GNSS全球基準(zhǔn)站鐘性能的評(píng)估與分析

蔚立軍，吳碩先

(1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院工程學(xué)院，云南 昆明 650000； 2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引 言

衛(wèi)星鐘差是指單個(gè)GNSS衛(wèi)星的星載原子鐘的鐘面時(shí)與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差。由于衛(wèi)星所處的太空環(huán)境復(fù)雜，受輻射、重力、溫度等因素的影響，星載原子鐘的性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其鐘面時(shí)與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差也在變化。接收機(jī)鐘差是指單個(gè)接收機(jī)時(shí)鐘的鐘面時(shí)與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差，與衛(wèi)星鐘差類似，受所處環(huán)境影響，接收機(jī)的鐘差也在不斷變化。由于性能較優(yōu)的原子鐘成本過高，接收機(jī)上普遍裝配性能較差的石英鐘，只有少數(shù)重要測(cè)站配有外接原子鐘，所以接收機(jī)鐘的鐘差量級(jí)和穩(wěn)定性較差。

在GNSS應(yīng)用中，鐘差是十分重要的參數(shù)信息，其精度直接影響GNSS的服務(wù)水平，如在定位和導(dǎo)航服務(wù)中，必須已知一定精度的衛(wèi)星鐘差，才能解算出相應(yīng)水平的位置信息。接收機(jī)鐘差通常是用戶端在實(shí)施定位、授時(shí)應(yīng)用時(shí)依靠觀測(cè)數(shù)據(jù)解算出的一類參數(shù)，在服務(wù)端解算高精度的增強(qiáng)信息過程中也扮演著重要角色。衛(wèi)星鐘差通常利用IGS提供的全球跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算，解算過程一般選擇接收機(jī)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)。為獲得高質(zhì)量的衛(wèi)星鐘差，選做基準(zhǔn)的時(shí)鐘性能在上述過程中起著至關(guān)重要的作用。選擇穩(wěn)定的接收機(jī)鐘作為鐘差基準(zhǔn)，能夠確保衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而正確反映衛(wèi)星鐘的性能，以便更好地對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)。

因此，針對(duì)測(cè)站的接收機(jī)鐘實(shí)施性能分析，并篩選出性能穩(wěn)定、量級(jí)可靠的測(cè)站，可作為服務(wù)端解算高精度衛(wèi)星鐘差時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)而保證GNSS應(yīng)用中涉及高質(zhì)量衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的服務(wù)。

利用GNSS實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用尤其是高精度應(yīng)用時(shí)，衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星相位偏差等參數(shù)是不可或缺的信息[6]。接收機(jī)鐘差是實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)用時(shí)的重要信息，是指接收機(jī)鐘面時(shí)與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差，在實(shí)際應(yīng)用中是不可避免的。通常，用戶端在實(shí)施定位或授時(shí)活動(dòng)時(shí)，或者服務(wù)端在解算衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差等增強(qiáng)信息時(shí)，接收機(jī)鐘差常作為其中的待估參數(shù)參與解算。接收機(jī)鐘差來源于接收機(jī)必需的組成部分：內(nèi)置石英鐘或外接原子鐘，不僅可以參與上述觀測(cè)方程的解算，也可用于評(píng)估接收機(jī)鐘的性能。配備高精度和高穩(wěn)定性接收機(jī)鐘的測(cè)站常用于定義和維持特定的時(shí)間系統(tǒng)，或在精密衛(wèi)星鐘差解算時(shí)被選做基準(zhǔn)[7-8]。

圖1 實(shí)驗(yàn)處理的IGS測(cè)站分布 Fig.1 Distribution of IGS stations processed by experiment

