GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理技術(shù)綜述

涂銳，張鵬飛，張睿，范麗紅，韓軍強(qiáng)，王思遙，盧曉春

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和各個(gè)行業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，精密時(shí)間頻率已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)生活中至關(guān)重要的戰(zhàn)略資源.精密時(shí)間傳遞是時(shí)頻領(lǐng)域最為基礎(chǔ)的工作之一，一方面它是將分布在世界各地的原子鐘建立聯(lián)系并實(shí)現(xiàn)國(guó)際原子時(shí)(TAI)計(jì)算的基礎(chǔ)，另一方面它是高精度時(shí)間用戶與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率系統(tǒng)建立聯(lián)系的重要手段.因此，開(kāi)展精密時(shí)間傳遞技術(shù)研究具有重要意義[1].

相對(duì)于傳統(tǒng)的搬運(yùn)鐘、衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞(TWSTFT)和光纖等時(shí)間傳遞技術(shù)手段，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的時(shí)間傳遞技術(shù)以其測(cè)量精度高、應(yīng)用成本低、作用范圍大、連續(xù)性好、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[2]，已逐漸成為時(shí)間實(shí)驗(yàn)室最重要的時(shí)間傳遞手段，也是廣大時(shí)間用戶最為常用的時(shí)間傳遞方式[3-6].特別是隨著我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的建成、歐盟Galileo 系統(tǒng)的迅速完善、美國(guó)GPS 的現(xiàn)代化以及俄羅斯GLONASS 的技術(shù)革新，多頻多模GNSS 的發(fā)展讓用戶擁有更多的觀測(cè)值使用，為精密時(shí)間傳遞提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[7-8].

從20 世紀(jì)80 年代首次提出GNSS 精密時(shí)間傳遞技術(shù)并發(fā)展至今已40 余年，隨著GNSS 接收機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展及其性能快速提升，經(jīng)歷了從共視法(CV)到全視法(AV).從最初的單通道、單偽距觀測(cè)量到現(xiàn)在的多通道、多系統(tǒng)、聯(lián)合載波相位觀測(cè)量的巨大轉(zhuǎn)變，基于GNSS 載波相位的精密時(shí)間傳遞方法充分發(fā)揮了GNSS 的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前GNSS 精密時(shí)間傳遞的主流方法.國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞中諸多技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究和分析，取得了豐碩的成果.他們的研究可以歸納為數(shù)據(jù)處理技術(shù)、軟件研發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用三個(gè)方面.

在數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面，Larson 和Levine 在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與美國(guó)海軍天文臺(tái)(USNO)之間進(jìn)行了60 d 的載波相位時(shí)間傳遞試驗(yàn)，認(rèn)為載波相位技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的CV 技術(shù)[9]；為此，國(guó)際GNSS 服務(wù)中心(IGS)與國(guó)際計(jì)量局(BIPM)較早地發(fā)起了利用GPS 進(jìn)行時(shí)間傳遞的研究計(jì)劃，旨在研究利用GPS 載波相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行全球范圍內(nèi)的精密時(shí)間傳遞技術(shù)[10-11].聶桂根[12]指出基于GPS 精密時(shí)間傳遞技術(shù)進(jìn)行時(shí)間傳遞的理論精度可達(dá)0.1 ns，特別是對(duì)于短期的時(shí)間傳遞的效果更加明顯.Costa 等[13]學(xué)者在意大利國(guó)家電工研究所(IEN)和德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)兩個(gè)機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行的載波相位時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)表明載波相位技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的AV 技術(shù)，特別是在短期和中期穩(wěn)定度方面優(yōu)勢(shì)更加明顯.Jiang 等[14]將GPSCV、AV、載波相位技術(shù)與TWSTFT 做了對(duì)比分析，并證明融合載波相位與TWSTFT 技術(shù)可以有效削弱TWSTFT 的周日和漂移效應(yīng).Jiang 等[14]和Petit 等[15]利用GPS 載波相位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了USNO 與PTB 之間鏈路的TAI 比對(duì)計(jì)算，開(kāi)始了載波相位技術(shù)在TAI 中的應(yīng)用；隨著GNSS載波相位時(shí)間傳遞技術(shù)的快速發(fā)展，BIPM 于2009 年將其納入TAI 計(jì)算中，并成為了主要的時(shí)間傳遞手段.近年來(lái)，隨著多模GNSS 系統(tǒng)的不斷建設(shè)和完善，眾多學(xué)者針對(duì)GNSS 時(shí)間傳遞技術(shù)開(kāi)展了大量針對(duì)性研究.張小紅等[16]利用GPS 載波平滑偽距的方式提升了時(shí)間傳遞的性能；Yao 等[17]提出了RINEXShift 算法用于削弱了GPS 載波相位技術(shù)中的“天跳變”現(xiàn)象；于合理等[18]研究了如何對(duì)原子鐘進(jìn)行建模來(lái)提升時(shí)間傳遞精度；孫清峰等[19]分析得出聯(lián)合不同GNSS 進(jìn)行時(shí)間傳遞可以提高頻率穩(wěn)定度；呂大千等[20]提出一種基于星間單差模糊度固定與原子鐘精化模型的改進(jìn)整數(shù)相位鐘法，檢驗(yàn)?zāi)：裙潭▽?duì)時(shí)頻傳遞性能的改善；Tu 等[21-23]研究了非差、單差、雙差模式的精密時(shí)間傳遞方法；張鵬飛[24]、葛玉龍[25]博士期間專門從事GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法研究，發(fā)表了一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法的論文.

