基于精密單點(diǎn)定位的GNSS時(shí)間同步方法研究

呂大千

1. 國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥 230037； 2. 通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314033

高精度時(shí)間服務(wù)是國(guó)家綜合PNT(positioning，navigation，timing)體系的重要組成部分，在國(guó)防軍事、移動(dòng)通信、天文觀測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。論文采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS授時(shí)的方式，提出了一種基于精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)的時(shí)間同步方法。該方法根據(jù)PPP時(shí)間傳遞結(jié)果駕馭本地時(shí)鐘，使本地時(shí)鐘所表示的本地時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間同步，可以達(dá)到亞納秒級(jí)的時(shí)間同步精度，并且具備全天候、全覆蓋、高精度、低成本等優(yōu)點(diǎn)。論文圍繞PPP時(shí)間同步這一核心問(wèn)題，按照從事后模式到實(shí)時(shí)模式、從理論研究到工程實(shí)現(xiàn)的研究主線，主要內(nèi)容如下：

(1) PPP參數(shù)估計(jì)方法改進(jìn)與誤差補(bǔ)償問(wèn)題。研究了基于先驗(yàn)坐標(biāo)約束的擴(kuò)展Kalman濾波方法來(lái)提升PPP時(shí)間傳遞性能；研究了基于整數(shù)相位鐘法的模糊度固定方法，提出了適用于定時(shí)計(jì)算的模糊度固定與質(zhì)量控制策略，采用假設(shè)檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)決策、殘差檢驗(yàn)等多種方法對(duì)模糊度固定各個(gè)階段進(jìn)行質(zhì)量控制；研究了針對(duì)GLONASS偽距頻間偏差和BDS星端多徑誤差的補(bǔ)償方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述參數(shù)估計(jì)改進(jìn)與補(bǔ)償方法均能夠有效提升PPP時(shí)間傳遞性能。

(2) 事后條件下的PPP時(shí)間傳遞問(wèn)題。研究了多系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)融合處理中的誤差改正問(wèn)題，提出一種基于GPS/GLONASS/BDS/Galileo的多模GNSS PPP時(shí)間傳遞算法；針對(duì)PPP時(shí)間傳遞中的日界問(wèn)題，提出基于鐘差重收斂(clock instantaneous reinitialization)的多模GNSS PPP和整數(shù)相位鐘時(shí)間傳遞算法。主要研究結(jié)論為：①基于多模GNSS PPP和整數(shù)相位鐘法的時(shí)間傳遞均存在不同程度的日界問(wèn)題；②鐘差重收斂算法不僅能夠解決時(shí)間傳遞的日界問(wèn)題，而且可以削弱PPP參數(shù)估計(jì)過(guò)程中的未建模噪聲誤差，進(jìn)一步提升基于多模GNSS和整數(shù)相位鐘法的PPP時(shí)間傳遞性能。

(3) 實(shí)時(shí)條件下的PPP時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)問(wèn)題。首先介紹了時(shí)間監(jiān)測(cè)的具體含義；然后以CLK93實(shí)時(shí)星歷產(chǎn)品為例，比較分析了GPS 、GLONASS、BDS和Galileo的產(chǎn)品質(zhì)量；在現(xiàn)有GPS PPP時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)方法基礎(chǔ)上，提出了基于GPS/GLONASS/BDS/Galileo的多模GNSS PPP時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)算法、多模GNSS混合相位鐘法的時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)算法，研究了多模GNSS混合相位鐘法的相位偏差和偽距偏差改正問(wèn)題；最后綜合比較上述多種時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)算法性能。主要研究結(jié)論為：①現(xiàn)階段，模糊度固定解技術(shù)對(duì)時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)的性能提升要優(yōu)于多模GNSS觀測(cè)值；②多模GNSS觀測(cè)值的加入可以增強(qiáng)PPP時(shí)間傳遞的可靠性，同時(shí)運(yùn)用多模GNSS觀測(cè)值和模糊度固定解技術(shù)進(jìn)行時(shí)間傳遞與監(jiān)測(cè)的性能最優(yōu)。

(4) 基于PPP技術(shù)的時(shí)間同步問(wèn)題。針對(duì)分布式系統(tǒng)時(shí)間同步對(duì)高精度和靈活性的雙重需求，提出了一種PPP時(shí)間同步方法。分析了PPP時(shí)間同步特點(diǎn)和場(chǎng)景要求；解決了分布式高精度時(shí)間同步的時(shí)間基準(zhǔn)選擇問(wèn)題；設(shè)計(jì)了PPP時(shí)間同步測(cè)試系統(tǒng)的軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了GPS PPP和多模GNSS PPP時(shí)間同步性能。主要研究結(jié)論為：①PPP時(shí)間同步方法適用于解決廣域空間內(nèi)稀疏分布式系統(tǒng)的時(shí)間同步問(wèn)題；②在現(xiàn)有眾多實(shí)時(shí)精密星歷產(chǎn)品中，CLK53和CLK80的產(chǎn)品質(zhì)量和時(shí)間基準(zhǔn)穩(wěn)定度較好，可以為PPP時(shí)間同步提供時(shí)間基準(zhǔn)支持；③GPS PPP時(shí)間同步均方根誤差約為0.41 ns，多模GNSS PPP時(shí)間同步性能約為0.33 ns。