基于CNES實時多系統產品PPP時間傳遞

姚攀，楊旭海，孫保琪，武美芳

基于CNES實時多系統產品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）實時產品精度的不斷提高，為開展基于IGS實時產品的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產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的實時多系統產品，利用7個測站的365d觀測數據，從不同GNSS(Global Navigation Satellite System)系統組合、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。結果表明，基于CNES實時GPS(Global Positioning System)單系統產品得到的時間傳遞鏈路結果與使用IGR產品得到的時間傳遞鏈路結果作差，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產品得到的STD相較于GPS單系統有所減小，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；實時產品

0 引言

共視法和全視法是國際權度局（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）技術來實現時間傳遞[3-4]。BIPM首先將GPS PPP技術用于國際原子時（International Atomic Time，TAI）比較，結果表明，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之一[6]。目前大多學者基本都是使用事后產品進行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產品應用于GPS PPP時間傳遞進行了比對[7]。BIPM基于IGS快速產品IGR開展GPS PPP時間傳遞[8]。雖然都能夠實現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）正式發布和運行[9]，基于全球實時跟蹤站的觀測數據和廣播星歷，生成實時的衛星軌道和鐘差改正數。用戶可以實時獲取IGS及其各個分析中心播發的實時產品，結合實時廣播星歷生成高精度的衛星軌道和鐘差，服務于對產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的快速發展，利用實時多系統產品采用PPP技術進行時間傳遞，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實時產品，為開展基于IGS實時產品以精密單點定位（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品的完整性進行統計與分析，并以IGS快速產品IGR PPP解算結果作為外部參考，利用軌道與鐘差產品，選取不同GNSS系統組合，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、精密衛星鐘差產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 實驗數據與策略

2.1 觀測數據

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點。觀測數據弧段從2018年5月1日開始，到2019年4月30日結束共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 站點配置信息統計

2.2 實時產品及其完整性分析

進行實時產品的可用性分析時，主要從兩個方面進行分析：第一個方面是實時產品完整性問題，受實時產品數據源等因素的影響，造成實時接收的數據不完整；第二個方面是產品時延問題，即實時產品延遲不能大于90s，目前IGS實時產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實時數據流的完整性進行了分析。

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

表2 實時產品數據完整率統計

2.3 解算策略

本次實驗主要在靜態模式下，利用CNES多系統實時產品，選取不同GNSS系統組合，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，參數估計使用卡爾曼濾波方法，詳細的數據處理解算策略設置如表3所示。

表3 PPP數據處理解算策略

3 評價方法

本文使用基于IGS快速產品IGR PPP解算的結果作為外部參考標準，來衡量CNES實時多系統產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快速產品IGR，采用PPP技術解算得到各時間實驗室鐘差，其可比性更強；第二，IGS快速產品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最終產品，主要是因為IGS最終產品的時延較長，且IGR產品精度也符合要求[11]。

此次試驗將利用CNES實時產品PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列，與使用IGR產品（截止高度角為10°，其他參數設置相同）PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列作差，統計差異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時間傳遞的穩定度[12-13]。

4 實驗結果與分析

本次實驗首先利用CNES實時產品中的GPS系統產品，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果與使用IGR產品得到的時間鏈路結果作差，并對差異結果進行統計。圖3分別是BRUX-PTBB和BRUX-WAB2的時間鏈路結果序列圖，從中可以發現，使用CNES實時產品中的GPS單系統產品和使用IGR產品兩者的解算結果符合程度較好。圖中部分時段鏈路比對結果缺失是觀測數據缺失或觀測數據質量較差導致解算失敗而引起的。BRUX-BOR1，BRUX-GMSD，BRUX-HOB2和BRUX-WTZR這4條鏈路比對結果呈現相同的趨勢，相應的時間序列圖這里不再一一展示。

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

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

表4 GPS PPP（CNES）-PPP（IGR）比對結果標準偏差統計 單位：ns

圖4 不同產品GPS PPP解算的BRUX-PTBB的修正Allan偏差

在上述基礎上，基于CNES多系統實時產品，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，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）時間鏈路結果與GPS（IGR）時間鏈路結果差值的STD值統計，從圖中可以看出，使用CNES多系統實時產品中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多系統實時產品與GPS單系統實時產品STD減小的百分比統計圖，從圖中可以發現，使用CNES多系統實時產品STD值有所減小，其中BRUX-HOB2和BRUX-GMSD兩條時間鏈路結果STD明顯減小，主要原因是利用CNES多系統實時產品相比GPS單系統實時產品，可以使用的衛星數據更多，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星數量和鐘差精度因子TDOP（time dilution of precision）值，從圖7和圖8中可以看出，相比GPS單系統，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實時多系統產品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實時產品數據完整率高于BDS和Galileo。圖9是使用CNES實時產品中不同系統組合PPP解算的BRUX-HOB2的MDEV，不難發現使用CNES多系統實時產品所得的鏈路BRUX-HOB2的PPP時間傳遞的穩定度優于使用GPS單系統實時產品所得到的穩定度。

圖5 PPP（CNES）-PPP（IGR）比對結果標準偏差值統計

圖6 使用多系統產品相對于使用單GPS實時產品時間傳遞標準偏差值減小百分比統計

圖7 BRUX站可視衛星數和鐘差精度因子

圖8 GMSD 站可視衛星數和鐘差精度因子

圖9 實時產品中不同系統組合PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

上述試驗結果都是基于良好的觀測條件下得出的，而現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境有限的條件下的PPP時間傳遞試驗。依舊在靜態模式下，使用CNES實時產品中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°，進行所有鏈路結果的平均STD值統計以及相對使用GPS單系統實時產品鏈路結果改善情況統計。從表5可以發現，截止高度角為10°，20°，30°時，使用CNES多系統實時產品，STD在0.3~0.4 ns之間。同使用GPS單系統實時產品相比，4條時間鏈路結果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計結果 單位：ns

圖10至圖12分別是BRUX-HOB2時間鏈路基于GPS+Galileo實時產品、GPS+BDS實時產品和GPS+GLONASS實時產品PPP解算的MDEV。從圖中可以看到，在截止高度角為20°時，PPP時間傳遞結果的長期穩定度優于截止高度角為10°的結果，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，長期穩定度較差，可能是由于可見衛星數量較少所導致的。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實時產品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

圖12 GPS+GLONASS實時產品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差

5 結語

本文首先對法國空間研究中心提供的多系統實時軌道和鐘差產品的完整性進行統計和分析，統計得到CNES多系統實時產品的完整率，其中GPS系統和GLONASS系統的實時產品完整率高于90%，Galileo系統和BDS系統的實時產品完整率分別為70.66%和84.34%。然后將CNES的實時軌道與鐘差產品用于PPP時間傳遞，從不同GNSS系統組合、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。結果表明，使用CNES 實時GPS單系統產品，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產品得到的STD相較于GPS單系統有所減小，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提供的實時多系統產品和觀測數據；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—國家空間科學數據中心（http://www.nssdc.ac.cn）、中科院“西部之光”人才培養計劃“一帶一路”團隊項目“北斗授時監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實時多系統產品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”人才培養計劃“西部青年學者”B類資助項目（XAB2018B19）