國家授時中心gps全視法性能的分析與評估

國家授時中心gps全視法性能的分析與評估

0gps全視法中國科學院國家統(tǒng)計中心（ntcs）負責產(chǎn)生、維持和發(fā)布中國標準時間。遠程時間比對技術(shù)是國家授時中心參加國際原子時合作,實現(xiàn)NTSC產(chǎn)生和保持的時間UTC(NTSC)對協(xié)調(diào)世界時UTC溯源,提高UTC(NTSC)準確度的必要技術(shù)。目前國家授時中心用于參加國際時間比對的技術(shù)有衛(wèi)星雙向法和GPS全視法(簡稱GPSAV),2者互為備份。GPSAV是由國際權(quán)度局(BIPM)江志恒博士提出,并于2006年被BIPM正式采用替代GPS共視法(簡稱GPSCV)用于國際原子時(TAI)比對計算。GPSAV是對GPSCV的一種改進,是利用IGS(國際GNSS服務機構(gòu))精密星歷和電離層圖產(chǎn)品對觀測結(jié)果進行修正,大大降低衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星軌道誤差、電離層延遲修正誤差及觀測噪聲的影響,突破了傳統(tǒng)共視法比對精度受比對距離影響的局限,有效地提高了遠距離比對的效率和精度,實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)的高精度時間比對。國家授時中心目前在線運行的GPS觀測設備有單頻(VPoncore系列)和雙頻(JNS系列)這2類設備。本文在分析了AV和CV的特點的基礎(chǔ)上,采用實測數(shù)據(jù),進行了NTSC—PTB(physikalisch-technischebundesanstalt(Germary))鏈路的全視法比對計算,分析了2類設備進行GPSAV的效果,比較了2類設備的性能。1共視算法gpsBIPM把GPS引入TAI比對計算中的遠程時間比對,經(jīng)歷了單站、GPSCV和GPSAV這3個階段。所謂單站法,是GPS最初用于TAI比對計算時BIPM采用的遠程時間比對技術(shù)。當時的接收機都是單通道的,同一時間段(780s)只能觀測1顆衛(wèi)星。一個地面實驗室的鐘與一個衛(wèi)星鐘進行比對,扣除根據(jù)衛(wèi)星的廣播信息中給出的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和電離層參數(shù)產(chǎn)生的改正項后,得到實驗室鐘與衛(wèi)星鐘的鐘差。這個鐘差值的誤差較大,需要用一個月的觀測值進行平滑后,以平滑曲線上的插值作為該時刻(780s的中間時刻)實驗室鐘與衛(wèi)星鐘的鐘差;再計算2個實驗室由此得到的鐘差之差,即為2個實驗室的鐘之間的鐘差。由于衛(wèi)星的廣播信息都是預報值,再加上當時的GPSSA干擾,使得這種單站法得到的遠程時間比對結(jié)果有很大的誤差。GPSCV是以GPS衛(wèi)星鐘時間作為公共參考源,不同位置的2個時間實驗室同時觀測相同的GPS衛(wèi)星,測定實驗室時間與同一衛(wèi)星鐘時間之差,然后通過比較2個實驗室的觀測結(jié)果來確定兩實驗室時間的相對偏差。參與共視的每個實驗室的觀測結(jié)果(本文簡稱單站觀測結(jié)果)是采用GPS衛(wèi)星的廣播數(shù)據(jù)(星歷、星鐘參數(shù)、電離層參數(shù)等)計算得到的,觀測結(jié)果主要包括本地時間與衛(wèi)星鐘時間之差(REFSV)、本地時間與衛(wèi)星播發(fā)的GPS時間之差(REFGPS)、利用模型計算的電離層延遲(MDIO)和利用雙頻觀測值計算的實測電離層延遲(MSIO)。單站觀測的誤差源包括衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、大氣(電離層和對流層)延遲估計誤差和觀測噪聲等,其中衛(wèi)星鐘誤差對各站觀測結(jié)果的影響相同,而星歷誤差、大氣延遲估計誤差對各站觀測結(jié)果的影響也具有相關(guān)性。CV的優(yōu)點是利用兩站觀測的相關(guān)性,通過共視處理(將兩站的觀測結(jié)果REFGPS相減),可有效地消除衛(wèi)星鐘差對比對結(jié)果的影響,削弱衛(wèi)星軌道誤差、大氣延遲估計誤差的影響(與站間距離有關(guān))。與單站法相比,GPSCV所得到的兩地鐘差測定值的精度有較大的提高。CV的缺點是隨著站間距離的增大,兩站可同時觀測到的衛(wèi)星數(shù)目將減少,衛(wèi)星軌道誤差、電離層和對流層延遲估計誤差對兩站影響的相關(guān)性也會降低,對比對結(jié)果的影響會增大。此外,遠距離比對時只能觀測一些低仰角的衛(wèi)星,會引入較大的觀測噪聲和大氣延遲估計誤差。對GPSAV而言,由于有了IGS的產(chǎn)品,又由于采用了多通道GPS接收機,同一個時間段可以同時觀測n個衛(wèi)星,對地面鐘與n個衛(wèi)星鐘的鐘差有效地扣除衛(wèi)星鐘的誤差、衛(wèi)星星歷誤差和電離層時延誤差后進行加權(quán)平均,得到地面鐘與IGS時間之差,極大地提高了地面鐘鐘差的估計精度。而且接收機只要觀測接收站上空所有可視衛(wèi)星的信號,即使位于經(jīng)度相差180°的地面上2個實驗室也可以實現(xiàn)時間比對,無需再接收同一衛(wèi)星的信號。