張立，孫保琪，武文俊，葛玉龍，欽偉瑾，楊旭海

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基于IGS MGEX產(chǎn)品分析GPS PPP時間傳遞

張立1,2,3，孫保琪1,2,3，武文俊1,2，葛玉龍1,2,3，欽偉瑾1,2，楊旭海1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048）

基于Bernese 5.2軟件，利用精密單點定位（PPP）的方法，分別采用只包含GPS單系統(tǒng)的IGS快速、最終產(chǎn)品和由IGS多GNSS實驗（MGEX）先導(dǎo)項目分析中心GFZ和CODE提供的包含4系統(tǒng)的產(chǎn)品，共4種不同的精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,對PTB-NTSC和PTB-ROB兩條國際時間比對鏈路2個月的GPS數(shù)據(jù)進行了時間傳遞試驗。選取使用IGS快速產(chǎn)品的時間傳遞結(jié)果為參考，以其他產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果與參考值的差異來評價不同精密產(chǎn)品尤其是包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品對GPS PPP時間傳遞的影響。試驗結(jié)果表明，不同產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果差異的RMS在0.1ns左右，驗證了MGEX多系統(tǒng)產(chǎn)品可以用于GPS PPP時間傳遞?？紤]到MGEX產(chǎn)品本身的自洽性，該結(jié)果可以為后續(xù)基于MGEX產(chǎn)品進行北斗、Galileo PPP時間傳遞提供參考。

MGEX；衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品；精密單點定位；時間傳遞

0 引言

精密單點定位（precise point positioning，PPP）是20世紀(jì)90年代以來在大地測量領(lǐng)域興起的一種精密定位技術(shù)[1-2]。該技術(shù)利用精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，使用GNSS接收機的雙頻碼偽距和載波相位觀測值，單點定位精度可達厘米級[3-4]。2006年以來，PPP技術(shù)開始被引入到時間傳遞領(lǐng)域[5]。2009年開始，GPS PPP成為國際原子時（TAI）例行時間傳遞技術(shù)之一[6]。根據(jù)BIPM公布的T公報顯示，截至2017年1月，在參與國際時間比對的76個時間實驗室中，有28個時間實驗室采用了GPS PPP的方法，有10個實驗室采用了衛(wèi)星雙向與PPP結(jié)合的方法。國際時間權(quán)度局（BIPM）計算的GPS PPP國際時間比對精度在0.3 ns左右[7]。

近年來，隨著北斗、Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，基于多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS PPP技術(shù)有望為國際時間比對提供更高的精度和可靠性。目前GPS PPP國際時間比對采用的IGS快速產(chǎn)品，只包含GPS單系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道和鐘差。而進行北斗、Galileo PPP時間比對需要使用多系統(tǒng)產(chǎn)品。

當(dāng)前IGS多GNSS試驗先導(dǎo)項目MGEX（the multi-GNSS experiment and pilot project）提供了各分析中心解算的包含4系統(tǒng)的軌道和鐘差產(chǎn)品。高玉平、殷龍龍等學(xué)者分別分析了不同精度的IGS產(chǎn)品GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品對GPS共視和PPP時間傳遞的影響，試驗結(jié)果表明：IGS提供的不同精度的產(chǎn)品會對時間傳遞結(jié)果造成一定影響，但均滿足共視和PPP時間比對的精度要求[8-9]。但是目前較少有關(guān)于包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品對PPP時間傳遞影響研究。為了確保使用MGEX產(chǎn)品進行PPP時間傳遞的精度，有必要對所采用的MGEX精密產(chǎn)品性能進行驗證。本文以GPS數(shù)據(jù)為例，通過試驗評價MGEX產(chǎn)品對PPP時間傳遞的影響。考慮到產(chǎn)品自身的自洽性，試驗結(jié)果能夠為同一產(chǎn)品中的北斗、Galileo等新興系統(tǒng)進行PPP時間傳遞提供參考。

1 PPP時間傳遞原理

1.1 PPP數(shù)學(xué)模型

碼偽距和載波相位觀測方程具體如下：

PPP使用非差雙頻組合觀測值消除電離層（一階項）影響，其表達式為

衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差使用厘米/亞納秒級精密產(chǎn)品，對流層延遲干分量一般由模型修正，濕分量作為未知參數(shù)進行估計。

1.2 GPS PPP時間傳遞

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 觀測數(shù)據(jù)及精密產(chǎn)品

試驗從BIPM國際時間比對網(wǎng)選取NTP1，PTBB和BRUX 3個GNSS時間比對站的GPS觀測數(shù)據(jù)。這3個時間比對站分別由中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）和比利時皇家天文臺（ROB）3個國際重要的時間實驗室運行維護。跟蹤站接收機、天線配置及外接參考鐘情況詳見表1。觀測數(shù)據(jù)自年積日2016-160（2016年第160天）開始，到年積日2016-221結(jié)束，共持續(xù)62 d，采樣間隔為30 s。

