国家授时中心gps全视法性能的分析与评估

国家授时中心gps全视法性能的分析与评估

0gps全视法中国科学院国家统计中心（ntcs）负责产生、维持和发布中国标准时间。远程时间比对技术是国家授时中心参加国际原子时合作,实现NTSC产生和保持的时间UTC(NTSC)对协调世界时UTC溯源,提高UTC(NTSC)准确度的必要技术。目前国家授时中心用于参加国际时间比对的技术有卫星双向法和GPS全视法(简称GPSAV),2者互为备份。GPSAV是由国际权度局(BIPM)江志恒博士提出,并于2006年被BIPM正式采用替代GPS共视法(简称GPSCV)用于国际原子时(TAI)比对计算。GPSAV是对GPSCV的一种改进,是利用IGS(国际GNSS服务机构)精密星历和电离层图产品对观测结果进行修正,大大降低卫星钟误差、卫星轨道误差、电离层延迟修正误差及观测噪声的影响,突破了传统共视法比对精度受比对距离影响的局限,有效地提高了远距离比对的效率和精度,实现了全球范围内的高精度时间比对。国家授时中心目前在线运行的GPS观测设备有单频(VPoncore系列)和双频(JNS系列)这2类设备。本文在分析了AV和CV的特点的基础上,采用实测数据,进行了NTSC—PTB(physikalisch-technischebundesanstalt(Germary))链路的全视法比对计算,分析了2类设备进行GPSAV的效果,比较了2类设备的性能。1共视算法gpsBIPM把GPS引入TAI比对计算中的远程时间比对,经历了单站、GPSCV和GPSAV这3个阶段。所谓单站法,是GPS最初用于TAI比对计算时BIPM采用的远程时间比对技术。当时的接收机都是单通道的,同一时间段(780s)只能观测1颗卫星。一个地面实验室的钟与一个卫星钟进行比对,扣除根据卫星的广播信息中给出的卫星星历、卫星钟差和电离层参数产生的改正项后,得到实验室钟与卫星钟的钟差。这个钟差值的误差较大,需要用一个月的观测值进行平滑后,以平滑曲线上的插值作为该时刻(780s的中间时刻)实验室钟与卫星钟的钟差;再计算2个实验室由此得到的钟差之差,即为2个实验室的钟之间的钟差。由于卫星的广播信息都是预报值,再加上当时的GPSSA干扰,使得这种单站法得到的远程时间比对结果有很大的误差。GPSCV是以GPS卫星钟时间作为公共参考源,不同位置的2个时间实验室同时观测相同的GPS卫星,测定实验室时间与同一卫星钟时间之差,然后通过比较2个实验室的观测结果来确定两实验室时间的相对偏差。参与共视的每个实验室的观测结果(本文简称单站观测结果)是采用GPS卫星的广播数据(星历、星钟参数、电离层参数等)计算得到的,观测结果主要包括本地时间与卫星钟时间之差(REFSV)、本地时间与卫星播发的GPS时间之差(REFGPS)、利用模型计算的电离层延迟(MDIO)和利用双频观测值计算的实测电离层延迟(MSIO)。单站观测的误差源包括卫星钟误差、星历误差、大气(电离层和对流层)延迟估计误差和观测噪声等,其中卫星钟误差对各站观测结果的影响相同,而星历误差、大气延迟估计误差对各站观测结果的影响也具有相关性。CV的优点是利用两站观测的相关性,通过共视处理(将两站的观测结果REFGPS相减),可有效地消除卫星钟差对比对结果的影响,削弱卫星轨道误差、大气延迟估计误差的影响(与站间距离有关)。与单站法相比,GPSCV所得到的两地钟差测定值的精度有较大的提高。CV的缺点是随着站间距离的增大,两站可同时观测到的卫星数目将减少,卫星轨道误差、电离层和对流层延迟估计误差对两站影响的相关性也会降低,对比对结果的影响会增大。此外,远距离比对时只能观测一些低仰角的卫星,会引入较大的观测噪声和大气延迟估计误差。对GPSAV而言,由于有了IGS的产品,又由于采用了多通道GPS接收机,同一个时间段可以同时观测n个卫星,对地面钟与n个卫星钟的钟差有效地扣除卫星钟的误差、卫星星历误差和电离层时延误差后进行加权平均,得到地面钟与IGS时间之差,极大地提高了地面钟钟差的估计精度。而且接收机只要观测接收站上空所有可视卫星的信号,即使位于经度相差180°的地面上2个实验室也可以实现时间比对,无需再接收同一卫星的信号。