在軟件研發(fā)方面，Orgiazzi 等[26]利用加拿大自然資源中心的NRCan 軟件對(duì)9 個(gè)國(guó)際時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，評(píng)估了GPS 載波相位時(shí)間傳遞的短期噪聲.Dach 等[27]利用Bernese 軟件對(duì)多天GPS 數(shù)據(jù)采用連續(xù)精密時(shí)間傳遞方法來(lái)平滑“天跳變”影響，進(jìn)而提高了精密時(shí)間傳遞方法的穩(wěn)定性.Defraigne 等[28]利用比利時(shí)皇家天文臺(tái)的Atomium 軟件實(shí)現(xiàn)了僅采用載波相位觀測(cè)值的時(shí)間傳遞功能，取得了較好的時(shí)間傳遞性能.Esteban 等[29]在時(shí)間傳遞鏈路的標(biāo)定過(guò)程中，對(duì)比分析了NRcan 軟件和GIPSY 軟件的性能，其結(jié)果呈現(xiàn)出良好的一致性.袁媛等[30]進(jìn)行了非差精密單點(diǎn)定位(PPP)時(shí)間傳遞軟件的實(shí)現(xiàn)，獲得了較好的時(shí)間傳遞精度.Petit 等[31]利用法國(guó)空間中心高精度GNSS 軟件GINS 測(cè)試了基于模糊度固定的GPS 時(shí)間傳遞功能，并實(shí)現(xiàn)了1×10-16量級(jí)的頻率傳遞精度.Zhang 等[32]開(kāi)發(fā)了多頻多模GNSS 時(shí)間傳遞軟件PTTSol，并對(duì)其進(jìn)行了深入分析，取得了較好的效果.

在系統(tǒng)應(yīng)用方面，高玉平等[33-34]利用GPS 時(shí)間傳遞技術(shù)，較早地研制了GPS 時(shí)間傳遞接收機(jī)，并搭建了精密時(shí)間服務(wù)系統(tǒng).Rovera 等[35]將GPS 時(shí)間傳遞技術(shù)應(yīng)用在時(shí)間傳遞的鏈路校準(zhǔn)方面，有效提升了鏈路校準(zhǔn)的精度.劉婭等[36]利用高精度GNSS 時(shí)間傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn).Guo 等[37]采用載波相位時(shí)間傳遞技術(shù)，并基于GNSS 地基增強(qiáng)系統(tǒng)研制了高精度GNSS 單向授時(shí)終端，實(shí)現(xiàn)了秒脈沖優(yōu)于1 ns 的授時(shí)精度.梁坤等[38]利用GNSS 時(shí)間頻率傳遞方法，通過(guò)馴服銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘，研制了遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置，試驗(yàn)表明87%的情況時(shí)間偏差保持在±5 ns 內(nèi).Xia 等[39]利用高精度時(shí)間傳遞方法，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)同步方法，并對(duì)其時(shí)間同步性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，證明了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)模式下的高精度信號(hào)同步方法的可行性.施闖等[40]利用高精度時(shí)間傳遞技術(shù)并結(jié)合不同時(shí)間基準(zhǔn)源構(gòu)建了廣域時(shí)間服務(wù)原型系統(tǒng).

