iGMAS 國家授時中心跟蹤站新接收機鐘差分析與相對時延校準(zhǔn)

李雪寧，孫保琪，楊海彥，蘇 行，楊旭海

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院國家授時中心，陜西西安 710600；3.中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710600）

隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成使用，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS）在當(dāng)今經(jīng)濟生產(chǎn)、社會生活和國防安全中發(fā)揮著日益重要的作用[1-3]。為了更好地監(jiān)測國際主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS/BDS/GLONASS/Galileo 等）的運行狀態(tài)，評估其導(dǎo)航、定位、授時性能，我國主導(dǎo)建設(shè)了國際GNSS 監(jiān)測評估系統(tǒng)(international GNSS Monitoring and Assessment System,iGMAS)[4]。iGMAS在全球范圍布設(shè)了30 個跟蹤站網(wǎng)，不僅可以作為獨立第三方提供可信的監(jiān)測評估結(jié)果，而且還可以生成高精度、高完好率的衛(wèi)星軌道、鐘差等實時及事后產(chǎn)品，在GNSS 應(yīng)用推廣中具有重要作用[5-7]。

中國科學(xué)院國家授時中心（National Time Service Center,NTSC）是國際重要的守時實驗室之一。iGMAS XIA1 站位于NTSC 臨潼本部園區(qū)，是唯一外接國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)頻率信號的iGMAS 跟蹤站。除了具有與其他iGMAS 跟蹤站一樣的功能外，XIA1 站還可以在GNSS 授時性能監(jiān)測評估、GNSS 多系統(tǒng)精密鐘差產(chǎn)品參考時間統(tǒng)一歸算、基于GNSS的國家標(biāo)準(zhǔn)時間精密授時等方面發(fā)揮著獨特的重要作用，具有獨特的優(yōu)勢。

跟蹤站接收機時延穩(wěn)定性對于守時實驗室iGMAS 站能否進行時間服務(wù)具有重要的影響因素[8]。2019 年12 月1 日，iGMAS XIA1 跟蹤站接收機和天線整套設(shè)備進行了升級更換。關(guān)于長時段系統(tǒng)分析XIA1 站新接收機的接收機鐘差的公開文獻尚未見報導(dǎo)，而這項工作對后續(xù)開展基于iGMAS XIA1 站的時間服務(wù)具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)

XIA1 站觀測數(shù)據(jù)從iGMAS 西安數(shù)據(jù)中心（ftp://igmas.ntsc.ac.cn）下載。根據(jù)iGMAS 西安數(shù)據(jù)中心接收的XIA1 站觀測文件判斷，2019 年12 月1 日XIA1站更換新的接收機和天線后，于當(dāng)日北斗時（BDT）04 時30 分00 秒開始記錄觀測數(shù)據(jù)并上傳至iGMAS西安數(shù)據(jù)中心。這次實驗選取XIA1 站從新接收機安裝當(dāng)日開始，到2020年8月30日共9個月的觀測數(shù)據(jù)進行分析。為了便于對比分析XIA1 站接收機鐘差，實驗還加入了NTP1和XIA6 兩站觀測數(shù)據(jù)。其中，NTP1站位于NTSC鐘房，是參與國際權(quán)度局(BIPM)國際原子時(Temps Atomique International,TAI)計算時間比對的GNSS 跟蹤站；XIA6 站與XIA1 站均位于CAPS 機房，安裝了高精度商用授時型接收機。NTP1和XIA6 站同時外接UTC(NTSC) 10 MHz 頻率和1PPS時間信號，XIA1站只外接UTC(NTSC)10 MHz頻率的信號。3 個跟蹤站的配置信息如表1 所示。

表1 跟蹤站配置信息

1.2 接收機鐘差分析策略及驗證

BIPM 基于TAIPPP 策略對參與國際原子時計算時間比對的各接收機進行數(shù)據(jù)觀測，按月例行進行精密單點定位（Precise Point Positioning,PPP）解算[9]，并通過FTP 服務(wù)對外提供解算得到的接收機鐘差。因此，文中使用的NTP1 接收機鐘差直接從BIPM FTP 服務(wù)器下載。而XIA1和XIA6 接收機鐘差則通過RTKLIB 軟件采用PPP 方法解算得到。

3 臺接收機均外接同源的UTC(NTSC)頻率信號，以NTP1 為基準(zhǔn)站，采用共鐘PPP 時間傳遞的模式分析XIA1和XIA6 接收機鐘差[10]。因為外接同一頻率源，NTP1-XIA1和NTP1-XIA6 兩條鏈路時間傳遞結(jié)果中只包含接收機、天線及線纜時延[11-13]。為了與BIPM TAIPPP 策略保持一致，PPP 解算時也利用IGS(International GNSS Service)快速軌道和鐘差產(chǎn)品。利用RTKLIB軟件進行PPP處理的策略如表2所示[14-17]。

