基于CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)品PPP時間傳遞

姚攀，楊旭海，孫保琪，武美芳

基于CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)品PPP時間傳遞

姚攀1,2,3，楊旭海1,2,4，孫保琪1,2,4，武美芳1,2

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 精密導航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048）

IGS（International GNSS Service）實時產(chǎn)品精度的不斷提高，為開展基于IGS實時產(chǎn)品的PPP（precise point positioning）時間傳遞試驗提供了有力條件。為了探索實時多系統(tǒng)產(chǎn)品應用于時間傳遞所能達到的效果，本文獲取IGS分析中心法國空間研究中心（CNES）2018年5月1日至2019年4月30日共365d的實時多系統(tǒng)產(chǎn)品，利用7個測站的365d觀測數(shù)據(jù)，從不同GNSS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)組合、截止高度角的變化兩個角度，設計了多種試驗策略并進行PPP解算。結(jié)果表明，基于CNES實時GPS(Global Positioning System)單系統(tǒng)產(chǎn)品得到的時間傳遞鏈路結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品得到的時間傳遞鏈路結(jié)果作差，兩者差異的標準偏差（STD）在0.3~0.5ns之間；利用多種組合模式的多系統(tǒng)產(chǎn)品得到的STD相較于GPS單系統(tǒng)有所減小，在截止高度角為10°，20°，30°時，STD減小的百分比分別為11.11%~13.89%，10.81%~16.21%，11.42%~12.82%。

精密單點定位；時間傳遞；多系統(tǒng)；實時產(chǎn)品

0 引言

共視法和全視法是國際權(quán)度局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）主要使用的兩種GNSS時間傳遞方法，但共視法、全視法都是基于偽距觀測值的時間傳遞方法，其受偽距觀測噪聲和多路徑效應影響較大[1-2]。為了克服這些缺點，研究人員采用基于載波相位的精密單點定位（precise point positioning，PPP）技術(shù)來實現(xiàn)時間傳遞[3-4]。BIPM首先將GPS PPP技術(shù)用于國際原子時（International Atomic Time，TAI）比較，結(jié)果表明，GPS PPP時間傳遞的A類不確定度為0.3 ns[5]。2009年開始，GPS PPP成為國際原子時例行時間傳遞技術(shù)之一[6]。目前大多學者基本都是使用事后產(chǎn)品進行GPS PPP時間傳遞研究。2017年中國科學院國家授時中心張立等對多系統(tǒng)產(chǎn)品應用于GPS PPP時間傳遞進行了比對[7]。BIPM基于IGS快速產(chǎn)品IGR開展GPS PPP時間傳遞[8]。雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級和亞納秒的時間傳遞，但是無法滿足對時效性要求較高的用戶。從2013年4月1日起，IGS-RTS（International GNSS Service Real Time Service）正式發(fā)布和運行[9]，基于全球?qū)崟r跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷，生成實時的衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)。用戶可以實時獲取IGS及其各個分析中心播發(fā)的實時產(chǎn)品，結(jié)合實時廣播星歷生成高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差，服務于對產(chǎn)品時效性要求較高的用戶。目前，關于PPP時間傳遞的研究重點在事后模式，而實時PPP時間傳遞的研究也處于初步階段，且僅限GPS PPP。隨著北斗等新興導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，利用實時多系統(tǒng)產(chǎn)品采用PPP技術(shù)進行時間傳遞，將有助于提高時間傳遞的可靠性。

近年來，精度不斷提高的IGS實時產(chǎn)品，為開展基于IGS實時產(chǎn)品以精密單點定位（PPP）模式進行時間傳遞試驗提供了有力條件。本文對IGS分析中心法國空間研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）的實時軌道與鐘差產(chǎn)品的完整性進行統(tǒng)計與分析，并以IGS快速產(chǎn)品IGR PPP解算結(jié)果作為外部參考，利用軌道與鐘差產(chǎn)品，選取不同GNSS系統(tǒng)組合，即僅GPS，GPS+BDS，GPS+GLONASS，GPS+Galileo，以及截止高度角的變化進行PPP解算，開展基于CNES實時產(chǎn)品PPP時間傳遞試驗。

1 PPP方法與PPP時間傳遞原理

1.1 PPP方法原理

利用IGS實時精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品以及使用消電離層組合消除電離層影響后的雙頻組合觀測值，采用PPP方法進行時間傳遞試驗，其觀測方程可表示為：