本文旨在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合課題組的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理方面的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行歸納探討，并指出該領(lǐng)域未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向.

1 基本原理

基于GNSS 非差載波相位觀測(cè)值的精密時(shí)間傳遞基本原理如圖1 和公式(1)所示[15,41].

式中：t為接收機(jī)鐘差；τ為測(cè)站鐘面時(shí)間；下標(biāo)m，n代表測(cè)站；τmn為兩測(cè)站鐘之間的時(shí)間傳遞量.

首先，在位于兩地及以上的原子鐘處分別架設(shè)GNSS 接收機(jī)，將該原子鐘的時(shí)間頻率信號(hào)接入GNSS 接收機(jī)并鎖定，通過(guò)獲取偽距和載波相位觀測(cè)值，同時(shí)基于IGS 提供的精密軌道鐘差產(chǎn)品，各測(cè)站基于PPP 技術(shù)解算獲得接收機(jī)鐘差t，即本地鐘時(shí)間τ和GNSS 系統(tǒng)時(shí)間TGNSS之差；并將GNSS 系統(tǒng)時(shí)間當(dāng)作公共參考，即可獲得各站點(diǎn)之間的時(shí)間傳遞量τmn，再通過(guò)接收機(jī)鐘的駕馭和調(diào)整即可以實(shí)現(xiàn)各站之間的時(shí)間傳遞.這里本地鐘時(shí)間包含了由于GNSS天線、線纜及接收機(jī)硬件所產(chǎn)生的時(shí)間延遲誤差，需要對(duì)該時(shí)間傳遞鏈路定期進(jìn)行延遲的校準(zhǔn).

基于上述GNSS 非差載波相位觀測(cè)值時(shí)間傳遞的原理，也可以進(jìn)行觀測(cè)值單差和雙差求解實(shí)現(xiàn)時(shí)間傳遞工作，其詳細(xì)模型方法在第2 節(jié)中進(jìn)行描述.

2 觀測(cè)值模型

在GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理中，根據(jù)方程組建中是否形成差分觀測(cè)量，其解算模型可以分為非差模型、單差模型和雙差模型三類.

2.1 非差模型

GNSS 載波相位非差精密時(shí)間傳遞的基本模型與精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理模型相同，主要分為非差無(wú)電離層組合模型[42]和非差非組合模型[21].

基于精密星歷和精密鐘差產(chǎn)品，非差無(wú)電離層組合的精密時(shí)間傳遞模型如下[42]：

式中：P，Φ分別為偽距和相位觀測(cè)值；IF代表無(wú)電離層組合；ρ0為站星幾何距離初值；e為站星之間的單位方向矢量；x為測(cè)站坐標(biāo)初值的改正數(shù)；c為光速；N為載波相位模糊度；t為接收機(jī)鐘差；E為星歷和鐘差綜合誤差；T為對(duì)流層延遲誤差；M為可以模型化誤差的總和，包括相對(duì)論效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)、天線相位中心偏差(PCO)、潮汐等引起的誤差；ε為多路徑誤差和觀測(cè)噪聲；λ為波長(zhǎng).

基于精密星歷和精密鐘差產(chǎn)品，非差非組合的精密時(shí)間傳遞模型如下[21]：

式中：I為電離層延遲誤差；ITEC為電離層模型獲取的電離層總電子含量(TEC)；f(I)為電離層TEC 與電離層延遲誤差I(lǐng)之間的投影關(guān)系.

GNSS 精密時(shí)間傳遞的隨機(jī)模型一般采用高度角定權(quán)模型[43-45]，可以采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進(jìn)行參數(shù)求解.非差模型求解的是單站的接收機(jī)鐘差，需要分別求解基準(zhǔn)站和用戶站的接收機(jī)鐘差，再基于公式(1)獲取兩站之間時(shí)間傳遞的時(shí)差量.

