北斗PPP高精度時間比對技術(shù)研究

張繼海，董紹武,4，袁海波，廣偉，宋會杰，章宇

北斗PPP高精度時間比對技術(shù)研究

張繼海1,2,3，董紹武1,2,3,4，袁海波1,2,3，廣偉1,2，宋會杰1,2，章宇1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048）

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和完善，現(xiàn)已開始向全球用戶提供高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)?；谥袊茖W(xué)院國家授時中心和中國臺灣中華電信兩個守時實驗室的GNSS時間比對系統(tǒng)，本文開展了基于北斗精密單點定位（PPP）的高精度遠(yuǎn)距離時間比對技術(shù)研究；并結(jié)合兩個守時實驗室的實測數(shù)據(jù)，利用IGS國際多模GNSS實驗工程（MGEX）提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品開展了比對試驗，進(jìn)而獲得了兩地鐘差。試驗結(jié)果表明，北斗PPP解算的兩地鐘差與GPS PPP解算的兩地鐘差具有很好的一致性，天穩(wěn)達(dá)到了10-15量級；說明北斗可以實現(xiàn)納秒級或亞納秒級精度的時間比對與同步，為北斗正式納入?yún)f(xié)調(diào)世界時的計算提供了基礎(chǔ)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；高精度時間傳遞與比對；精密單點定位；協(xié)調(diào)世界時

0 引言

實現(xiàn)高精度時間比對已成為現(xiàn)階段諸多科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展不可或缺的必要條件。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的發(fā)展，基于導(dǎo)航衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離時間比對技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其主要包括共視（common view，CV）時間比對技術(shù)、精密單點定位（precise point positioning, PPP）時間比對技術(shù)、全視（all in view，AV）時間比對技術(shù)。GPS共視時間比對技術(shù)自20世紀(jì)80年代開始被國際權(quán)度局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）采用，用于連接世界上各守時實驗室的原子鐘，從而進(jìn)行UTC的計算[1-2]。多年來，美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于其穩(wěn)定可靠及高精度的特點，GPS全視以及PPP時間比對技術(shù)是BIPM用于國際UTC建立的主要手段。為提高UTC的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及可靠性，2009年國際時間頻率咨詢委員會（Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF）大會建議并鼓勵多時間比對手段應(yīng)用于UTC的計算。隨著我國獨(dú)立自主開發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與走向全球化服務(wù)應(yīng)用的推廣，其已初步具備了導(dǎo)航、定位、測速與授時服務(wù)能力[3-4]。在2017年6月，法國巴黎召開的第21屆CCTF大會上，BIPM及各國專家提出將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間比對技術(shù)應(yīng)用于UTC計算的建議。因此，依托我國國家時間基準(zhǔn)系統(tǒng)UTC（NTSC）的平臺，開展基于遠(yuǎn)距離北斗PPP時間比對的研究具有重要的意義。這將進(jìn)一步增強(qiáng)我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際導(dǎo)航領(lǐng)域中的影響力。

2017年，中國科學(xué)院國家授時中心與德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）、瑞典國家計術(shù)研究院（Technical Research Institutes of Sweden，RI.SE或SP）、比利時國家天文臺（Royal Observatory of Belgium，ORB）等國際主要守時實驗室率先開展了北斗長基線亞歐共視時間比對，并取得了良好的比對結(jié)果[5]。目前，由于歐洲能觀測到的北斗衛(wèi)星數(shù)目較少，在中國上空能夠觀測到較多的北斗衛(wèi)星。因此，基于現(xiàn)有的技術(shù)資源，選擇了能夠觀測北斗衛(wèi)星較多的中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）以及臺灣地區(qū)中華電信（TL）兩個守時實驗室，開展基于北斗2號信號體制下的北斗PPP高精度遠(yuǎn)距離時間比對技術(shù)研究，并對兩地比對的結(jié)果進(jìn)行了分析與評估。該實驗的完成為我國北斗參與UTC的歸算提供了可靠的技術(shù)參考。

1 北斗PPP時間比對原理

通常GNSS精密單點定位數(shù)學(xué)模型，又稱為觀測模型，它可表述為導(dǎo)航衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和位置參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。常用的模型包括消電離層組合模型，UofC模型，Phase-Connected模型，星間單差模型和時星差模型[6]等。在本文中使用傳統(tǒng)的北斗無電離層組合模型。

圖1 北斗PPP時間比對原理

式（1）和（2）相減即可得到兩地的時間偏差：

利用圖1所示的本地接收機(jī)通過接收北斗空間信號，使用北斗B1和B2頻點上的偽距和相位觀測值，其觀測方程可表示如下：

由于數(shù)據(jù)處理中使用德國波茨坦地學(xué)研究中心（Geo Forschungs Zentrum Potsdam，GFZ）提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品（其軌道優(yōu)于2.5 cm，鐘差優(yōu)于75 ps），衛(wèi)星的軌道誤差和星鐘誤差可以被很好地消除，使用雙頻無電離層組合觀測值可以消除大部分電離層時延，因此式（4）觀測模型可以表述為偽距和相位無電離層組合觀測值模型[7-9]：

