GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究EI北大核心CSCD

高精度远程时间传递技术是实现两地时钟比对的重要手段,是实现地方协调世界时UTC(k)与国际UTC建立联系的技术支撑,是国际原子时(TAI)计算的基础。作为GNSS载波相位时间频率传递技术的典型代表,基于全球定位系统(GPS)的精密单点定位(PPP)自2009年开始被国际权度局(BIPM)用于TAI计算,时间传递精度可达亚纳秒量级。然而,由于伪码噪声影响,使得PPP相位模糊度失去了整数特性,时间传递结果在相邻天边界历元处出现“不连续”现象,导致无法通过PPP时间传递更加准确反映两地实时连续运行时钟的性能,严重影响PPP时间传递长期频率稳定度的提升,也限制了PPP时间传递在铯喷泉钟等基准频标比对中的应用。论文围绕PPP时间传递结果日界不连续误差这一核心问题,按照从GPS单系统到GPS/BDS多系统,从理论研究到试验验证的模式,系统深入地研究了日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间频率传递的影响及改正方法。主要研究内容及结论如下。     

附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法

传统精密单点定位(PPP)时间传递算法通常把接收机钟差当作相互独立的白噪声逐历元进行估计,而忽略了钟差参数历元间的相关性。针对这一问题,本文提出了一种附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法。该算法通过利用Kalman滤波对高稳定度的原子钟钟差进行建模,拓展传统PPP时间传递模型中的接收机钟差参数,并给出了Kalman滤波过程噪声协方差和初始状态向量的确定方法。试验结果表明:该算法可以有效避免传统算法时间传递结果需要一定收敛时间的问题,使解算结果更加符合原子钟的物理特性,能够显著提高时间传递结果的精度和稳定性,可将单站时间传递精度平均提高58%,站间时间传递精度平均提高51%。     

BDS-3精密单点定位时间传递综合性能分析

我国北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的建设已基本完成,因而,充分利用当前BDS-3进行精密单点定位(PPP)的时间传递亟需深入研究.本文从两方面来充分研究BDS-3 PPP时间传递:1)北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递;2)钟模型约束的BDS-3 PPP时间传递.试验结果表明:相比BDS-2 PPP,BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP结果平滑残差的均方根(RMS)值可减少约为34.5%和38.23%,960 s的稳定度分别提高35.81%和37.75%;相比传统的白噪声(WN)模型,基于钟模型的BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递所得平滑残差RMS值分别减少65.17%和74.42%;频率稳定度最大可提高80%.     

北斗广域高精度时间服务原型系统

基于精密单点定位(precise point positioning,PPP)的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的优点成为性能最优的GNSS时间传递方法之一。随着广域差分产品时效性的提高,实时PPP时间传递开始应用于精密授时的研究。本文在PPP时间传递技术的基础上,结合实时卫星钟差估计、接收机时钟调控及硬件延迟标校技术,建立了基于北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的广域高精度时间服务(wide-area precise timing,WPT)系统,可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准,并提供广域实时差分改正数;用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异,并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能,本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明,该系统零基线、短基线时间同步精度优于0.5 ns,广域条件下单天的授时精度均优于1 ns,为基于北斗系统的精密授时技术发展提供了参考。     

利用Vondrak平滑处理PPP时间传递的随机噪声

利用精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）获得的时间传递结果受到非模型化误差和观测噪声的影响,这些误差和噪声表现出随机噪声特性,因此,对时间传递数据进行平滑是一项非常重要的任务.将天文数据处理中广泛应用的Vondrak平滑方法应用于PPP时间传递的消噪中,采用观测误差法选取较为合理的平滑因子,并对实测数据进行平滑处理,结果表明：Vondrak平滑法可有效地滤除PPP数据的随机噪声,不仅可以提高时间传递的精确度,也能明显改善PPP时间传递所体现的频率稳定度.     

基于精密单点定位的GNSS时间同步方法研究

高精度时间服务是国家综合PNT(positioning,navigation,timing)体系的重要组成部分,在国防军事、移动通信、天文观测等领域中发挥着重要作用。论文采用全球导航卫星系统GNSS授时的方式,提出了一种基于精密单点定位(PPP)技术的时间同步方法。该方法根据PPP时间传递结果驾驭本地时钟,使本地时钟所表示的本地时间与基准时间同步,可以达到亚纳秒级的时间同步精度,并且具备全天候、全覆盖、高精度、低成本等优点。     