注意，因?yàn)榉遣罘墙M合模型是最基本的原始模型，在后續(xù)單差和雙差模型介紹中只討論以非差非組合模型為基礎(chǔ)的單差和雙差模型，不再重復(fù)描述隨機(jī)模型和參數(shù)估計(jì)方法.

2.2 單差模型

GNSS 單差精密時(shí)間傳遞的基本模型采用站間單差模型[22]：

式中：m代 表基準(zhǔn)站；n代表用戶站；Δ為站間差分.單差模型求解的是站與站之間接收機(jī)鐘差之差，可以直接獲取兩站之間時(shí)間傳遞的時(shí)差量.

2.3 雙差模型

GNSS 雙差精密時(shí)間傳遞的基本模型采用站間和星間雙差模型[23]：

式中：?Δ代表站間和星間雙差；i，j代表衛(wèi)星，其中i為參考星.

因雙差觀測(cè)值消除了接收機(jī)鐘差參數(shù)，需要進(jìn)行接收機(jī)鐘差的基準(zhǔn)設(shè)定和鐘差參數(shù)恢復(fù).假定參考星i的站間單差模糊度浮點(diǎn)解已知，將其作為基準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)制約束為，通過(guò)求解雙差模糊度的固定解恢復(fù)得到非參考星j的站間單差模糊度約束解[23]：

恢復(fù)得到所有衛(wèi)星的站間單差模糊度約束解后，可以采用站間基線約束和單差模糊度約束，進(jìn)行站間接收機(jī)鐘差之差的求解[23]：

雙差模型求解的也是站與站之間的鐘差之差，可以直接獲取兩站之間時(shí)間傳遞的時(shí)差量.

3 模糊度處理方式

在GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理中，無(wú)論是采用哪種觀測(cè)值解算模型，其載波相位模糊度的處理方式有浮點(diǎn)解和固定解兩種.

3.1 浮點(diǎn)解

在非差、單差模型解算中，因衛(wèi)星端和接收機(jī)端非差相位小數(shù)偏差的存在，非差模糊度和單差模糊度本身不具有整周特性，直接估計(jì)得到的載波相位模糊度為浮點(diǎn)數(shù)[46].在GPS、BDS 和Galileo 雙差模型中，雙差模糊度具有整周特性，但是實(shí)際估計(jì)得到的雙差模糊度也是浮點(diǎn)數(shù).此外，因?yàn)镚LONASS 采用頻分多址技術(shù)，不同衛(wèi)星因頻率不同存在頻間偏差，其雙差模糊度也不具有整周特性，在不考慮頻間偏差條件下直接估計(jì)得到的GLONASS 雙差相位模糊度也為浮點(diǎn)數(shù)[47].載波相位模糊度的浮點(diǎn)解模式是GNSS精密時(shí)間傳遞的最基本模式，同時(shí)因模糊度固定技術(shù)復(fù)雜以及固定錯(cuò)誤導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)性，模糊度浮點(diǎn)解模式也是最常見(jiàn)的模式.

3.2 固定解

在GNSS 數(shù)據(jù)處理中，載波相位模糊度的準(zhǔn)確固定，不僅可以提高參數(shù)的收斂速度，同時(shí)可以提高參數(shù)解的精度[46].因此，通常將不具有整周特性的模糊度先進(jìn)行歸整恢復(fù)其整周特性，再采用一定方法進(jìn)行整數(shù)確定，并將固定成功的模糊度參數(shù)進(jìn)行約束，進(jìn)一步求解其他待求參數(shù)[48].對(duì)于非差和單差載波相位模糊度的歸整，一般有相位小數(shù)偏差法、相位整數(shù)鐘差法及鐘差去耦法[49]；對(duì)于GLONASS 的雙差模糊度歸整，?？紤]對(duì)頻間偏差進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[47,50].對(duì)于模糊度整數(shù)確定方法，通常采用直接取整法和基于整數(shù)最小二乘的搜索方法[46].模糊度成功固定后，可以進(jìn)行模糊度約束來(lái)進(jìn)一步求解鐘差參數(shù)從而提高時(shí)間傳遞的性能.

