基于IGS MGEX产品分析GPS PPP时间传递

张立，孙保琪，武文俊，葛玉龙，钦伟瑾，杨旭海



基于IGS MGEX产品分析GPS PPP时间传递

张立1,2,3，孙保琪1,2,3，武文俊1,2，葛玉龙1,2,3，钦伟瑾1,2，杨旭海1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048）

基于Bernese 5.2软件，利用精密单点定位（PPP）的方法，分别采用只包含GPS单系统的IGS快速、最终产品和由IGS多GNSS实验（MGEX）先导项目分析中心GFZ和CODE提供的包含4系统的产品，共4种不同的精密卫星轨道和钟差产品,对PTB-NTSC和PTB-ROB两条国际时间比对链路2个月的GPS数据进行了时间传递试验。选取使用IGS快速产品的时间传递结果为参考，以其他产品时间传递结果与参考值的差异来评价不同精密产品尤其是包含4系统的MGEX产品对GPS PPP时间传递的影响。试验结果表明，不同产品时间传递结果差异的RMS在0.1ns左右，验证了MGEX多系统产品可以用于GPS PPP时间传递。考虑到MGEX产品本身的自洽性，该结果可以为后续基于MGEX产品进行北斗、Galileo PPP时间传递提供参考。

MGEX；卫星轨道和钟差产品；精密单点定位；时间传递

0 引言

精密单点定位（precise point positioning，PPP）是20世纪90年代以来在大地测量领域兴起的一种精密定位技术[1-2]。该技术利用精密卫星轨道和钟差产品，使用GNSS接收机的双频码伪距和载波相位观测值，单点定位精度可达厘米级[3-4]。2006年以来，PPP技术开始被引入到时间传递领域[5]。2009年开始，GPS PPP成为国际原子时（TAI）例行时间传递技术之一[6]。根据BIPM公布的T公报显示，截至2017年1月，在参与国际时间比对的76个时间实验室中，有28个时间实验室采用了GPS PPP的方法，有10个实验室采用了卫星双向与PPP结合的方法。国际时间权度局（BIPM）计算的GPS PPP国际时间比对精度在0.3 ns左右[7]。

近年来，随着北斗、Galileo等卫星导航系统的快速发展，基于多卫星导航系统的GNSS PPP技术有望为国际时间比对提供更高的精度和可靠性。目前GPS PPP国际时间比对采用的IGS快速产品，只包含GPS单系统的卫星轨道和钟差。而进行北斗、Galileo PPP时间比对需要使用多系统产品。

当前IGS多GNSS试验先导项目MGEX（the multi-GNSS experiment and pilot project）提供了各分析中心解算的包含4系统的轨道和钟差产品。高玉平、殷龙龙等学者分别分析了不同精度的IGS产品GPS单系统产品对GPS共视和PPP时间传递的影响，试验结果表明：IGS提供的不同精度的产品会对时间传递结果造成一定影响，但均满足共视和PPP时间比对的精度要求[8-9]。但是目前较少有关于包含4系统的MGEX产品对PPP时间传递影响研究。为了确保使用MGEX产品进行PPP时间传递的精度，有必要对所采用的MGEX精密产品性能进行验证。本文以GPS数据为例，通过试验评价MGEX产品对PPP时间传递的影响。考虑到产品自身的自洽性，试验结果能够为同一产品中的北斗、Galileo等新兴系统进行PPP时间传递提供参考。

1 PPP时间传递原理

1.1 PPP数学模型

码伪距和载波相位观测方程具体如下：

PPP使用非差双频组合观测值消除电离层（一阶项）影响，其表达式为

卫星轨道和卫星钟差使用厘米/亚纳秒级精密产品，对流层延迟干分量一般由模型修正，湿分量作为未知参数进行估计。

1.2 GPS PPP时间传递

2 数据及方法

2.1 观测数据及精密产品

试验从BIPM国际时间比对网选取NTP1，PTBB和BRUX 3个GNSS时间比对站的GPS观测数据。这3个时间比对站分别由中国科学院国家授时中心（NTSC）、德国联邦物理技术研究院（PTB）和比利时皇家天文台（ROB）3个国际重要的时间实验室运行维护。跟踪站接收机、天线配置及外接参考钟情况详见表1。观测数据自年积日2016-160（2016年第160天）开始，到年积日2016-221结束，共持续62 d，采样间隔为30 s。

