分析中心提供的PPP解算平臺；感謝中國科學院國家授時中心時間基準實驗室提供NTP1數(shù)據(jù)；感謝IGS提供的高精度衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品；感謝PTB提供高精度觀測數(shù)據(jù)；感謝BIPM提供時間傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)。感謝國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家空間科學數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn），中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“一帶一路”團隊項目“北斗授時監(jiān)測及其國際時間比對團隊”提供資助。

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Clock analysis and delay calibration of iGMAS receivers at time-keeping laboratory

WANG Ran1,2,3, YANG Xu-hai1,2,3, SUN Bao-qi1,2,3, YANG Hai-yan1,2, ZHANG Zhe1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The stability and accuracy of the GNSS receiver delay have an important impact on the timing performance evaluation and time transfer of the international GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS) tracking stations. The iGMAS permanent tracking station BRCH is located at the German Federal Institute of Physics and Technology (PTB) and two test tracking stations XIA3 and XIA5 are located at the Xi’an Campus of the National Time Service Center (NTSC) of the Chinese Academy of Sciences. The time-delay stability of the three iGMAS receivers, i.e., BRCH, XIA3 and XIA5, was analyzed by PPP time transfer method using the GPS observation data by taking the receivers PTBB and NTP1, participated in the UTC international time comparison, as reference. Three commercial timing receivers such as PT11, XIA4, and XIA6 are simultaneously analyzed for comparison. The results indicate that: ①The delay of the three iGMAS receivers shows good long-term stability, without significant systematic change. ② The 300-day stability of BRCH receiver is, better than 0.3 ns, which is equivalent to PT11. ③ The one-day fluctuation of XIA3 and XIA5 receivers are about 2 ns, which can be calibrated by the co-antenna receivers XIA4 and XIA6. The total delay of the BRCH, XIA3, and XIA5 receivers is calibrated using the BIPM TAIPPP results. The results of this paper can be useful for subsequent timing monitoring, time transfer and other time-frequency services with iGMAS tracking stations.

international GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS); coordinated universal time (UTC); precise point positioning; receiver delay; relative calibration

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0121-09

2019-11-18；

2019-12-10

中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“西部青年學者”B類資助項目（XAB2018B19）

王然，女，碩士，主要從事高精度時間傳遞與精密測定軌研究。