GNSS空間信號法時差監測方法與結果分析

章潔君，陳俊平,2，張益澤,3

(1. 中國科學院上海天文臺，上海 200030； 2. 中國科學院上海天文臺上海市空間導航與定位技術重點 實驗室，上海 200030； 3. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

GNSS空間信號法時差監測方法與結果分析

章潔君1，陳俊平1,2，張益澤1,3

(1. 中國科學院上海天文臺，上海 200030； 2. 中國科學院上海天文臺上海市空間導航與定位技術重點 實驗室，上海 200030； 3. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

比較了3種基于GNSS空間信號進行時差監測的方法，其中，單站精密單點定位(PPP)時差監測法依賴于衛星軌道和鐘差的精度，高精度PPP一般采用事后處理的方法；網解時差監測法受衛星軌道誤差的影響較小，且不受衛星鐘差誤差的影響，因此能夠用于高精度時差實時監測。為分析不同方法時差監測的差異，在距離不同的時間實驗室之間進行了時差試驗，試驗中將外接相同原子鐘的兩個測站的時差用于評定時差監測的精度，而相距2000 km的測站用于驗證高精度實時時差監測的精度。結果表明：①實時網解與事后PPP時差監測的精度相當，達到了0.16 ns；②采用PPP方法，是否固定站坐標時差結果差異的RMS為0.04 ns；③采用實時網解的方法，對于相隔數千千米的測站實時時差監測，其與PPP后處理結果的差異約為0.14 ns。

時差監測；空間信號法；實時網解；PPP

傳統的時差監測方法主要有衛星雙向時間頻率傳遞法(TWSTFT)和衛星共視法等方法，其中，TWSTFT利用專用的時間同步鏈路，系統復雜且經濟成本較高，衛星共視方法是基于對GNSS衛星的偽距觀測值，其精度較差[1-2]。結合GNSS數據處理技術的發展，近年來基于導航系統空間信號的時差監測技術得到了較快發展，提高了時差監測的實時性及監測精度[3-5]。空間信號法時差監測主要有兩種方法：PPP技術和多站網解技術[6]。單站精密單點定位技術在求取測站坐標的同時求取測站鐘差參數；它要求固定衛星軌道和鐘差，因此高精度的PPP時差測量一般采用后處理的方式[7-8]。多站網解技術固定了參考站的坐標及鐘差參數，求解其他站的相對鐘差，同時衛星鐘差也作為參數進行求解；網解技術中衛星軌道誤差對網解數據處理影響較小，并且其影響最大的徑向部分會被衛星鐘差參數吸收，因此網解技術能夠實現高精度的實時時差監測[9]。

本文擬比較分析基于PPP及網解技術時差監測的模型和數據處理方法，設計時間實驗室的時差監測試驗，通過時差參數的精度及穩定性情況評定這兩種方法時差監測的精度，驗證基于網解技術長距離實時時差監測的可行性。

1 GNSS空間信號法時差監測原理

GNSS空間信號法時差監測方法一般采用非差無電離層組合模型，其偽距、相位觀測方程如下

(1)

時差解算中，衛星位置一般可采用精密軌道進行固定，測站坐標可以作為參數估計或固定為精確已知值；接收機鐘差、模糊度等參數一般作為參數估計。采用PPP進行時差監測需要固定衛星的鐘差，因此這種方法在實時處理中精度受到實時鐘差精度的約束，基于廣播星歷的鐘差精度能夠達到大約2～5 ns[11]。網解技術則將衛星鐘差也作為待求參數，因此其精度不受輸入衛星鐘差精度的影響，能夠實現高精度的實時解算[12]。網解技術中測站和衛星鐘差參數的同時解算存在秩虧，需要定義一個鐘差基準，從而解算的鐘差參數都是相對該基準的相對鐘差[13]。

以上的數據處理都是基于相位觀測，單站的相位處理由于模糊度無法固定，一般存在一定的收斂時間。基于網解的相位處理可進行雙差模糊度固定，因此其實時收斂的時間更短。

獲取的鐘差參數包含了接收機設備時延，對于定時接收機該時延值可在實驗室進行高精度標定。對于外接時頻信號T(A)的GNSS接收機A，以上鐘差結果扣除設備時延后，得到的測站鐘差為外接時間信號T(A)與衛星系統時間GNSST之差[14]

δA=GNSST-T(A)

(2)

不同接收機鐘差作差得到外接時頻信號的差異，即為時差測量值

ΔT=δA-δB

=GNSST-T(A)-GNSST-T(B)

=T(B)-T(A)

(3)

2 計算結果及分析

對GNSS信號法時差監測方法進行測試，設計了驗證試驗。試驗中在成都某時頻實驗室實驗場架設5臺GNSS接收機，其中1臺接收機REF連接了該實驗室基準時頻信號，另外4臺(A、B、C、D)是為了此次測試在其附近臨時架設的，此外將距離測試場地約為2000 km的測站E也加入處理分析。以上測站中A、B站外接至同一臺原子鐘。試驗測量了2015年第228和229年積日的數據，并分別使用事后PPP和實時網解技術獲取測站鐘差。實時網解中以實驗室原子鐘作為基準，求取其他測站相對于REF站的時差。