P1C1码偏差对精密单点定位收敛速度影响分析

本文分析卫星端差分码偏差(DCB)产生的原理,根据伪距观测方程推导了精密单点定位(PPP)的DCB改正公式。采用MGEX参考站数据及精密产品进行PPP解算,详细分析了P1C1码偏差对定位参数收敛时间的影响。结果表明,改正DCB对于提高PPP收敛速度效果明显,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min,改正P1C1-DCB对PPP精度影响一般在毫米级水平。      

基于GNSS多星座PPP的时间传递精度分析

高精度时间传递是时间实验室建立和维持标准时间尺度及保持时间同步的基础。本文基于GNSS多星座精密单点定位(PPP)技术,采用IGS提供的精密卫星轨道和钟差产品进行单站时间传递精度分析。实验结果表明,GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合PPP可以实现亚纳秒级的时间传递,时间传递精度较GPS单系统具有一定程度的提高。通过对连续4天卫星数据的分析,发现GNSS多星座PPP所解算的钟差解能够达到2×10~(-13)~7×10~(-13)的频率稳定度,与IGS发布的钟差产品具有很好的频率一致性。     

利用GPS精密单点定位进行时间传递精度分析

利用静态精密单点定位技术(PPP),分别采用IGS5min和30s间隔的精密卫星钟差产品进行单站时间传递实验。实验结果表明,无论是利用5min间隔的卫星钟差产品,还是利用30s间隔的卫星钟差产品,静态PPP都可以实现0.1～0.2ns的时间传递以及半天内稳定度达到1×10-15～2×10-15的频率传递。在短期内,相比于5min间隔的卫星钟差产品,利用30s间隔的卫星钟差产品能较明显地提高静态PPP钟差解所体现的频率稳定度,PPP钟差解的精度略有提高;在长期内,使用这两种钟差产品获得的PPP钟差解的精度及其所体现的频率稳定度相当。     

基于GNSS精密单点定位的高精度云平台授时

采用GNSS精密单点定位(PPP)技术和时钟驯服技术,构建了基于PPP的云平台高精度授时方案,研制了搭载多系统GNSS接收机板卡、恒温晶振(OCXO)和数字信号处理器(DSP)的授时原理样机。利用协同精密定位平台分析中心(武汉)提供的5 s间隔卫星轨道和钟差产品,采用PPP技术实时解算授时终端坐标和钟差,通过驯服恒温晶振输出亚纳秒精度的1 PPS,实现了长时间高精度的授时能力。本文通过短基线比较和与UTC绝对时间基准比较,验证了精密单点授时精度(RMS)优于1 ns。     

高性能原子钟钟差建模及其在精密单点定位中的应用

鉴于当前许多IGS跟踪站均配置有高性能原子钟的现状,本文首先采用修正Allan方差法分析了不同IGS跟踪站的接收机钟随机噪声的时域特性,进而评估了不同类型接收机的短期稳定度及钟差建模的可行性,然后利用IGS站配有氢原子钟的观测数据,在精密单点定位算法中,通过对钟差参数进行短时建模约束接收机钟差的随机变化,进而改进精密单点定位(PPP)的定位性能。试验结果表明钟差建模方法显著降低了高程分量参数、天顶对流层延迟参数与接收机钟差参数之间的相关性,GNSS高程分量的精度可提高50%。该方法对于提升PPP技术在地壳形变监测、低轨卫星定轨、水汽监测及预报等高精度GNSS地学领域的应用水平具有一定意义。     

时频传递的改进整数相位钟方法

整数相位钟法是精密单点定位（PPP）中应用最广泛的模糊度固定方法之一。利用整数相位钟法进行频率传递的稳定度优于传统PPP,但该方法的钟差计算结果包含系统性偏差,影响时间传递精度。本文介绍了整数相位钟法基本原理,分析了钟差计算结果所包含的系统性偏差成因,提出一种基于星间单差模糊度固定与原子钟精化模型的改进整数相位钟法,并检验改进整数相位钟法的模糊度固定性能与时频传递性能。试验结果表明,改进算法能够有效消除该系统性偏差,利用改进整数相位钟法进行时间传递精度能够达到0.1~0.2 ns,频率传递稳定度达到1.1×10^-15/d。     

单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代,特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择,为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇,如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型,估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟,以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展,包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明,多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性,具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。     

估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型

在传统多系统非差非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）模型中,电离层延迟会吸收部分接收机码硬件延迟,其估计值可能为负数。提出了一种估计接收机差分码偏差（differential code bias,DCB）参数的GPS（Global Positioning System）/BDS（BeiDou Navigation Satellite System）非组合PPP模型,将每个系统第1个频率上的接收机码硬件延迟约束为零,对接收机DCB进行参数估计,达到了分离电离层延迟和接收机码硬件延迟的目的,降低了接收机钟差和电离层延迟的相关程度。利用4个多星座实验（multi-GNSS experiment,MGEX）跟踪站的GPS/BDS数据进行了静态和动态PPP试验,结果表明,与不估计DCB参数的PPP模型相比,采用估计DCB参数PPP模型后,静态模式下定位精度和收敛速度平均提高了29.3%和29.8%,动态模式下定位精度和收敛速度平均提高了15.7%和21.6%。     