1.2 PPP時間傳遞基本原理

圖1 PPP時間傳遞基本原理圖

2 實驗數(shù)據(jù)與策略

2.1 觀測數(shù)據(jù)

本次試驗選取7個外接高精度時間參考的GNSS跟蹤站，7個測站均是IGS MGEX（multi-GNSS experiment）站點，其中WAB2，PTBB，BRUX是位于時間實驗室的站點，各個測站的接收機均外接高精度原子鐘。圖2是本次試驗選取測站的站點分布圖，其中BRUX作為本次試驗的中心節(jié)點。觀測數(shù)據(jù)弧段從2018年5月1日開始，到2019年4月30日結(jié)束共365 d，其采樣間隔為30 s。

圖2 試驗站點分布圖

本次試驗選取的所有站點接收機、天線配置以及外接原子鐘，詳細情況如表1所示。

表1 站點配置信息統(tǒng)計

2.2 實時產(chǎn)品及其完整性分析

進行實時產(chǎn)品的可用性分析時，主要從兩個方面進行分析：第一個方面是實時產(chǎn)品完整性問題，受實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)源等因素的影響，造成實時接收的數(shù)據(jù)不完整；第二個方面是產(chǎn)品時延問題，即實時產(chǎn)品延遲不能大于90s，目前IGS實時產(chǎn)品基本滿足這一要求[10]。因此，本文主要對從2018年5月1日至2019年4月30日共365d實時數(shù)據(jù)流的完整性進行了分析。

由表2可知，CNES實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整性存在以下兩個問題：① 實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)不連續(xù)，多系統(tǒng)的實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率都沒有達到100%，部分衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率較低，比如E13，E15和E21號衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率低于50%。② 多系統(tǒng)的實時產(chǎn)品中，GPS和GLONASS的實時產(chǎn)品整體完整率均高于90%，而Galileo和BDS的實時產(chǎn)品整體完整率分別為70.66%和84.34%。以上兩個問題可能是數(shù)據(jù)源部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)流中斷等因素造成的。

表2 實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計

2.3 解算策略

本次實驗主要在靜態(tài)模式下，利用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品，選取不同GNSS系統(tǒng)組合，即GPS，GPS+BDS，GPS+GLONASS和GPS+Galileo，以及截止高度角的變化，分別設置為10°，20°和30°，開展PPP時間傳遞試驗。PPP解算時，使用無電離層組合模型，參數(shù)估計使用卡爾曼濾波方法，詳細的數(shù)據(jù)處理解算策略設置如表3所示。

表3 PPP數(shù)據(jù)處理解算策略

3 評價方法

本文使用基于IGS快速產(chǎn)品IGR PPP解算的結(jié)果作為外部參考標準，來衡量CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)品的時間傳遞能夠達到的效果，主要有兩個原因：第一，BIPM計算國際原子時，使用IGS快速產(chǎn)品IGR，采用PPP技術(shù)解算得到各時間實驗室鐘差，其可比性更強；第二，IGS快速產(chǎn)品IGR的鐘差精度高達0.075 ns[8]，可以滿足精密時間傳遞的需求。不選擇精度更高的IGS最終產(chǎn)品，主要是因為IGS最終產(chǎn)品的時延較長，且IGR產(chǎn)品精度也符合要求[11]。

此次試驗將利用CNES實時產(chǎn)品PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列，與使用IGR產(chǎn)品（截止高度角為10°，其他參數(shù)設置相同）PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列作差，統(tǒng)計差異STD（standard deviation）作為評估標準，具體計算公式如下：

本次試驗使用Stable32軟件計算得到時間傳遞鏈路鐘差序列的修正Allan偏差（modified Allan deviation，MDEV），并通過修正Allan偏差來判斷PPP時間傳遞的穩(wěn)定度[12-13]。

4 實驗結(jié)果與分析

本次實驗首先利用CNES實時產(chǎn)品中的GPS系統(tǒng)產(chǎn)品，設置截止高度角為10°，進行PPP解算，得到所有試驗鏈路的時間鏈路結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品得到的時間鏈路結(jié)果作差，并對差異結(jié)果進行統(tǒng)計。圖3分別是BRUX-PTBB和BRUX-WAB2的時間鏈路結(jié)果序列圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，使用CNES實時產(chǎn)品中的GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品和使用IGR產(chǎn)品兩者的解算結(jié)果符合程度較好。圖中部分時段鏈路比對結(jié)果缺失是觀測數(shù)據(jù)缺失或觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差導致解算失敗而引起的。BRUX-BOR1，BRUX-GMSD，BRUX-HOB2和BRUX-WTZR這4條鏈路比對結(jié)果呈現(xiàn)相同的趨勢，相應的時間序列圖這里不再一一展示。

