姚攀,楊旭海,孫保琪,武美芳
基于CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品精度的不斷提高,為開展基于IGS實時產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)品,利用7個測站的365d觀測數(shù)據(jù),從不同GNSS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)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(jié)果表明,基于CNES實時GPS(Global Positioning System)單系統(tǒng)產(chǎn)品得到的時間傳遞鏈路結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品得到的時間傳遞鏈路結(jié)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(tǒng)產(chǎn)品得到的STD相較于GPS單系統(tǒng)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(tǒng);實時產(chǎn)品
共視法和全視法是國際權(quán)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(shù)來實現(xiàn)時間傳遞[3-4]。BIPM首先將GPS PPP技術(shù)用于國際原子時(International Atomic Time,TAI)比較,結(jié)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(shù)之一[6]。目前大多學者基本都是使用事后產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)品應用于GPS PPP時間傳遞進行了比對[7]。BIPM基于IGS快速產(chǎn)品IGR開展GPS PPP時間傳遞[8]。雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)布和運行[9],基于全球?qū)崟r跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷,生成實時的衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)。用戶可以實時獲取IGS及其各個分析中心播發(fā)的實時產(chǎn)品,結(jié)合實時廣播星歷生成高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差,服務于對產(chǎn)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(tǒng)的快速發(fā)展,利用實時多系統(tǒng)產(chǎn)品采用PPP技術(shù)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(chǎn)品,為開展基于IGS實時產(chǎn)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(chǎn)品的完整性進行統(tǒng)計與分析,并以IGS快速產(chǎn)品IGR PPP解算結(jié)果作為外部參考,利用軌道與鐘差產(chǎn)品,選取不同GNSS系統(tǒng)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(chǎn)品PPP時間傳遞試驗。
利用IGS實時精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)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:
圖1 PPP時間傳遞基本原理圖
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(jié)點。觀測數(shù)據(jù)弧段從2018年5月1日開始,到2019年4月30日結(jié)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(tǒng)計
進行實時產(chǎn)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(chǎn)品完整性問題,受實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)源等因素的影響,造成實時接收的數(shù)據(jù)不完整;第二個方面是產(chǎn)品時延問題,即實時產(chǎn)品延遲不能大于90s,目前IGS實時產(chǎn)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(shù)據(jù)流的完整性進行了分析。
由表2可知,CNES實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整性存在以下兩個問題:① 實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)不連續(xù),多系統(tǒng)的實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率都沒有達到100%,部分衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率較低,比如E13,E15和E21號衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整率低于50%。② 多系統(tǒng)的實時產(chǎn)品中,GPS和GLONASS的實時產(chǎn)品整體完整率均高于90%,而Galileo和BDS的實時產(chǎn)品整體完整率分別為70.66%和84.34%。以上兩個問題可能是數(shù)據(jù)源部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)流中斷等因素造成的。
表2 實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計
本次實驗主要在靜態(tài)模式下,利用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品,選取不同GNSS系統(tǒng)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(shù)估計使用卡爾曼濾波方法,詳細的數(shù)據(jù)處理解算策略設置如表3所示。
表3 PPP數(shù)據(jù)處理解算策略
本文使用基于IGS快速產(chǎn)品IGR PPP解算的結(jié)果作為外部參考標準,來衡量CNES實時多系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)品IGR,采用PPP技術(shù)解算得到各時間實驗室鐘差,其可比性更強;第二,IGS快速產(chǎn)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(chǎn)品,主要是因為IGS最終產(chǎn)品的時延較長,且IGR產(chǎn)品精度也符合要求[11]。
此次試驗將利用CNES實時產(chǎn)品PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列,與使用IGR產(chǎn)品(截止高度角為10°,其他參數(shù)設置相同)PPP解算得到的時間傳遞鏈路鐘差序列作差,統(tǒng)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(wěn)定度[12-13]。
本次實驗首先利用CNES實時產(chǎn)品中的GPS系統(tǒng)產(chǎn)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(jié)果與使用IGR產(chǎn)品得到的時間鏈路結(jié)果作差,并對差異結(jié)果進行統(tǒng)計。圖3分別是BRUX-PTBB和BRUX-WAB2的時間鏈路結(jié)果序列圖,從中可以發(fā)現(xiàn),使用CNES實時產(chǎn)品中的GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品和使用IGR產(chǎn)品兩者的解算結(jié)果符合程度較好。圖中部分時段鏈路比對結(jié)果缺失是觀測數(shù)據(jù)缺失或觀測數(shù)據(jù)質(zhì)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(jié)果呈現(xiàn)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(jié)果比對時間序列圖