从IGS数据中心下载相应时段的IGR，IGS，GBM和COM 4种不同的精密轨道和钟差产品。其中IGR和IGS分别表示IGS快速和IGS最终产品，GBM和COM分别表示IGS MGEX分析中心GFZ和CODE提供的包含4系统的产品。

表1 站点设备列表

采用Bernese 5.2软件，基于PPP方法，分别利用4种不同的精密产品对3个跟踪站62 d的GPS观测数据进行处理，解算得到各站接收机钟差时间序列。

2.2 数据预处理及误差修正

周跳探测和粗差剔除是数据预处理阶段的关键技术，Bernese 5.2软件在进行PPP解算时，数据预处理主要由程序RNXSMT完成。首先，采用Melbourne-Wubbena组合判断周跳和粗差发生与否。若发生周跳，则通过无几何距离组合检测周跳大小。再通过消电离层组合探测由码观测值粗差引起的剩余粗差。最后，通过载波相位观测数据对码观测数据进行平滑处理。误差改正模型详见表2。

表2 GPS PPP数据处理中的误差改正模型

2.3 参数估计

目前，Bernese 5.2软件采用最小二乘法进行PPP的参数估计[11]。PPP在参数估计时待估参数包括4类，即测站位置坐标、接收机钟差、天顶对流层延迟以及各卫星连续观测弧段内的载波相位模糊度[12]。

2.4 评价方法

根据解算得到的接收机钟差，分别计算4种不同产品情况下，PTBB-NTSC和PTBB-BRUX链路的时间传递结果。由于BIPM基于IGS快速产品计算国际原子时，所以本文参考BIPM的方法，以IGR产品解算得出的链路结果为标准，计算其他产品在同一链路时间传递结果的差异。

3 结果与分析

以基于IGR产品的链路时间传递结果为基准，分别与IGS，GBM和COM 3种不同的精密产品的时间传递结果作差，结果如图2至图7所示。

图2 PTBB-NTSC链路时间传递IGS-IGR作差结果

图3 PTBB-BRUX链路时间传递IGS-IGR作差结果

图4 PTBB-NTSC链路时间传递GBM-IGR作差结果

图5 PTBB-BRUX链路时间传递GBM-IGR作差结果

图6 PTBB-NTSC链路时间传递COM-IGR作差结果

图7 PTBB-BRUX链路时间传递COM-IGR作差结果

表3 同一链路不同产品时间传递结果差异统计 ns

图（2），（4）和（6）分别为PTBB-NTSC链路使用IGS，GBM和COM产品时间传递结果与使用IGR产品时间传递结果的差值；图（3），（5）和（7）分别为PTBB-BRUX链路使用IGS，GBM和COM产品时间传递结果与使用IGR产品时间传递结果的差值；表3为不同产品时间传递结果差异的统计结果。从以上图表可知，除基于COM的PTBB-BRUX结果外，两条链路不同产品计算的时间传递结果差异标准差STD和均方根RMS均在0.1 ns左右，约为当前GPS PPP国际时间传递的不确定度水平的1/3。不考虑COM-IGR，对于同一产品对，PTBB-BRUX链路差异的STD和RMS均略小于PTBB-NTSC链路。综合2条链路来看，在IGS产品与IGR产品的结果差异最小，且没有显著的偏差。对于PTBB-NTSC链路，包含多系统的MGEX产品GBM和COM结果基本一致，均与IGS快速和最终产品结果间存在约40 ps的偏差。对于PTBB-BRUX链路，GBM产品与IGS产品结果基本一致，没有显著的偏差；COM产品的比较结果略显异常，存在约0.1ns的偏差，STD也比GBM和IGS产品略大。初步分析发现，这种异常跟COM产品解算的测站坐标有一定的相关性。

4 结语

利用不同的GNSS精密轨道和钟差产品，对PTBB-NTSC和PTBB-BRUX两条国际时间比对链路62 d的连续观测数据进行了GPS PPP时间传递试验。结果表明，包含4系统的MGEX产品与IGS快速、最终产品的差异量级为0.1 ns，能够应用到当前的GPS PPP国际时间比对中。考虑到MGEX精密产品本身的自洽性，这一结果可以为后续基于MGEX产品进行北斗和Galileo PPP时间传递提供一定参考。

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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

张立，男，硕士，主要从事高精度时间比对技术研究。

TN927+.2

A

1674-0637(2018)02-0088-07

2017-11-21；

2017-12-28

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（41104021）；国家自然科学基金面上资助项目（11173026）

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