4 關(guān)鍵技術(shù)探討

為進(jìn)一步提高GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞的性能，以下對(duì)精準(zhǔn)性、一致性、連續(xù)性、穩(wěn)健性、實(shí)時(shí)性和完好性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討.

4.1 精準(zhǔn)性

在大地測(cè)量與導(dǎo)航領(lǐng)域，用戶關(guān)心的是坐標(biāo)參數(shù)、大氣參數(shù)和模糊度參數(shù)，而在GNSS 時(shí)頻領(lǐng)域，用戶關(guān)心的是接收機(jī)鐘差參數(shù).通常時(shí)頻用戶是靜態(tài)GNSS 測(cè)站，其坐標(biāo)準(zhǔn)確已知，并且大氣信息可以通過(guò)其他方式獲取，模糊度參數(shù)也可以進(jìn)行歸整，此外，時(shí)頻用戶接收機(jī)終端一般采用高性能的原子鐘.因此，在精密時(shí)間傳遞中，通?？梢詫?duì)坐標(biāo)參數(shù)采取靜態(tài)緊約束處理[51]，對(duì)大氣參數(shù)采用附加先驗(yàn)信息約束處理[21,51]，對(duì)模糊度參數(shù)進(jìn)行歸整固定處理[22-23,52]，對(duì)接收機(jī)鐘差參數(shù)可以采取鐘差建模處理[53].合理的參數(shù)約束和建模處理可以進(jìn)一步提高求解模型的強(qiáng)度和誤差修正水平，從而提高GNSS 載波相位時(shí)間傳遞的精準(zhǔn)性.

4.2 一致性

多頻多模GNSS 觀測(cè)量的融合，可以有效提高GNSS 精密時(shí)間傳遞的性能，但其數(shù)據(jù)處理結(jié)果如何保持一致性也存在挑戰(zhàn)性.一方面，不同GNSS 系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)和時(shí)間尺度不一致，導(dǎo)致不同系統(tǒng)求解的用戶時(shí)間會(huì)存在偏差，通常在多系統(tǒng)融合處理中，將其中一個(gè)GNSS 系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)為參考，其他GNSS系統(tǒng)通過(guò)估計(jì)系統(tǒng)間偏差歸一到參考系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)時(shí)差參數(shù)求解的歸一[32,54-57].另一方面，不同產(chǎn)品中心提供的軌道鐘差產(chǎn)品的基準(zhǔn)差異導(dǎo)致用戶求解的鐘差結(jié)果也會(huì)存在不一致性，這種差異一般具有較好的穩(wěn)定性[58].此外，不同類型觀測(cè)值不同數(shù)據(jù)處理模型求解的鐘差結(jié)果也會(huì)存在不一致性，這種差異也具有較好的穩(wěn)定性[21,59-63].在不同時(shí)頻用戶結(jié)果比較時(shí)，建議使用同一個(gè)產(chǎn)品中心提供的產(chǎn)品，并使用相同類型的觀測(cè)值和相同的數(shù)據(jù)處理模型，保持多頻多模GNSS 融合時(shí)間傳遞結(jié)果的一致性[58].

4.3 連續(xù)性

時(shí)間是一個(gè)連續(xù)的量，但是基于GNSS 觀測(cè)求解的時(shí)間參數(shù)在天與天之間會(huì)產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱“天跳變”[17,41,64].當(dāng)前的研究認(rèn)識(shí)主要有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為這種“天跳變”由儀器溫度變化、電纜因素以及偽距噪聲、環(huán)境多路徑等影響造成，可以通過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)并建立模型削弱[17,41,65-66]；另一種認(rèn)為這種“天跳變”主要由使用的衛(wèi)星端產(chǎn)品插值策略和用戶端解算策略引起，在產(chǎn)品端利用滑動(dòng)插值窗口將天與天之間的目標(biāo)插值點(diǎn)置于相連兩天產(chǎn)品插值窗口的中間，保障產(chǎn)品端插值的連續(xù)性來(lái)解決產(chǎn)品引起的“天跳變”，在用戶端采取天與天之間連續(xù)序貫求解，保持坐標(biāo)、模糊度和對(duì)流層等參數(shù)的繼承和連續(xù)性，從而解決用戶端解算策略導(dǎo)致的“天跳變”[67].