從IGS數(shù)據(jù)中心下載相應(yīng)時段的IGR，IGS，GBM和COM 4種不同的精密軌道和鐘差產(chǎn)品。其中IGR和IGS分別表示IGS快速和IGS最終產(chǎn)品，GBM和COM分別表示IGS MGEX分析中心GFZ和CODE提供的包含4系統(tǒng)的產(chǎn)品。

表1 站點設(shè)備列表

采用Bernese 5.2軟件，基于PPP方法，分別利用4種不同的精密產(chǎn)品對3個跟蹤站62 d的GPS觀測數(shù)據(jù)進行處理，解算得到各站接收機鐘差時間序列。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及誤差修正

周跳探測和粗差剔除是數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的關(guān)鍵技術(shù)，Bernese 5.2軟件在進行PPP解算時，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要由程序RNXSMT完成。首先，采用Melbourne-Wubbena組合判斷周跳和粗差發(fā)生與否。若發(fā)生周跳，則通過無幾何距離組合檢測周跳大小。再通過消電離層組合探測由碼觀測值粗差引起的剩余粗差。最后，通過載波相位觀測數(shù)據(jù)對碼觀測數(shù)據(jù)進行平滑處理。誤差改正模型詳見表2。

表2 GPS PPP數(shù)據(jù)處理中的誤差改正模型

2.3 參數(shù)估計

目前，Bernese 5.2軟件采用最小二乘法進行PPP的參數(shù)估計[11]。PPP在參數(shù)估計時待估參數(shù)包括4類，即測站位置坐標(biāo)、接收機鐘差、天頂對流層延遲以及各衛(wèi)星連續(xù)觀測弧段內(nèi)的載波相位模糊度[12]。

2.4 評價方法

根據(jù)解算得到的接收機鐘差，分別計算4種不同產(chǎn)品情況下，PTBB-NTSC和PTBB-BRUX鏈路的時間傳遞結(jié)果。由于BIPM基于IGS快速產(chǎn)品計算國際原子時，所以本文參考BIPM的方法，以IGR產(chǎn)品解算得出的鏈路結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計算其他產(chǎn)品在同一鏈路時間傳遞結(jié)果的差異。

3 結(jié)果與分析

以基于IGR產(chǎn)品的鏈路時間傳遞結(jié)果為基準(zhǔn)，分別與IGS，GBM和COM 3種不同的精密產(chǎn)品的時間傳遞結(jié)果作差，結(jié)果如圖2至圖7所示。

圖2 PTBB-NTSC鏈路時間傳遞IGS-IGR作差結(jié)果

圖3 PTBB-BRUX鏈路時間傳遞IGS-IGR作差結(jié)果

圖4 PTBB-NTSC鏈路時間傳遞GBM-IGR作差結(jié)果

圖5 PTBB-BRUX鏈路時間傳遞GBM-IGR作差結(jié)果

圖6 PTBB-NTSC鏈路時間傳遞COM-IGR作差結(jié)果

圖7 PTBB-BRUX鏈路時間傳遞COM-IGR作差結(jié)果

表3 同一鏈路不同產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果差異統(tǒng)計 ns

圖（2），（4）和（6）分別為PTBB-NTSC鏈路使用IGS，GBM和COM產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果的差值；圖（3），（5）和（7）分別為PTBB-BRUX鏈路使用IGS，GBM和COM產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果的差值；表3為不同產(chǎn)品時間傳遞結(jié)果差異的統(tǒng)計結(jié)果。從以上圖表可知，除基于COM的PTBB-BRUX結(jié)果外，兩條鏈路不同產(chǎn)品計算的時間傳遞結(jié)果差異標(biāo)準(zhǔn)差STD和均方根RMS均在0.1 ns左右，約為當(dāng)前GPS PPP國際時間傳遞的不確定度水平的1/3。不考慮COM-IGR，對于同一產(chǎn)品對，PTBB-BRUX鏈路差異的STD和RMS均略小于PTBB-NTSC鏈路。綜合2條鏈路來看，在IGS產(chǎn)品與IGR產(chǎn)品的結(jié)果差異最小，且沒有顯著的偏差。對于PTBB-NTSC鏈路，包含多系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品GBM和COM結(jié)果基本一致，均與IGS快速和最終產(chǎn)品結(jié)果間存在約40 ps的偏差。對于PTBB-BRUX鏈路，GBM產(chǎn)品與IGS產(chǎn)品結(jié)果基本一致，沒有顯著的偏差；COM產(chǎn)品的比較結(jié)果略顯異常，存在約0.1ns的偏差，STD也比GBM和IGS產(chǎn)品略大。初步分析發(fā)現(xiàn)，這種異常跟COM產(chǎn)品解算的測站坐標(biāo)有一定的相關(guān)性。