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)接收機(jī)鐘差的研究，主要集中于接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性、外界環(huán)境對(duì)接收機(jī)鐘性能的影響、精密單點(diǎn)定位應(yīng)用中對(duì)接收機(jī)鐘差建模的益處、接收機(jī)鐘差在衛(wèi)星鐘差估計(jì)中的處理策略等。如Wang Kan等通過分析接收機(jī)鐘差與外界溫度的關(guān)系，得出接收機(jī)鐘差與溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性[9]；張小紅等[10]、Wang Fuhong等[11]通過分析接收機(jī)鐘的性能并對(duì)接收機(jī)鐘差建模，提高了精密單點(diǎn)定位的精度；陳永昌等[12]通過分析與接收機(jī)鐘差相關(guān)的通道內(nèi)偏差(inter-channel bias, ICB)的特征，得出適用于GPS和GLONASS系統(tǒng)聯(lián)合解算衛(wèi)星鐘差時(shí)的最優(yōu)策略。多項(xiàng)研究表明：針對(duì)接收機(jī)鐘差的研究在GNSS領(lǐng)域占有重要席位，相關(guān)成果不僅在定位等相關(guān)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，在衛(wèi)星鐘差的解算中也起著積極作用。

1 研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 數(shù)據(jù)選取

考慮到IGS測(cè)站均配備質(zhì)量和性能較高的接收機(jī)，可連續(xù)運(yùn)行幾年至十幾年，更新?lián)Q代的頻率較低。因此，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取方面，無需處理長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)即可評(píng)估接收機(jī)時(shí)鐘的性能。實(shí)驗(yàn)處理的數(shù)據(jù)為IGS所有測(cè)站在GPS時(shí)2050和2051周的數(shù)據(jù)，測(cè)站總數(shù)252個(gè)，分布如圖1所示。

除直接解算接收機(jī)鐘差外，本文獲取接收機(jī)鐘差的途徑還包括從IGS最終的鐘差產(chǎn)品中提取數(shù)據(jù)，以減少計(jì)算量、提高程序運(yùn)行效率。此外，在解算接收機(jī)鐘差過程中，實(shí)驗(yàn)所需的精密軌道、地球定向參數(shù)、電離層高階改正信息等，均采用IGS最終的高精度產(chǎn)品，以保證解算結(jié)果的精確性。

1.2 研究實(shí)驗(yàn)方案

本研究實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)流程如下。

1)數(shù)據(jù)獲取部分。數(shù)據(jù)獲?。豪米杂械臄?shù)據(jù)下載軟件，登錄武漢大學(xué)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器ftp://igs.gnsswhu.cn，獲取所有IGS測(cè)站GPS時(shí)2050、2051周的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、對(duì)流層等最終產(chǎn)品。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分。①數(shù)據(jù)檢核：對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，剔除存在觀測(cè)質(zhì)量較差、數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重等問題的測(cè)站或觀測(cè)值；同時(shí)利用相位平滑偽距的方法，探測(cè)和修復(fù)相位觀測(cè)值中存在的周跳問題。②接收機(jī)鐘差提取：從IGS提供的最終鐘差產(chǎn)品中提取IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘差，供后續(xù)分析和評(píng)估使用。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experimental flow

3)數(shù)據(jù)處理部分。①接收機(jī)鐘差解算：由于PPP技術(shù)可解得的測(cè)站坐標(biāo)精度為厘米級(jí)，相應(yīng)的接收機(jī)鐘差量級(jí)優(yōu)于0.1 ns，因此采用該技術(shù)解算接收機(jī)鐘差，既能滿足鐘差精度的要求，又能提高解算海量接收機(jī)數(shù)據(jù)的效率。因此，本方案利用Bernese軟件，結(jié)合PPP精密單點(diǎn)定位技術(shù)，對(duì)未在鐘差產(chǎn)品中提取到的測(cè)站實(shí)施接收機(jī)鐘差解算，獲取接收機(jī)鐘差結(jié)果。②接收機(jī)鐘差量級(jí)分析：分別處理各個(gè)測(cè)站的接收機(jī)鐘差序列，統(tǒng)計(jì)一天的量級(jí)范圍以及所有天的量級(jí)均值。③接收機(jī)鐘穩(wěn)定性分析：利用Allan方差法分析各測(cè)站、各天的接收機(jī)鐘差序列，獲取接收機(jī)時(shí)鐘的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性信息。

4)小結(jié)。鐘差基準(zhǔn)站選?。航Y(jié)合接收機(jī)鐘穩(wěn)定性信息和鐘差量級(jí)范圍，對(duì)接收機(jī)性能進(jìn)行排序，最后選擇穩(wěn)定性較高且量級(jí)范圍較低的測(cè)站，作為鐘差基準(zhǔn)備選站。上述實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)分析

表1 接收機(jī)鐘差量級(jí)范圍統(tǒng)計(jì)