4.4 穩(wěn)健性

在GNSS 精密時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理中，為實(shí)現(xiàn)結(jié)果的穩(wěn)健性，需要對(duì)觀測(cè)值的權(quán)比、設(shè)備時(shí)間延遲偏差、數(shù)據(jù)粗差異常和各種偏差等進(jìn)行精細(xì)處理.通常，可以采取經(jīng)驗(yàn)定權(quán)和方差分量穩(wěn)健估計(jì)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)值權(quán)比的最佳確定[68]；對(duì)于硬件時(shí)延偏差問(wèn)題，可采用實(shí)驗(yàn)室時(shí)間測(cè)量設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)，如電纜時(shí)延可通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)，接收機(jī)時(shí)延常采用鐘駕馭絕對(duì)校準(zhǔn)，天線時(shí)延在微波暗室基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)等[69]；對(duì)于數(shù)據(jù)粗差和異常問(wèn)題，常采用平差后的殘差量進(jìn)行粗差的探測(cè)與控制[51]；對(duì)于衛(wèi)星偽距偏差可以建立偽距偏差模型進(jìn)行修正，對(duì)于系統(tǒng)偏差問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的參數(shù)估計(jì)策略進(jìn)行解決[70].

4.5 實(shí)時(shí)性

當(dāng)前，GNSS 時(shí)頻用戶的需求從事后靜態(tài)逐漸向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變.對(duì)于實(shí)時(shí)GNSS 載波相位時(shí)間傳遞，需要構(gòu)建實(shí)時(shí)精密時(shí)間傳遞系統(tǒng)，主要包括實(shí)時(shí)精密產(chǎn)品產(chǎn)生、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和用戶端實(shí)時(shí)解算三部分.當(dāng)前，GNSS 實(shí)時(shí)軌道與事后軌道相比，二者差異的均方根(RMS)在厘米量級(jí)，實(shí)時(shí)鐘差與事后鐘差相比，二者差異的標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)小于0.3 ns，可以滿足實(shí)時(shí)用戶對(duì)產(chǎn)品精度的需求[71-73]；同時(shí)實(shí)時(shí)產(chǎn)品的播發(fā)可以通過(guò)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)播發(fā)，實(shí)現(xiàn)陸地空間的全面覆蓋；用戶端可以基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行實(shí)時(shí)PPP 的解算，獲取接收機(jī)鐘差參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精密時(shí)間傳遞服務(wù)[74].

4.6 完好性

完好性是GNSS 中除精度、連續(xù)性、可用性之外的第四個(gè)性能指標(biāo)，在應(yīng)用服務(wù)中越發(fā)顯得重要.在GNSS 精密時(shí)間傳遞中，空間信號(hào)、系統(tǒng)產(chǎn)品、終端層面都涉及完好性.在空間信號(hào)方面，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)功率及功率譜、測(cè)距碼時(shí)域波形、信號(hào)畸變、調(diào)制特性、測(cè)距性能、多徑性能和干擾分析等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，識(shí)別衛(wèi)星信號(hào)在頻率域的異常[75-77]；在系統(tǒng)產(chǎn)品方面，通過(guò)事后精密星歷比較法以及基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間信號(hào)異常探測(cè)方法，計(jì)算空間信號(hào)誤差，確定探測(cè)閾值，識(shí)別GNSS 衛(wèi)星軌道鐘差異常[78-84]；在終端層面，通過(guò)用戶端完好性監(jiān)測(cè)方法，采用衛(wèi)星的冗余觀測(cè)信息并基于一致性檢驗(yàn)方法可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星是否存在故障誤差以及故障誤差存在于哪顆星，并進(jìn)行排除，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程中的異常[85-89].總之，通過(guò)對(duì)整個(gè)鏈路進(jìn)行異常識(shí)別和有效告警，保障GNSS 精密時(shí)間傳遞的完好性.