利用IGS等國際權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的北斗衛(wèi)星精密軌道和鐘差等產(chǎn)品。通過PPP算法，首先需要對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢驗，包括剔除不健康衛(wèi)星，周跳的探測，利用相位平滑偽距提高偽距觀測的質(zhì)量等；其次對精密軌道和鐘差產(chǎn)品插值到采樣時刻，最后利用擴(kuò)展卡爾曼濾波對接收機(jī)天線位置以及本地時相對于IGST的偏差等參數(shù)進(jìn)行估計。

在北斗PPP數(shù)據(jù)處理中，相對于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，北斗具有自身的特點。由于北斗采用了3種軌道衛(wèi)星組合的混合星座，包括地球同步軌道（geosynchronous earth orbit，GEO）衛(wèi)星、中地球軌道（medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星以及傾斜地球同步軌道（inclined Geosynchronous satellite orbit，IGSO）衛(wèi)星組成，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。

表1為北斗PPP觀測模型及數(shù)據(jù)處理模型使用的修正方法。

表1 數(shù)據(jù)處理模型

精密單點定位濾波初值的設(shè)置包括待估參數(shù)初值、協(xié)方差矩陣初值、狀態(tài)噪聲和觀測噪聲初值的設(shè)置。其中接收機(jī)位置以及鐘差信息可利用最小二乘法計算得到；初始協(xié)方差矩陣以及狀態(tài)協(xié)方差陣的初始值選取為經(jīng)驗值；接收機(jī)位置初始噪聲為0.01 m，接收機(jī)鐘差初始噪聲為0.03 m。

2 結(jié)果分析

表2 實驗室所用的接收機(jī)信息

2.1 觀測衛(wèi)星數(shù)

圖2和圖3分別為兩個守時實驗室2019-04-16全天時所能觀測到的北斗衛(wèi)星。通過以下兩圖可以看出在同一時刻下，兩地觀測到的北斗及GPS衛(wèi)星基本保持在10顆左右，其中NTSC觀測到的北斗衛(wèi)星相對較多。同時，NTSC計算得到的TDOP值優(yōu)于2，TL計算的TDOP值小于4。

圖2 NTSC上空可見北斗衛(wèi)星數(shù)目和DOP值

圖3 TL上空可見北斗衛(wèi)星數(shù)目和DOP值

2.2 北斗PPP高精度時間比對

利用IGS分析中心之一的GFZ提供的北斗精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品開展北斗PPP高精度遠(yuǎn)距離時間比對試驗，其兩地鐘差比對結(jié)果如圖4所示。

圖4 利用北斗和GPS PPP獲得UTC（NTSC）-UTC（TL）

圖4為利用北斗PPP及GPS PPP獲得的國家授時中心保持的UTC（NTSC）與中華電信保持的UTC（TL）兩守時實驗室間采樣間隔為300 s的時差。由于北斗鏈路現(xiàn)暫時未經(jīng)過直接校準(zhǔn)，因此，利用GPS鏈路進(jìn)行了相對校準(zhǔn)。北斗系統(tǒng)目前處于建設(shè)階段，相關(guān)的星座覆蓋還不完全以及IGS等機(jī)構(gòu)發(fā)布的精密軌道和鐘差等產(chǎn)品還在不斷地完善中，因此基于北斗PPP鏈路的兩地時間比對結(jié)果相對于GPS PPP的結(jié)果存在一定的差距。通過圖4可以看出兩守時實驗室之間的時間比對實驗中，利用北斗鏈路和GPS鏈路獲得兩地時差波動均保持在1 ns以內(nèi)，但通過北斗PPP鏈路計算的兩地鐘差波動明顯大于通過GPS PPP鏈路計算的兩地鐘差，北斗PPP鏈路相對于GPS PPP鏈路的殘差約為±0.5 ns，其殘差的STDEV為0.118 7 ns。圖5和圖6分別給出了通過北斗及GPS PPP鏈路獲得的UTC（NTSC）-UTC（TL）兩地鐘差的穩(wěn)定度（ADEV）和時間偏差（TDEV）。

圖5 NTSC與TL PPP時間比對ADEV

圖6 NTSC與TL PPP時間比對TDEV

表3中顯示了利用北斗PPP及GPS PPP獲得的兩守時實驗室時間比對的頻率穩(wěn)定度的具體量級。

表3 UTC（NTSC）-UTC（TL）頻率穩(wěn)定度/時間方差

根據(jù)圖5，圖6和表3可以看出，經(jīng)過北斗PPP鏈路計算得到的UTC（NTSC）-UTC（TL）的穩(wěn)定度與GPS PPP鏈路的穩(wěn)定度基本保持在同一個量級。因此，北斗PPP可以用于兩地的高精度時間比對與授時服務(wù)。