圖3 GPS PPP（CNES）-GPS PPP（IGR）結(jié)果比對時間序列圖

表4是GPS（CNES）-GPS PPP（IGR）時間鏈路比對結(jié)果STD的統(tǒng)計，從統(tǒng)計結(jié)果可以看出BRUX-BOR1，BRUX-GMSD等6條時間傳遞鏈路比對結(jié)果的STD值均在0.1~0.5ns之間。結(jié)合圖4可以看出，使用CNES實時GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品所得的鏈路BRUX-PTBB的PPP時間傳遞的穩(wěn)定度和使用IGR產(chǎn)品所得到的穩(wěn)定度接近，天穩(wěn)分別可以達到6.6×10-15和6.4×10-15。

表4 GPS PPP（CNES）-PPP（IGR）比對結(jié)果標準偏差統(tǒng)計 單位：ns

圖4 不同產(chǎn)品GPS PPP解算的BRUX-PTBB的修正Allan偏差

在上述基礎上，基于CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品，截止高度角設置為10°，選擇GPS+BDS，GPS+GLONASS和GPS+Galileo不同星座之間組合進行PPP解算。由于PTBB，WAB2這兩個測站的觀測值是GPS單系統(tǒng)，所有在進行不同星座之間組合解算時，BRUX，BOR1，GMSD，HOB2和WTZR這5個測站進行解算。圖5是PPP（CNES）時間鏈路結(jié)果與GPS（IGR）時間鏈路結(jié)果差值的STD值統(tǒng)計，從圖中可以看出，使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品中GPS+BDS，GPS+GLONASS和GPS+Galileo不同星座之間組合進行PPP時間傳遞，其STD均小于0.4 ns。圖6是BRUX-BOR1，BRUX-GMSD，BRUX-HOB2和BRUX-WTZR 4條鏈路使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品與GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品STD減小的百分比統(tǒng)計圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品STD值有所減小，其中BRUX-HOB2和BRUX-GMSD兩條時間鏈路結(jié)果STD明顯減小，主要原因是利用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品相比GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品，可以使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)更多，圖7和圖8分別顯示了2017年，年積日為150，BRUX和GMSD兩個測站不同星座組合的可視衛(wèi)星數(shù)量和鐘差精度因子TDOP（time dilution of precision）值，從圖7和圖8中可以看出，相比GPS單系統(tǒng)，BRUX和GMSD測站不同GPS+BDS，GPS+GLONASS和GPS+Galileo不同星座之間組合，TDOP明顯減小，其中BRUX測站GPS平均TDOP為1.02，GPS+BDS平均TDOP為0.70，GPS+GLONASS平均TDOP為0.66，GPS+Galileo平均TDOP為0.77。整體來看，在使用CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)品GPS+GLONASS組合進行PPP時間傳遞試驗，其STD小于GPS+BDS、GPS+Galileo組合，主要原因GLONASS實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率高于BDS和Galileo。圖9是使用CNES實時產(chǎn)品中不同系統(tǒng)組合PPP解算的BRUX-HOB2的MDEV，不難發(fā)現(xiàn)使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品所得的鏈路BRUX-HOB2的PPP時間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品所得到的穩(wěn)定度。