表4是GPS(CNES)-GPS PPP(IGR)時間鏈路比對結(jié)果STD的統(tǒng)計,從統(tǒng)計結(jié)果可以看出BRUX-BOR1,BRUX-GMSD等6條時間傳遞鏈路比對結(jié)果的STD值均在0.1~0.5ns之間。結(jié)合圖4可以看出,使用CNES實時GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品所得的鏈路BRUX-PTBB的PPP時間傳遞的穩(wěn)定度和使用IGR產(chǎn)品所得到的穩(wěn)定度接近,天穩(wěn)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(jié)果標準偏差統(tǒng)計 單位:ns
圖4 不同產(chǎn)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(tǒng)實時產(chǎn)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(tǒng),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(jié)果與GPS(IGR)時間鏈路結(jié)果差值的STD值統(tǒng)計,從圖中可以看出,使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)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(tǒng)實時產(chǎn)品與GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品STD減小的百分比統(tǒng)計圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品STD值有所減小,其中BRUX-HOB2和BRUX-GMSD兩條時間鏈路結(jié)果STD明顯減小,主要原因是利用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品相比GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品,可以使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(wèi)星數(shù)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(tǒng),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(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)品數(shù)據(jù)完整率高于BDS和Galileo。圖9是使用CNES實時產(chǎn)品中不同系統(tǒng)組合PPP解算的BRUX-HOB2的MDEV,不難發(fā)現(xiàn)使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品所得的鏈路BRUX-HOB2的PPP時間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品所得到的穩(wěn)定度。
圖5 PPP(CNES)-PPP(IGR)比對結(jié)果標準偏差值統(tǒng)計
圖6 使用多系統(tǒng)產(chǎn)品相對于使用單GPS實時產(chǎn)品時間傳遞標準偏差值減小百分比統(tǒng)計
圖7 BRUX站可視衛(wèi)星數(shù)和鐘差精度因子
圖8 GMSD 站可視衛(wèi)星數(shù)和鐘差精度因子
圖9 實時產(chǎn)品中不同系統(tǒng)組合PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差
上述試驗結(jié)果都是基于良好的觀測條件下得出的,而現(xiàn)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(huán)境有限的條件下的PPP時間傳遞試驗。依舊在靜態(tài)模式下,使用CNES實時產(chǎn)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(jié)果的平均STD值統(tǒng)計以及相對使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品鏈路結(jié)果改善情況統(tǒng)計。從表5可以發(fā)現(xiàn),截止高度角為10°,20°,30°時,使用CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品,STD在0.3~0.4 ns之間。同使用GPS單系統(tǒng)實時產(chǎn)品相比,4條時間鏈路結(jié)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(tǒng)計結(jié)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(chǎn)品、GPS+BDS實時產(chǎn)品和GPS+GLONASS實時產(chǎn)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(jié)果的長期穩(wěn)定度優(yōu)于截止高度角為10°的結(jié)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(wěn)定度較差,可能是由于可見衛(wèi)星數(shù)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(chǎn)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(chǎn)品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差
圖12 GPS+GLONASS實時產(chǎn)品PPP解算的BRUX-HOB2的修正Allan偏差
本文首先對法國空間研究中心提供的多系統(tǒng)實時軌道和鐘差產(chǎn)品的完整性進行統(tǒng)計和分析,統(tǒng)計得到CNES多系統(tǒng)實時產(chǎn)品的完整率,其中GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)的實時產(chǎn)品完整率高于90%,Galileo系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的實時產(chǎn)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(chǎn)品用于PPP時間傳遞,從不同GNSS系統(tǒng)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(jié)果表明,使用CNES 實時GPS單系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)品得到的STD相較于GPS單系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)品和觀測數(shù)據(jù);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(shù)據(jù)中心(http://www.nssdc.ac.cn)、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“一帶一路”團隊項目“北斗授時監(jiān)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(tǒng)產(chǎn)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(yǎng)計劃“西部青年學者”B類資助項目(XAB2018B19)