3 結(jié)語

本文基于國家授時中心和中華電信兩守時實驗室保持的UTC（NTSC）與UTC（TL），利用多模GNSS測量型接收機(jī)，通過使用北斗B1、B2頻點的實測數(shù)據(jù)，開展了北斗PPP高精度遠(yuǎn)距離時間比對試驗。試驗結(jié)果表明，北斗PPP高精度時間比對與GPS PPP精度相當(dāng)，且天穩(wěn)可達(dá)10-15量級。通過以上分析可以表明，現(xiàn)階段北斗PPP用于遠(yuǎn)距離高精度時間比對的精度與GPS PPP在同一水平，可作為BIPM用于國際時間比對并與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成冗余備份，這也進(jìn)一步推動我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度時間比對以及參與UTC的歸算提供了技術(shù)參考。

[1] PETET G, JIANG Z H. Precise point position for TAI computation[C]//2017 IEEE International Frequency Control Symposium, Geneva: Frequency Control Symposium, 2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum, 2007: 395-398.

[2] PENG H M, LIAO C S. GPS smoothed P3 code for time transfer[C]//18th European Frequency and Time Forum, Guildford: [s.n.], 2009: 137-141.

[3] HAN Chun-hao, YANG Yuan-xi, CAI Zhi-wu. BeiDou navigation satellite system and its time scales[J]. Metrologia, 2011, 48(4): 213-218.

[4] ZHANG Xiao-hong, WU Ming-kui, LIU Wang-ke, et al. Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-3: new-generation navigation signals[J]. Journal of Geodesy, 2017(1): 1-16.

[5] 武文俊. 北斗國際時間比對[C]//2017全國時間頻率學(xué)術(shù)會議, 西安: 2017全國時間頻率學(xué)術(shù)會議組委會, 2017.

[6] 阮仁桂. GPS非差相位精密單點定位研究[D]. 鄭州: 解放軍信息工程大學(xué), 2009.

[7] YUAN Hai-bo, GUANG Wei, YANG Fan. Time service through BD GEO satellite[C]//2013 European Frequency and Time Forum & International Frequency Control Symposium (EFTF/IFC), Prague: Czech Republic, 2013: 496-500.

[8] 程娜, 賈小林. 基于雙頻偽距組合評估北斗廣播電離層精度[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2015, 3(1): 74-77.

[9] 萬超. 基于GPS的雙頻電離層修正算法研究[J]. 科技信息, 2010(21): 439-440.

[10] 朱峰. 衛(wèi)星導(dǎo)航中的時間參數(shù)及其測試方法[D]. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué), 2015.

[11] 沈?qū)? 岳彩亞. BDS地球靜止軌道衛(wèi)星信號的對流層延遲分析[J]. 全球定位系統(tǒng), 2016, 41(6): 25-29.

[12] 閆志闖, 樓楠, 李靖. 對流層參數(shù)估計側(cè)率對PPP精度影響分析[J]. 測繪工程, 2019, 28(1): 5-13.

[13] 趙紅, 郭春喜, 程傳錄, 等. 利用改進(jìn)的動態(tài)PPP技術(shù)建立中國香港區(qū)域海潮負(fù)荷位移模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2019, 44(3): 354-363.

[14] 韓萍, 桑威林, 石慶研. 一種新型非線性卡爾曼濾波方法[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2015, 36(3): 632-638.

[15] 宋會杰, 董紹武, 屈俐俐, 等. 基于Sage窗的自適應(yīng)Kalman濾波用于鐘差預(yù)報研究[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2017, 38(7): 1809-1816.

Study on BeiDou PPP high precision time comparison

ZHANG Ji-hai1,2,3, DONG Shao-wu1,2,3,4, YUAN Hai-bo1,2,3, GUANG Wei1,2, SONG Hui-jie1,2, ZHANG Yu1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

With the development and perfection of China BeiDou navigation satellite system (BDS), it begins to provide high precision positioning, navigation and time (PNT) service for the global users. In this paper, it studied the high precision and long distance time comparison based on precise point positioning (PPP) and the GNSS international time comparison systems which are operated in the National Time Service Center (NTSC), CAS and Chunghwa Telecommunication Laboratories (TL). The time difference between the local time and IGST is calculated by using the observation data of the time keeping laboratories and the precise orbit and satellite clock products from MGEX of IGS, then to calculate the time difference between NTSC and TL. The results show that the estimated time difference by BDS PPP is consistent with the GPS PPP, the frequency stability is in 1×10-15per day. It also indicates that the BDS can realize the accuracy of nanosecond or sub-nanosecond level’s time compare, which provides a basis for the formal incorporation of BDS into the UTC calculation.

BeiDou navigation satellite system; high precision time transfer and comparison; precision point positioning (PPP); coordinated universal time

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-04-0262-08

張繼海, 董紹武, 袁海波, 等. 北斗PPP高精度時間比對技術(shù)研究[J]. 時間頻率學(xué)報, 2020, 43(4): 262-269.

2020-04-22；

2020-06-18

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“西部青年學(xué)者”B類資助項目（XAB2019B13）；中國科學(xué)院國家授時中心青年創(chuàng)新人才資助項目