圖5 PPP（CNES）-PPP（IGR）比對結(jié)果標準偏差值統(tǒng)計

圖6 使用多系統(tǒng)產(chǎn)品相對于使用單GPS實時產(chǎn)品時間傳遞標準偏差值減小百分比統(tǒng)計

圖7 BRUX站可視衛(wèi)星數(shù)和鐘差精度因子

圖8 GMSD 站可視衛(wèi)星數(shù)和鐘差精度因子

圖9 實時產(chǎn)品中不同系統(tǒng)組合PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

上述試驗結(jié)果都是基于良好的觀測條件下得出的，而現(xiàn)實中的觀測條件存在不確定性。因此，我們模擬開展了在外界環(huán)境有限的條件下的PPP時間傳遞試驗。依舊在靜態(tài)模式下，使用CNES實時產(chǎn)品中GPS+BDS，GPS+GLONASS和GPS+Galileo不同星座之間組合進行PPP解算，截止高度角分別為20°和30°，進行所有鏈路結(jié)果的平均STD值統(tǒng)計以及相對使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品鏈路結(jié)果改善情況統(tǒng)計。從表5可以發(fā)現(xiàn)，截止高度角為10°，20°，30°時，使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品，STD在0.3~0.4 ns之間。同使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品相比，4條時間鏈路結(jié)果STD減小百分比分別在11.11%~13.89%，10.81%~16.21%，11.42%~12.82%。

表5 所有鏈路平均標準偏差值統(tǒng)計結(jié)果 單位：ns

圖10至圖12分別是BRUX-HOB2時間鏈路基于GPS+Galileo實時產(chǎn)品、GPS+BDS實時產(chǎn)品和GPS+GLONASS實時產(chǎn)品PPP解算的MDEV。從圖中可以看到，在截止高度角為20°時，PPP時間傳遞結(jié)果的長期穩(wěn)定度優(yōu)于截止高度角為10°的結(jié)果，原因可能是在截止高度角為20°時，PPP解算時受到多路徑效應的影響較小。當截止高度角為30°時，長期穩(wěn)定度較差，可能是由于可見衛(wèi)星數(shù)量較少所導致的。BRUX-GMSD、BRUX-BOR1、BRUX-WTZR 3條時間鏈路基于不同GNSS組合的實時產(chǎn)品PPP解算的MDEV與BRUX-HOB2時間鏈路的MDEV趨勢相同，這里不再一一展示。

圖10 GPS+Galileo實時產(chǎn)品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

圖12 GPS+GLONASS實時產(chǎn)品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

5 結(jié)語

本文首先對法國空間研究中心提供的多系統(tǒng)實時軌道和鐘差產(chǎn)品的完整性進行統(tǒng)計和分析，統(tǒng)計得到CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品的完整率，其中GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)的實時產(chǎn)品完整率高于90%，Galileo系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的實時產(chǎn)品完整率分別為70.66%和84.34%。然后將CNES的實時軌道與鐘差產(chǎn)品用于PPP時間傳遞，從不同GNSS系統(tǒng)組合、截止高度角的變化兩個角度，設計了多種試驗策略并進行PPP解算。結(jié)果表明，使用CNES 實時GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品，PPP時間傳遞的標準偏差在0.3~0.5 ns之間；利用多種組合模式的多系統(tǒng)產(chǎn)品得到的STD相較于GPS單系統(tǒng)有所減小，在截止高度角為10°，20°，30°時，STD減小的百分比分別為11.11%~13.89%，10.81%~16.21%，11.42%~12.82%。

致謝：感謝IGS提供的實時多系統(tǒng)產(chǎn)品和觀測數(shù)據(jù)；感謝中國科學院國家授時中心iGMAS分析中心、國家科技基礎條件平臺—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”提供的幫助。

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PPP time transfer based on CNES real-time GNSS products

YAO Pan1,2,3, YANG Xu-hai1,2,4, SUN Bao-qi1,2,4, WU Mei-fang1,2

(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;4. School of Astronomical and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

The continuous improvement of the accuracy of IGS real-time products provides a opportunity for tesing and performance evaluation of PPP (precise point positioning) time transfer by using IGS (International GNSS Service) real-time products. In order to study the effect on time transfer by using real-time multi-GNSS products in this work, 1-year real-time multi-GNSS products from the IGS Analysis Center’s Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) and observational data from 7 stations are used to evaluate the strategy of different GNSS system combinations and cut-off height angle. The results show that the standard deviation of time transfer difference between CNES real-time GPS-only products and the IGR products is around 0.3 ns to 0.5 ns. In summary, compared to the GPS-only system, the STD obtained by multi-GNSS products is reduced: the STD is reduced by 11.11% - 13.89%, 10.81% - 16.21%, 11.42% - 12.82%, at a cut-off height angles of 10°, 20°, 30°, respectively.

precise point positioning; time transfer; multi-GNSS; real-time products

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-04-0288-12

姚攀，楊旭海，孫保琪，等. 基于CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)品PPP時間傳遞[J]. 時間頻率學報, 2020, 43(4): 288-299.

2020-04-22；

2020-05-22

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）