4 結(jié)語

利用不同的GNSS精密軌道和鐘差產(chǎn)品，對PTBB-NTSC和PTBB-BRUX兩條國際時間比對鏈路62 d的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行了GPS PPP時間傳遞試驗。結(jié)果表明，包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品與IGS快速、最終產(chǎn)品的差異量級為0.1 ns，能夠應(yīng)用到當(dāng)前的GPS PPP國際時間比對中?？紤]到MGEX精密產(chǎn)品本身的自洽性，這一結(jié)果可以為后續(xù)基于MGEX產(chǎn)品進行北斗和Galileo PPP時間傳遞提供一定參考。

[1] ZUMBERGE J F, HEFLIN M B, JEFFERSON D C, et al. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 1997, 102(B3): 5005-5017.

[2] KOUBA J, HéROUX P. Precise point positioning using IGS orbit and clock products[J]. GPS solutions, 2001, 5(2): 12-28.

[3] 韓菲, 張春燕. BERNESE5.0用于精密單點定位的數(shù)據(jù)處理及精度分析[J]. 測繪地理信息, 2015, 40(6): 28-31.

[4] 韓保民, 歐吉坤. 基于GPS非差觀測值進行精密單點定位研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 信息科學(xué)版, 2003, 28(4): 409-412.

[5] 江志恒. GPS全視法時間傳遞回顧與展望[J]. 宇航計測技術(shù), 2007(S): 53-71.

[6] PETIT G. The TAIPPP pilot experiment[C]//IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 22nd European Frequency and Time forum, France: Besancon, 2009.

[7] GéRARD P, PASCALE D. The performance of GPS time and frequency transfer: comment on ‘a(chǎn) detailed comparison of two continuous GPS carrier-phase time transfer techniques’[J]. Metrologia, 2016, 53(3): 1003-1008.

[8] 高玉平. IGS產(chǎn)品在GPS時間比對中的應(yīng)用[J]. 天文學(xué)報, 2004, 45(4): 428-436.

[9] 殷龍龍. 基于PPP在線時間比對技術(shù)研究[D]. 西安: 中國科學(xué)院國家授時中心, 2015.

[10] 雷雨, 趙丹寧. 利用Vondrak平滑處理PPP時間傳遞的隨機噪聲[J]. 測繪工程, 2013, 22(6): 18-21.

[11] DACH R, ANDRITSCH F, ARNOLD D, et al. Bernese GNSS Software Version5.2[M]. Bern: Astronomical Instiute, University of Bern, 2015.

[12] 張小紅, 蔡詩響, 李星星, 等. 利用GPS精密單點定位進行時間傳遞精度分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 信息科學(xué)版, 2010, 35(3): 274-278.

Analysis of GPS PPP time transfer based on IGS-MGEX products

ZHANG Li1,2,3, SUN Bao-qi1,2,3, WU Wen-jun1,2, GE Yu-long1,2,3, QIN Wei-jin1,2, YANG Xu-hai1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600，China;2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

Based on the Bernese GNSS software 5.2, GPS PPP time transfer experiments are conducted with 62-day data sets from two international time links, PTB-NTSC and PTB-ROB. Four different precise satellite orbit and clock product sets, including IGS rapid and final GPS single system products, GBM and COM products from IGS-MGEX (multi-GNSS experiment) pilot project are used respectively. The result of IGS rapid product is set as reference. The differences between the time transfer results of other products and the reference are used to evaluate the effect of different products, particularly the MGEX products, on GPS PPP time transfer. The results show that the RMS of differences between the time transfer results of different products are at the level of 0.1 ns, it is verified that MGEX multi-system products can be used for GPS PPP time transfer. Considering the consistence of the MGEX products, the results can provide reference for subsequent Beidou and Galileo PPP time transfer based on MGEX products.

MGEX; satellite orbit and clock product; time transfer; precise point positioning

張立，男，碩士，主要從事高精度時間比對技術(shù)研究。

TN927+.2

A

1674-0637(2018)02-0088-07

2017-11-21；

2017-12-28

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（41104021）；國家自然科學(xué)基金面上資助項目（11173026）

10.13875/j.issn.1674-0637.2018-02-0088-07