5 未來(lái)研究展望

5.1 非差與差分處理模型統(tǒng)一性問(wèn)題

GNSS 精密時(shí)間傳遞中非差與差分處理模型，各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍和條件需求也存在差異[21-23].非差模型適用于全球范圍用戶，但是需要精密軌道鐘差產(chǎn)品支持；差分模型不依賴精密的軌道鐘差產(chǎn)品，但是只適用于一定區(qū)域內(nèi)的用戶[63].當(dāng)前，在密集參考站網(wǎng)的背景，許多學(xué)者研究了PPP-RTK 定位模型，采用信息增強(qiáng)的非差模式實(shí)現(xiàn)了非差與差分定位模型的統(tǒng)一，并且證明了非差模式與差分模式的等價(jià)性，這是GNSS 定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)[90-91].基于PPP-RTK 定位模型，探索非差與差分模式統(tǒng)一、廣域與局域統(tǒng)一的精密時(shí)間傳遞模型，是未來(lái)GNSS 時(shí)頻領(lǐng)域的研究方向，其中外部增強(qiáng)信息的引入對(duì)接收機(jī)鐘差估計(jì)的影響是研究重點(diǎn).

5.2 不同機(jī)理融合時(shí)間服務(wù)統(tǒng)一性問(wèn)題

GNSS 精密定時(shí)授時(shí)是時(shí)頻服務(wù)的重要方式之一，但是考慮時(shí)間服務(wù)的重要性和安全性，諸多時(shí)間用戶需采取多種不同機(jī)理的時(shí)間服務(wù)手段進(jìn)行補(bǔ)充和備份，如衛(wèi)星雙向、長(zhǎng)短波、網(wǎng)絡(luò)、電話、羅蘭、光纖、陀螺、脈沖星、量子等多手段融合進(jìn)一步提高時(shí)間服務(wù)的安全性和可靠性[92-94].在進(jìn)行多手段融合時(shí)間服務(wù)中，不同機(jī)理方法的時(shí)間基準(zhǔn)、時(shí)間尺度、誤差影響、數(shù)據(jù)特點(diǎn)、服務(wù)特性等均存在差異，在融合中如何進(jìn)行特性表征和歸一化處理，實(shí)現(xiàn)融合統(tǒng)一、安全可靠的時(shí)間服務(wù)是未來(lái)研究趨勢(shì).

5.3 天空地海地下時(shí)間服務(wù)無(wú)縫性問(wèn)題

GNSS 時(shí)間服務(wù)具有精度高、全天候、全天時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在服務(wù)盲區(qū)問(wèn)題，如深空、海底、地下、室內(nèi)等諸多遮擋GNSS 信號(hào)無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)景，基于GNSS 的時(shí)間服務(wù)尚不能實(shí)現(xiàn)全域覆蓋[95-97].結(jié)合其他時(shí)間服務(wù)手段的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)以及不同場(chǎng)景用戶對(duì)時(shí)間服務(wù)無(wú)縫性的需求，研究多手段聯(lián)合的時(shí)間傳遞和調(diào)控方式是構(gòu)建天空地海地下全域立體交叉授時(shí)系統(tǒng)的重要途徑.同時(shí)，不同手段和方法時(shí)間服務(wù)性能存在差異，在聯(lián)合傳遞和調(diào)控中實(shí)現(xiàn)時(shí)間服務(wù)空間域無(wú)縫性時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間服務(wù)性能的連續(xù)無(wú)縫平穩(wěn)過(guò)渡也是研究的重點(diǎn).

6 總結(jié)

基于載波相位觀測(cè)值的時(shí)間傳遞技術(shù)是GNSS時(shí)頻領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn).本文總結(jié)了GNSS 載波相位精密時(shí)間傳遞相關(guān)的研究成果，歸納了數(shù)據(jù)處理涉及的觀測(cè)模型和模糊度處理方法，探討了其中的精準(zhǔn)性、一致性、穩(wěn)健性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性、完好性等技術(shù)問(wèn)題.未來(lái)應(yīng)該在非差與差分處理模型統(tǒng)一性、不同機(jī)理融合時(shí)間服務(wù)統(tǒng)一性和天空地海地下時(shí)間服務(wù)無(wú)縫性等方面開(kāi)展研究工作.