張向波

1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心,陜西 西安 710600; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100094; 3. 中國科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710600

高精度遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞技術(shù)是實(shí)現(xiàn)兩地時(shí)鐘比對的重要手段,是實(shí)現(xiàn)地方協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(k)與國際UTC建立聯(lián)系的技術(shù)支撐,是國際原子時(shí)(TAI)計(jì)算的基礎(chǔ)。作為GNSS載波相位時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的典型代表,基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的精密單點(diǎn)定位(PPP)自2009年開始被國際權(quán)度局(BIPM)用于TAI計(jì)算,時(shí)間傳遞精度可達(dá)亞納秒量級(jí)。然而,由于偽碼噪聲影響,使得PPP相位模糊度失去了整數(shù)特性,時(shí)間傳遞結(jié)果在相鄰天邊界歷元處出現(xiàn)“不連續(xù)”現(xiàn)象,導(dǎo)致無法通過PPP時(shí)間傳遞更加準(zhǔn)確反映兩地實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行時(shí)鐘的性能,嚴(yán)重影響PPP時(shí)間傳遞長期頻率穩(wěn)定度的提升,也限制了PPP時(shí)間傳遞在銫噴泉鐘等基準(zhǔn)頻標(biāo)比對中的應(yīng)用。論文圍繞PPP時(shí)間傳遞結(jié)果日界不連續(xù)誤差這一核心問題,按照從GPS單系統(tǒng)到GPS/BDS多系統(tǒng),從理論研究到試驗(yàn)驗(yàn)證的模式,系統(tǒng)深入地研究了日界不連續(xù)誤差的統(tǒng)計(jì)特性、產(chǎn)生原因、對時(shí)間頻率傳遞的影響及改正方法。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下。

(1) PPP測站鐘差和GNSS精密產(chǎn)品的不連續(xù)性問題。對不同測站PPP鐘差估計(jì)結(jié)果日界不連續(xù)誤差進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究結(jié)論為:①日界不連續(xù)誤差與測站接收機(jī)多徑、硬件時(shí)延及周圍溫度變化緊密相關(guān);對大多數(shù)PPP測站鐘差來說,日界不連續(xù)誤差表現(xiàn)出隨機(jī)游走噪聲特性,基本服從高斯分布。②不連續(xù)誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均與PPP數(shù)據(jù)處理批單元長度相關(guān),但是與批長度不成線性比例關(guān)系。③IGS提供的綜合鐘差產(chǎn)品日界不連續(xù)誤差水平較小,而各分析中心單獨(dú)提供的精密鐘差產(chǎn)品日界不連續(xù)誤差較大,而且Galileo和BDS鐘差產(chǎn)品不連續(xù)誤差大于GPS產(chǎn)品,歸因于衛(wèi)星鐘本身的不穩(wěn)定性以及鐘差產(chǎn)品生成策略。

(2) 日界不連續(xù)誤差的產(chǎn)生原因。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,研究了導(dǎo)致PPP測站鐘差日界不連續(xù)誤差產(chǎn)生的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明:不僅包括碼噪聲,而且GNSS精密產(chǎn)品的不連續(xù)性、數(shù)據(jù)采樣率、批單元長度,以及午夜時(shí)刻北斗不同星座觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量均是導(dǎo)致GNSS載波相位時(shí)間傳遞中日界不連續(xù)誤差產(chǎn)生的直接原因。

(3) 日界不連續(xù)誤差對GNSS載波相位時(shí)間和頻率傳遞的影響。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)驗(yàn)證開展日界不連續(xù)誤差對兩地時(shí)鐘比對和頻率傳遞影響的算法研究。主要研究結(jié)論為:①日界不連續(xù)誤差影響PPP時(shí)間傳遞的準(zhǔn)確度和時(shí)間穩(wěn)定度,使時(shí)間傳遞穩(wěn)定度降低,無法準(zhǔn)確反映兩地時(shí)鐘的相對變化。②兩地頻標(biāo)比對時(shí),日界不連續(xù)誤差使得兩地頻標(biāo)相對頻率偏差估計(jì)結(jié)果在相鄰批單元邊界處出現(xiàn)跳變,難以準(zhǔn)確估計(jì)總時(shí)段中相對頻率偏差,影響頻率傳遞長期穩(wěn)定度。

(4) 日界不連續(xù)誤差改正方法。針對移位重疊和更長批單元法存在的缺點(diǎn)以及為規(guī)避PPP受外部精密產(chǎn)品不連續(xù)性影響,并能適應(yīng)GNSS多系統(tǒng)融合PPP連續(xù)時(shí)間傳遞的需求,開展固定模糊度GPS IPPP法和滑動(dòng)重疊批處理Network法消除日界不連續(xù)誤差的研究。主要研究結(jié)論為:①采用線性插值的外推法在準(zhǔn)確估計(jì)若干整數(shù)倍窄巷波長后,可消除日界不連續(xù)誤差影響,實(shí)現(xiàn)固定模糊度的IPPP連續(xù)時(shí)間傳遞,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的GPS IPPP時(shí)間傳遞,提高了PPP頻率傳遞的長期穩(wěn)定度。②滑動(dòng)重疊最小二乘批處理Network法不僅可以規(guī)避外部精密產(chǎn)品不連續(xù)性帶來的影響,而且可以減小碼噪聲,批單元間的相位模糊度不確定度減小,可有效消除日界不連續(xù)誤差,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的GNSS多系統(tǒng)PPP時(shí)間傳遞,不僅提高了兩地時(shí)鐘比對準(zhǔn)確度,而且提高了頻率傳遞長期穩(wěn)定度和鏈路的穩(wěn)健性。