GPSAV充分利用IGS產(chǎn)品的高精度特性,通過對單站觀測結(jié)果進行修正,最大限度地消除衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差和電離層估計誤差的影響,擺脫了站間距離的限制。根據(jù)接收機類型,修正單站觀測結(jié)果的具體方法有2種:對單頻接收機和雖然是雙頻接收機但未經(jīng)雙頻校準的設備,采用IGS精密星鐘參數(shù)和星歷對觀測結(jié)果中的REFSV和REFGPS進行修正,消除衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差的影響,利用IGS電離層產(chǎn)品(電離層圖TECmap),計算電離層延遲改正MSIO＿IGS,取代利用模型計算的電離層延遲MDIO,提高電離層延遲估計精度,在BIPM每月發(fā)布的時間公報(CIRCULART)中,將此類觀測數(shù)據(jù)稱為MC類型數(shù)據(jù);對于已進行了雙頻校準的雙頻接收機,則只用IGS精密星鐘參數(shù)和星歷對觀測結(jié)果中的REFSV和REFGPS進行修正,仍采用設備實測的結(jié)果MSIO作為電離層延遲改正值,在CIRCULART中,將此類觀測數(shù)據(jù)稱為P3類型數(shù)據(jù)。一般而言,接收機實測電離層延遲結(jié)果MSIO的精度好于利用IGS的TECmap計算的MSIO＿IGS,但在設備雙頻時延未校準的情況下,實測電離層延遲結(jié)果MSIO的偏差大于用TECmap計算電離層延遲的誤差。根據(jù)CIRCULART,MC的AV精度一般為2.5～1.5ns,P3的AV精度一般為1.5～0.7ns。某條具體鏈路的比對精度與接收機的性能(觀測噪聲、兼容性等)有關(guān)。2遠程時間比對實驗結(jié)果國家授時中心于2004年起采用自主研制的單頻GPS共視接收機(內(nèi)部簡稱VPoncore系列)參加TAI時間比對,2005年又研制了雙頻共視接收機(內(nèi)部簡稱JNS系列)。這2種設備一直在國家授時中心在線運行,2種設備的本地參考時間均為UTC(NTSC)。目前國家授時中心報送BIPM用于國際時間比對的數(shù)據(jù)為內(nèi)部編號為VP2的單頻GPS接收機的觀測數(shù)據(jù)。為分析比較2種設備進行AV時間比對的性能,我們編制了全視法計算軟件,并利用單頻GPS接收機(內(nèi)部編號VP2)和雙頻接收機(內(nèi)部編號J03)在2011年8～10月3個月的觀測數(shù)據(jù),進行了NTSC—PTB鏈路的全視法比對計算,結(jié)果見圖1至圖3所示。圖1至圖3中RAW為原始比對結(jié)果,SM為對RAW進行vondrak平滑的結(jié)果,利用vondrak平滑殘差的標準差uf073作為估計原始比對結(jié)果噪聲水平的指標,所有平滑處理所用的平滑因子相同。比對計算時未對設備固定時延進行修正,所以比對結(jié)果存在系統(tǒng)差。圖1是用VP2觀測數(shù)據(jù)進行NTSC—PTB鏈路的AV比對結(jié)果,其標準差uf073為1.4ns,這與CIRCULART給出的NTSC—PTB鏈路A類不確定度1.5ns相符合。圖2是用J03觀測數(shù)據(jù)按照MC類型進行NTSC—PTB鏈路的AV比對結(jié)果,其標準差uf073為1.2ns,與CIRCULART給出的其他MC鏈路的A類不確定度相比,這個結(jié)果比較好。圖3是用J03觀測數(shù)據(jù)按照P3類型進行NTSC—PTB鏈路的AV比對結(jié)果,其標準差uf073為0.9ns,與CIRCULART給出的其他P3鏈路的A類不確定度相當。由圖2和3可見,2種比對結(jié)果之間有明顯的差異(約20ns),另外,AV(P3)比對結(jié)果的標準差uf073小于AV(MC)的比對結(jié)果的標準差。這說明J03實測電離層延遲結(jié)果MSIO的精度略優(yōu)于用IGS的TECmap計算的電離層延遲MSIO＿IGS的精度。但是設備雙頻時延偏差通常會達到幾十納秒,或者更大,對比對結(jié)果有明顯影響。設備雙頻時延偏差是接收機的系統(tǒng)差,需要經(jīng)過接收機的雙頻時延校正后,才能夠正式用于遠程時間比對。在衛(wèi)星跟蹤能力方面,VP2為單頻8通道GPS接收機,最多可同時跟蹤8顆GPS衛(wèi)星;J03為雙頻20通道GPS接收機,基本上可以同時跟蹤所有可視GPS衛(wèi)星,并可進行雙頻觀測(用于測量電離層延遲)。圖4給出了VP2在MJD55766～55866期間所觀測的衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計情況,VP2平均每次觀測仰角大于15°,連續(xù)觀測時間為780s的衛(wèi)星數(shù)為5.96。圖5給出了J03在相同期間所觀測的衛(wèi)星數(shù),J03平均每次觀測仰角大于15°,連續(xù)觀測時間為780s的衛(wèi)星數(shù)為6.99,J03的衛(wèi)星跟蹤能力明顯好于VP2。3j06比對水平比較通過實測數(shù)據(jù)分析,國