根據(jù)既定實(shí)驗(yàn)方案，解算所有IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘差(時(shí)間系統(tǒng)為GPS時(shí))。成果主要包括：根據(jù)接收機(jī)鐘差的量級(jí)信息，統(tǒng)計(jì)不同量級(jí)的接收機(jī)數(shù)量及對(duì)應(yīng)測(cè)站；根據(jù)接收機(jī)鐘差的時(shí)間序列，統(tǒng)計(jì)不同接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性及對(duì)應(yīng)測(cè)站；綜合量級(jí)和穩(wěn)定性信息，列出適用于在精密衛(wèi)星鐘差解算中，作為鐘差基準(zhǔn)的站列表。

2.1 接收機(jī)鐘差量級(jí)信息

對(duì)2050、2051周452個(gè)測(cè)站的接收機(jī)鐘差進(jìn)行量級(jí)統(tǒng)計(jì)，不同量級(jí)對(duì)應(yīng)的測(cè)站數(shù)量如表1所示。

由表1中信息可知：

1)IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘與系統(tǒng)時(shí)間的偏差量級(jí)絕大部分優(yōu)于1×10-3s(1 ms)，占比約98.7%。這個(gè)量級(jí)能夠保證接收機(jī)完成捕獲信號(hào)等任務(wù)。

2)大部分接收機(jī)鐘差的量級(jí)優(yōu)于1×10-7s，測(cè)站數(shù)為262個(gè)，占比約58.0%。

3)有相當(dāng)一部分接收機(jī)的鐘差量級(jí)在納秒級(jí)(<1×10-8s)，測(cè)站數(shù)為74個(gè)，占比約16.4%。

綜合鐘差量級(jí)的統(tǒng)計(jì)信息可知，IGS測(cè)站的接收機(jī)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差能夠滿足日常運(yùn)行的需求，并且有足夠多的測(cè)站配備的接收機(jī)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)間的偏差較小，甚至有70多個(gè)測(cè)站的接收機(jī)鐘與GPS時(shí)之間的偏差在納秒級(jí)別，所以在選擇IGS站做鐘差基準(zhǔn)時(shí)有充足的空間。

2.2 接收機(jī)鐘穩(wěn)定性信息

本實(shí)驗(yàn)對(duì)2050、2051周452個(gè)測(cè)站的接收機(jī)鐘差序列進(jìn)行短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析，如圖3所示。

圖3展示了所有接收機(jī)的鐘差在不同平滑時(shí)間下對(duì)應(yīng)的Allan方差數(shù)值，平滑時(shí)間分別為 300 s、600 s、1 200 s、2 400 s、4 800 s、9 600 s、19 200 s、38 400 s、76 800 s、86 400 s。由圖中數(shù)據(jù)可得，除個(gè)別站外，IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘差的平滑時(shí)間越長(zhǎng)穩(wěn)定性越好，絕大部分的接收機(jī)鐘天穩(wěn)定性較好，而短期穩(wěn)定性參差不齊，如300 s的平滑時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)數(shù)值。

在選擇可作為鐘差基準(zhǔn)的測(cè)站時(shí)，本項(xiàng)目考慮平滑時(shí)間分別為300 s和 86 400 s的短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，相應(yīng)的Allan方差數(shù)值量級(jí)對(duì)應(yīng)的測(cè)站數(shù)如表2所示。

表2 接收機(jī)鐘穩(wěn)定性量級(jí)范圍統(tǒng)計(jì)

由表2的統(tǒng)計(jì)信息可知：1)大部分IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好(天穩(wěn))，量級(jí)優(yōu)于1×10-13，占比約65.0%；2)大部分測(cè)站的短期穩(wěn)定性(300 s)集中在1×10-12～1×10-11區(qū)間；3)短期穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-12的數(shù)量占比約24.1%。

由穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)信息可知，IGS測(cè)站的接收機(jī)鐘具有較高的穩(wěn)定性，而且短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性較高的測(cè)站數(shù)量較多?？紤]到在解算鐘差產(chǎn)品時(shí)，幾十個(gè)測(cè)站即可被選做鐘差基準(zhǔn)，因此裝有高穩(wěn)定性接收機(jī)鐘的測(cè)站數(shù)量能夠滿足要求。