表2 RTKLIB 軟件PPP處理策略

為了驗證采用上述策略解算得到的鐘差與BIPM 提供的TAIPPP 策略接收機鐘差的符合程度，利 用NTP1 站2019 年11 月9 日-2019 年11 月29 日的觀測數(shù)據(jù)開展了PPP 鐘差解算實驗。從IGS 數(shù)據(jù)中心下載相同時段的IGS 快速軌道和鐘差產(chǎn)品、廣播星歷，并從BIPM FTP 服務(wù)器下載其基于TAIPPP 策略解算的NTP1 測站接收機鐘差。使用RTKLIB 軟件處理NTP1 站21 天的數(shù)據(jù)，將得到的鐘差結(jié)果與BIPM 公布的結(jié)果進行比較，如圖1 所示。計算兩個鐘差結(jié)果差值的STD（Standard Deviation）值，來評價兩者的符合程度。

圖1 RTKLIB解算的NTP1鐘差與BIPM公布的NTP1鐘差互差時間序列圖

從圖1 中可以明顯看出互差結(jié)果連續(xù)、平滑，且鐘差的波動范圍保持在-0.3～0.3 ns（不考慮PPP 收斂過程）。兩者互差的STD 值為0.14 ns。上述結(jié)果表明，文中采用解算策略得到的鐘差與權(quán)威機構(gòu)BIPM所公布的鐘差符合較好，可以通過采用的策略與軟件開展后續(xù)的實驗。

2 XIA1接收機鐘差與鏈路時延

2.1 XIA1接收機鐘差分析

利用RTKLIB 軟件對XIA1和XIA6 接收機GPS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行PPP 解算，得到兩臺接收機2019 年12 月1 日-2020 年8 月30 日的鐘差時間序列。由于采用的衛(wèi)星精密鐘差為IGS 快速產(chǎn)品，其參考時間為IGRT，所以PPP 解算得到的接收機鐘差為接收機本地時間與IGRT 之間的偏差。

圖2 為XIA1 接收機鐘差時間序列圖。從中可以明顯看到，2020年第10天到第40天，以及第135天到第180 天，這兩個時段XIA1 接收機鐘差存在明顯的分段線性漂移。經(jīng)分析，主要原因是這兩個時段XIA1 接收機外接的10 MHz 信號中斷，接收機內(nèi)部時鐘處于自由運行狀態(tài)。通過檢查接收機觀測文件，發(fā)現(xiàn)分段現(xiàn)象是由接收機重啟造成的。為了防止接收機鐘差過大對觀測值時標(biāo)等帶來不利影響，一般通過實施毫秒跳的方式將接收機鐘差控制在一定的、較小的范圍?，F(xiàn)代高精度測量型接收機通常將接收機鐘差控制在1 ms 以內(nèi)。從圖2 中可以看出，2020 年第148 至第174 天接收機并未發(fā)生因重啟而鐘差不斷發(fā)生上揚的現(xiàn)象，一直到達16 ms，可知XIA1 新接收機的鐘差控制閾值較大。

圖2 XIA1鐘差時間序列圖（XIA1—IGRT）

圖3 為去掉2020 年第10～40 天以及第135～180天結(jié)果的XIA1 接收機鐘差時間序列。從圖3 中可以看出，XIA1 接收機鐘差時間序列存在較多跳變。其中第180 天到第200 天之間的跳變是由于UTC（NTSC）鐘房到CAPS 機房10 MHz 頻率信號線纜調(diào)試改造引起的。-30 天到第10 天之間，以及第64 天、第69 天、第71 天、第77 天、第100 天處的跳變是由于接收機重啟造成的。新接收機安裝初期，由于進行聯(lián)調(diào)測試，接收機重啟次數(shù)較多，造成了接收機鐘差在-30 天到第10 天之間發(fā)生較多跳變。因為XIA1新接收機只外接了UTC（NTSC）10 M 頻率信號，沒有外接1PPS 信號，所以接收機每次重啟后內(nèi)部時鐘的相位會發(fā)生變化，表現(xiàn)為接收機鐘差跳變。但是由于每次重啟后與導(dǎo)航衛(wèi)星時間進行粗同步，所以接收機重啟造成的鐘差跳變量級較小。從圖3 可知，在外接10 MHz 頻率信號的情況下，XIA1 新接收機重啟造成的鐘差跳變在200 ns 以內(nèi)。

圖3 XIA1鐘差時間序列圖（XIA1—IGRT）

修復(fù)圖3 中的跳變，將接收機鐘差拼接在一起得到圖4。圖5 為BIPM 公布的NTP1 測站2019 年12月1 日到2020 年8 月30 日GPS PPP 鐘差時間 序列。NTP1 接收機時鐘完全鎖定到外部接入的UTC（NTSC）10 MHz 頻率信號和1 PPS 信號。圖4和圖5的鐘差序列變化趨勢和波動幅值基本一致，表明XIA1 新接收機能夠較好地體現(xiàn)UTC（NTSC）信號的變化。但是從圖4、圖5 中可以明顯看到第50 天到第70 天之間以及圖5 中第150 天至第170 天之間鐘差分別發(fā)生一段向下和向上的漂移。為了分析上述現(xiàn)象的原因，根據(jù)BIPM 提供的TAIPPP 策略解算的PTBB 測站鐘差進行驗證，如圖6 所示。PTBB 站位于國際重要的守時實驗室德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB），也是參與BIPM 國際原子時計算時間比對的測站。從圖6 中可以看出PTBB 站在上述兩個時間段均有發(fā)生相同的鐘差漂移現(xiàn)象，故可以斷定這種變化不是由于UTC（NTSC）所致，而是與IGRT 有關(guān)。