一种基于IGS超快星历的区域性实时精密单点定位方法

实时GPS精密单点定位需要实时的卫星轨道和钟差产品,为此提出一种利用区域GPS连续运行参考站和IGS发布的IGU超快轨道进行实时精密单点定位的方法.该方法首先利用连续运行参考站观测数据与IGU超快轨道预报部分进行实时GPS卫星钟差的估计,然后利用估计得到的实时GPS卫星钟差产品和IGU超快轨道预报部分,进行用户GPS接...     

Maintaining real-time precise point positioning during outages of orbit and clock corrections

The precise point positioning (PPP) is a popular positioning technique that is dependent on the use of precise orbits and clock corrections. One serious problem for real-time PPP applications such as natural hazard early warning systems and hydrographic surveying is when a sudden communication break takes place resulting in a discontinuity in receiving these orbit and clock corrections for a period that may extend from a few minutes to hours. A method is presented to maintain real-time PPP with 3D accuracy less than a decimeter when such a break takes place. We focus on the open-access International GNSS Service (IGS) real-time service (RTS) products and propose predicting the precise orbit and clock corrections as time series. For a short corrections outage of a few minutes, we predict the IGS-RTS orbits using a high-order polynomial, and for longer outages up to 3 h, the most recent IGS ultra-rapid orbits are used. The IGS-RTS clock corrections are predicted using a second-order polynomial and sinusoidal terms. The model parameters are estimated sequentially using a sliding time window such that they are available when needed. The prediction model of the clock correction is built based on the analysis of their properties, including their temporal behavior and stability. Evaluation of the proposed method in static and kinematic testing shows that positioning precision of less than 10 cm can be maintained for up to 2 h after the break. When PPP re-initialization is needed during the break, the solution convergence time increases; however, positioning precision remains less than a decimeter after convergence.     

Estimation of Clock Stability Using GPS

The recent development of low-cost, high-precision oscillators has allowed many applications in various fields to become financially feasible. The stability of an oscillator is ultimatively what determines its usefulness for a certain application, and is therefore desirable to quantify. Current methods of evaluating stability require a direct comparison of the oscillator under test (OUT) with amore stable reference oscillator, the cost of which often offsets the initial benefit of a low-cost device. However, a relatively inexpensive Global Positioning System (GPS) receiver is capable of exploiting the highly stable GPS time scale, thus obviating the need for an expensive reference oscillator. By allowing the OUT to drive a GPS receiver, and processing the data with precise GPS orbits and clock corrections to eliminate the effects of selective availability (SA), the time series of computed clock offsets provides a measure of the oscillator's stability relative to GPS time. The use of GPS for assessing clock stability in the time domain is evaluated herein via the computation of Allan variance values. Performance of one rubidium and three ovenized crystal oscillator are investigated. Results show the method is limited to time intervals less than about two seconds or longer than about 300 seconds, where the effects of measurement noise and residual SA is less pronounced. ? 2000 John Wiley & Sons, Inc.     

Impact of GLONASS pseudorange inter-channel biases on satellite clock corrections

GLONASS carrier phase and pseudorange observations suffer from inter-channel biases (ICBs) because of frequency division multiple access (FDMA). Therefore, we analyze the effect of GLONASS pseudorange inter-channel biases on the GLONASS clock corrections. Different Analysis Centers (AC) eliminate the impact of GLONASS pseudorange ICBs in different ways. This leads to significant differences in the satellite and AC-specific offsets in the GLONASS clock corrections. Satellite and AC-specific offset differences are strongly correlated with frequency. Furthermore, the GLONASS pseudorange ICBs also leads to day-boundary jumps in the GLONASS clock corrections for the same analysis center between adjacent days. This in turn will influence the accuracy of the combined GPS/GLONASS precise point positioning (PPP) at the day-boundary. To solve these problems, a GNSS clock correction combination method based on the Kalman filter is proposed. During the combination, the AC-specific offsets and the satellite and AC-specific offsets can be estimated. The test results show the feasibility and effectiveness of the proposed clock combination method. The combined clock corrections can effectively weaken the influence of clock day-boundary jumps on combined GPS/GLONASS kinematic PPP. Furthermore, these combined clock corrections can improve the accuracy of the combined GPS/GLONASS static PPP single-day solutions when compared to the accuracy of each analysis center alone.