綜合鐘差的量級(jí)信息，以及時(shí)鐘的短、長(zhǎng)期穩(wěn)定性信息，制定可作為鐘差基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)為：1)鐘差的量級(jí)優(yōu)于1×10-7s；2)時(shí)鐘的短期穩(wěn)定性優(yōu)于0.5×10-12；3)時(shí)鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-13?；诖?，篩選出以下滿足要求的測(cè)站共138個(gè)，即：ABPO、ALBH、ANMG、ARUC、ASCG、AUCK、BAIE、BAKE、BAKO、BAMF、BELE、BILL、BNOA、BOR1、BRAZ、BRST、BSHM、CAGS、CAS1、CCJ2、CHPG、CHTI、CIT1、CKIS、CKSV、COCO、COSO、CRFP、CRO1、CUUT、CZTG、DAE2、DAEJ、DAKR、DARW、DGAR、DLF1、DUND、DYNG、ESCU、FAIR、FALK、FLIN、FRDN、GAMB、GANP、GCGO、GLSV、GOP6、GOPE、HAMD、HNUS、HOB2、HOLB、IISC、INVK、IQAL、ISHI、JCTW、JOZ2、JPRE、KARR、KERG、KIR8、KIRI、KOUC、KZN2、MAJU、MAYG、MBAR、MCHL、MCIL、METG、MOBS、MOIU、MONP、MORP、MQZG、MRC1、MRO1、MTKA、NANO、NAUR、NIUM、NTUS、ONS1、OP71、OWMG、PALM、PARK、PERT、PICL、POAL、POVE、PTVL、RDSD、REUN、RGDG、SALU、SAMO、SAVO、SCH2、SCIP、SEYG、SFDM、SHE2、SOLO、SPTU、STK2、STR2、SUTH、SUWN、SYOG、TABL、TLSE、TOPL、TOW2、TSK2、TSKB、UCAL、UCLU、UFPR、ULDI、UNB3、URAL、VALD、VIS0、WGTN、WIDC、WILL、WTZR、XMIS、YAR3、YARR、YEBE、ZAMB、ZIM2、ZIMM。

3 研究結(jié)論

接收機(jī)鐘是接收機(jī)正常運(yùn)行必不可少的設(shè)備，其與時(shí)間系統(tǒng)之間存在的鐘差是GNSS領(lǐng)域一項(xiàng)重要的參數(shù)，在用戶端和服務(wù)端均不可或缺。本項(xiàng)目主要立足服務(wù)端在衛(wèi)星鐘差解算時(shí)對(duì)鐘差基準(zhǔn)的需求，挑選適合做基準(zhǔn)的測(cè)站。

通過實(shí)驗(yàn)，分析了所有IGS測(cè)站接收機(jī)鐘的鐘差量級(jí)和穩(wěn)定性，主要得出的結(jié)論有：

1)IGS作為國(guó)際上知名的GNSS服務(wù)組織，其維護(hù)和管理的測(cè)站在全球分布均勻，能夠連續(xù)觀測(cè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星，為服務(wù)端的建設(shè)提供充足的數(shù)據(jù)。

2) 所有IGS測(cè)站配備的接收機(jī)鐘的時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)之間的偏差(即鐘差)較小，即接收機(jī)鐘差的量級(jí)大部分優(yōu)于1×10-7s，占比約58.0%，且有74個(gè)測(cè)站的鐘差量級(jí)在納秒級(jí)別。

3)所有IGS測(cè)站配備的接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性較高，主要體現(xiàn)在短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性均較高，大部分的短期(300 s)穩(wěn)定性集中在1×10-12～1×10-11區(qū)間，優(yōu)于1×10-12的數(shù)量占比約24.1%，而長(zhǎng)期穩(wěn)定性(天穩(wěn))優(yōu)于1×10-13的測(cè)站數(shù)眾多，占比約65.0%。

綜合本次研究的結(jié)果，可見IGS組織在GNSS領(lǐng)域使用的接收機(jī)質(zhì)量可靠，尤其在接收機(jī)鐘的性能上，能夠達(dá)到很高的水平。按照既定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，得出的?shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論能夠在GNSS服務(wù)端解算鐘差時(shí)提供可靠的鐘差基準(zhǔn)選取方案。