圖4 XIA1鐘差時間序列圖（XIA1—IGRT）

圖5 BIPM公布的NTP1鐘差時間序列圖（NTP1-IGRT）

圖6 BIPM公布的PTBB鐘差時間序列圖（PTBB-IGRT）

2.2 XIA1接收機鏈路時延分析

為了進一步分析XIA1 接收機時延穩(wěn)定性，將用RTKLIB 軟件解算得到的XIA1 鐘差時間序列與BIPM 官網(wǎng)公布的NTP1 鐘差時間序列進行對比，求解出兩者的互差如圖7 所示。作為對比，圖8 給出了相同時段RTKLIB 軟件解算得到的XIA6 鐘差與BIPM 官網(wǎng)公布的NTP1 鐘差互差的結(jié)果。

圖7 BIPM公布的NTP1鐘差與RTKLIB解算XIA1鐘差互差時間序列圖

圖8 BIPM公布的NTP1鐘差與RTKLIB解算XIA6鐘差互差時間序列圖

從圖7 中可以明顯的看出XIA1 在更換接收機后的第一個月，由于進行聯(lián)調(diào)測試，接收機重啟導(dǎo)致PPP 鐘差解算重新收斂次數(shù)較多。但是之后可以明顯看到鏈路相對鐘差趨于連續(xù)且平穩(wěn)，尤其是第195天之后。在第223-243天這段時間，計算得到XIA1與NTP1 鐘差互差STD 僅為0.19 ns，均值為-117.6 ns。從圖7和圖8 中還可以看出剛更換的前10 天10 MHz信號中斷導(dǎo)致鐘差互差結(jié)果較為離散。同時接收機沒有重啟的時段鐘差結(jié)果也有部分重新收斂現(xiàn)象，并且存在若干孤立的散點，通過檢查觀測文件，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于載波相位周跳引起的。若某個時刻大部分衛(wèi)星的信號都失鎖，會導(dǎo)致鐘差解算重新收斂，失鎖較頻繁時會造成鐘差解算中的孤立散點。去掉收斂過程及孤立散點等較大的異常值后，計算NTP1-XIA1和NTP1-XIA6 兩條鏈路相對鐘差STD 分別為0.32 ns和0.35 ns，表 明XIA1和XIA6兩臺接收機與NTP1 之間鏈路總時延均比較穩(wěn)定，XIA1 新接收機時延穩(wěn)定性與國際著名商用授時接收機相當(dāng)。

3 接收機相對時延校準(zhǔn)

常見的校準(zhǔn)有相對較準(zhǔn)與絕對校準(zhǔn)兩種方法，在上述基礎(chǔ)上文中對XIA1 接收機進行相對與NTP1 接收機的時延校準(zhǔn)。由于第223～243 天這段時間接收機時延相對穩(wěn)定，所以選取這段時間進行接收機時延相對較準(zhǔn)。BIPM 關(guān)于PPP 時間比對中接收機時延校準(zhǔn)說明文件中提出的公式如下所示[18-20]。

式中，TOT DLY為接收機總延遲，CAB DLY是電纜延遲，REF DLY是參考延遲，表示從UTC(k)的時間參考點到接收機輸入端的時延值，與信號類型無關(guān)。INT DLY是內(nèi)部延遲。其中BIPM 官網(wǎng)公布的NTP1的延遲參數(shù)如表3 所示。

表3 BIPM文件中NTP1的延遲參數(shù)

在得到NTP1 接收機總延遲之后，以它作為參考，對參與試驗的XIA1 接收機進行校準(zhǔn)，其中XIA1與NTP1的鏈路時延為-117.6 ns，通過式（5）、（6）可以計算出XAI1的TOT DLY的值為9.5 ns。

4 結(jié)論

從接收機鐘差、鏈路時延以及相對時延校準(zhǔn)3個方面對iGMAS 國家授時中心跟蹤站XIA1 新接收機時延穩(wěn)定性進行了分析。在進行鐘差分析實驗中，發(fā)現(xiàn)XIA1 接收機沒有外接10 MHz 信號時，接收機鐘差的控制閾值較大，超過16 ms；新接收機安裝初期，由于進行聯(lián)調(diào)測試，接收機重啟次數(shù)較多發(fā)生較多跳變；但是后續(xù)接收機鐘差較連續(xù)。XIA1 與參與國際時間比對的NTP1 之間9 個月鏈路時延STD小于0.5 ns，穩(wěn)定性較好。并對接收機進行相對時延校準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，iGMAS XIA1 站可以為GNSS授時性能監(jiān)測評估、基于GNSS的國家標(biāo)準(zhǔn)時間精密授時等后續(xù)時間服務(wù)工作提供重要支持。