GPSAV充分利用IGS产品的高精度特性,通过对单站观测结果进行修正,最大限度地消除卫星钟差、卫星轨道误差和电离层估计误差的影响,摆脱了站间距离的限制。根据接收机类型,修正单站观测结果的具体方法有2种:对单频接收机和虽然是双频接收机但未经双频校准的设备,采用IGS精密星钟参数和星历对观测结果中的REFSV和REFGPS进行修正,消除卫星钟差、卫星轨道误差的影响,利用IGS电离层产品(电离层图TECmap),计算电离层延迟改正MSIO＿IGS,取代利用模型计算的电离层延迟MDIO,提高电离层延迟估计精度,在BIPM每月发布的时间公报(CIRCULART)中,将此类观测数据称为MC类型数据;对于已进行了双频校准的双频接收机,则只用IGS精密星钟参数和星历对观测结果中的REFSV和REFGPS进行修正,仍采用设备实测的结果MSIO作为电离层延迟改正值,在CIRCULART中,将此类观测数据称为P3类型数据。一般而言,接收机实测电离层延迟结果MSIO的精度好于利用IGS的TECmap计算的MSIO＿IGS,但在设备双频时延未校准的情况下,实测电离层延迟结果MSIO的偏差大于用TECmap计算电离层延迟的误差。根据CIRCULART,MC的AV精度一般为2.5～1.5ns,P3的AV精度一般为1.5～0.7ns。某条具体链路的比对精度与接收机的性能(观测噪声、兼容性等)有关。2远程时间比对实验结果国家授时中心于2004年起采用自主研制的单频GPS共视接收机(内部简称VPoncore系列)参加TAI时间比对,2005年又研制了双频共视接收机(内部简称JNS系列)。这2种设备一直在国家授时中心在线运行,2种设备的本地参考时间均为UTC(NTSC)。目前国家授时中心报送BIPM用于国际时间比对的数据为内部编号为VP2的单频GPS接收机的观测数据。为分析比较2种设备进行AV时间比对的性能,我们编制了全视法计算软件,并利用单频GPS接收机(内部编号VP2)和双频接收机(内部编号J03)在2011年8～10月3个月的观测数据,进行了NTSC—PTB链路的全视法比对计算,结果见图1至图3所示。图1至图3中RAW为原始比对结果,SM为对RAW进行vondrak平滑的结果,利用vondrak平滑残差的标准差uf073作为估计原始比对结果噪声水平的指标,所有平滑处理所用的平滑因子相同。比对计算时未对设备固定时延进行修正,所以比对结果存在系统差。图1是用VP2观测数据进行NTSC—PTB链路的AV比对结果,其标准差uf073为1.4ns,这与CIRCULART给出的NTSC—PTB链路A类不确定度1.5ns相符合。图2是用J03观测数据按照MC类型进行NTSC—PTB链路的AV比对结果,其标准差uf073为1.2ns,与CIRCULART给出的其他MC链路的A类不确定度相比,这个结果比较好。图3是用J03观测数据按照P3类型进行NTSC—PTB链路的AV比对结果,其标准差uf073为0.9ns,与CIRCULART给出的其他P3链路的A类不确定度相当。由图2和3可见,2种比对结果之间有明显的差异(约20ns),另外,AV(P3)比对结果的标准差uf073小于AV(MC)的比对结果的标准差。这说明J03实测电离层延迟结果MSIO的精度略优于用IGS的TECmap计算的电离层延迟MSIO＿IGS的精度。但是设备双频时延偏差通常会达到几十纳秒,或者更大,对比对结果有明显影响。设备双频时延偏差是接收机的系统差,需要经过接收机的双频时延校正后,才能够正式用于远程时间比对。在卫星跟踪能力方面,VP2为单频8通道GPS接收机,最多可同时跟踪8颗GPS卫星;J03为双频20通道GPS接收机,基本上可以同时跟踪所有可视GPS卫星,并可进行双频观测(用于测量电离层延迟)。图4给出了VP2在MJD55766～55866期间所观测的卫星数统计情况,VP2平均每次观测仰角大于15°,连续观测时间为780s的卫星数为5.96。图5给出了J03在相同期间所观测的卫星数,J03平均每次观测仰角大于15°,连续观测时间为780s的卫星数为6.99,J03的卫星跟踪能力明显好于VP2。3j06比对水平比较通过实测数据分析,国