2.1 時差結果分析

由于PPP時差測量需要收斂，因此結果比較中不包含剛開始觀測的1小時數據。由于篇幅限制，僅圖1給出網解技術所得的測站鐘差(扣除了線性項)的結果，圖2為各測站相對于A站的時差計算值，表1在圖1的基礎上統計了擬合殘差，作為時差測量的精度。

圖1 網解時差監測測站鐘差序列

分析圖1和圖2可知，測站鐘差解算兩天的吻合度較好。C站未連接氫原子鐘，其本身噪聲較大，其他3個測站的鐘差值均表現出較小的噪聲。從表1可以看到，對于外接了原子鐘的測站，3種方法的測站鐘差精度都在0.2 ns以內，平均為0.16 ns。對于A與B站的時差，其頻率差異為-1.28×10-15，由于A、B外接了相同的時頻信號，因此該頻率的差異主要反映了接收機的噪聲及性能。而C站3種技術求得的測站鐘差RMS均大于0.3 ns，由于未接時頻信號，其時差噪聲較大。

表1 3種時差監測方法測站鐘差結果RMS值比較 ns

圖2 網解測站時差序列

2.2 實時網解與PPP事后處理時差結果的比較

將網解方法與事后PPP方法獲取的時差測量值作比較，如圖3所示。從圖3中可看到，網解結果與PPP結果吻合較好，其差異的RMS為0.04 ns。PPP處理中對于坐標已知的測站可以進行坐標的固定，將其與常規PPP的結果進行比較，圖4列出了不同測站這兩種方法的差異，其結果基本吻合，差值的RMS約為0.04 ns。因此，是否固定測站坐標對解算結果影響不大。

網解方法把衛星鐘差與測站鐘差一起作為參數估計，可實現長距離實時的時差觀測。圖5比較了距離達2000 km的E站與A站的實時時差測量值與PPP事后處理的結果。兩者結果基本吻合，且兩天的結果一致，差值的RMS均值為0.14 ns。因此可以認為，對于長距離的測站，實時網解可與事后PPP解算精度一致。

2.3 實時網解與PPP事后處理時差頻率穩定度的比較

在時間領域中，使用Allan方差來評估利用GNSS方法得到的產品的時域穩定度，在實際測量中，Allan方差是描述隨機噪聲時域統計特性的通用標準[15]。其公式為

圖3 網解時差監測與PPP時差監測的比較

圖4 PPP是否固定站坐標對時差監測的影響

(4)

式中，xi為歷元i的觀測值；N為觀測序列的長度；τ為采樣間隔，τ=nτ0，τ0為原始觀測序列采樣間隔；n為正整數(1≤n≤N)。本文中，xi是歷元i的鐘差解，N為鐘差解序列樣本總數(即歷元數)，τ0為觀測值采樣間隔30 s。

圖5 長距離實時網解與PPP事后處理時差結果的比較

基于以上數據處理的結果，分析了不同采樣率下的Allan方差，如圖6所示。

圖6 Allan方差時差序列

結合圖6可知，3種方法計算得到的Allan方差統計結果相當，說明這3種時差解算方法的頻率穩定度一致。其中10 000 s間隔的頻率穩定度在1×10-13～1.5×10-13左右。

3 結 論

針對以上關于3種時差監測方法的研究和驗證，得出以下結論：

(1) PPP、PPP固定和實時網解時差監測的結果均能夠達到優于0.2 ns的精度，頻率萬秒的穩定度為1×10-13～1.5×10-13。

(2) 實時網解與PPP事后處理時差監測的精度相當，都優于0.2 ns。距離達2000 km的實時網解時差測量精度與PPP差異為0.14 ns。

(3) 采用PPP方法，是否固定站坐標造成時差監測結果差異的RMS為0.04 ns。

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ResearchandResultsAnalysisofMethodsofGNSSSpatialSignalTimeMonitoring

ZHANG Jiejun1,CHEN Junping1,2,ZHANG Yize1,3

(1. Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Technology,ShanghaiAstronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 3. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Methods using GNSS signal in space to monitor time offset among timing stations are dicussed. Three methods namely the traditional PPP, PPP with fixed station coordinates and the real-time network solutions are compared. To validate and assess the performance of SIS time offset monitoring, data of 5 GNSS stations with different configurations are analyzed.Results show that: (1)Precision of real time network solutions is 0.16 ns, which is at the same level of post-processed PPP.(2)Station coordinates estimation has impact on the determination of station clocks，which is about 0.04 ns. (3) Precision of time transfer for stations depart 2000 km could reach 0.14 ns in the real-time network solution.

time monitoring； spatial signal; real-time network solution;PPP

P224

A

0494-0911(2017)01-0026-04

章潔君，陳俊平，張益澤.GNSS空間信號法時差監測方法與結果分析[J].測繪通報，2017(1)：26-29.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0006.

2016-05-05；

2016-05-27

中科院百人計劃；國家863計劃(2013AA122402；2014AA123102)；國家自然科學基金(11273046)

章潔君(1991—)，女，碩士，研究方向為GNSS精密數據處理。E-mail：jjzhang@shao.ac.cn