守时实验室iGMAS站接收机钟差分析与时延相对校准

王然，杨旭海，孙保琪，杨海彦，张喆

守时实验室iGMAS站接收机钟差分析与时延相对校准

王然1,2,3，杨旭海1,2,3，孙保琪1,2,3，杨海彦1,2，张喆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，北京 100049)

GNSS（Global Navigation Satellite System）接收机时延的稳定性及准确度对基于国际GNSS监测评估系统（iGMAS）跟踪站的授时性能评估、时间传递等具有重要影响。iGMAS永久跟踪站BRCH和测试跟踪站XIA3与XIA5，分别位于两个国际重要守时实验室德国联邦物理技术研究院（PTB）和中国科学院国家授时中心（NTSC）。以参与UTC国际时间比对的接收机PTBB和NTP1为参考，基于GPS观测数据，采用PPP时间传递的方法，对BRCH，XIA3和XIA5 3台iGMAS接收机的钟差长期稳定性进行了分析。作为对照，同时分析了并址的PT11，XIA4和XIA6等3台商用授时型接收机。结果表明：①3台iGMAS接收机的时延均具有较好的长期稳定性，不存在大幅度的系统性变化；②BRCH接收机时延300 d稳定度优于0.3 ns，与PT11相当；③XIA3与XIA5接收机时延存在2ns左右的单天起伏，可通过并址且共天线的XIA4、XIA6进行校准。基于BIPM TAIPPP结果，对BRCH，XIA3和XIA5接收机的总时延进行了相对校准。论文相关结果可为后续基于iGMAS跟踪站的授时监测、时间传递及其他时间频率服务提供参考。

iGMAS；协调世界时（UTC）；精密单点定位；接收机时延；相对校准

0 引言

国际GNSS（Global Navigation Satellite System）监测评估系统（international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS）通过布设全球GNSS连续运行跟踪站网，对北斗/GPS/GLONASS/Galileo四大卫星导航系统的导航、定位、授时服务性能进行监测评估[1]。在iGMAS规划建设的30个跟踪站中，有2个跟踪站分别位于德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）和中国科学院国家授时中心（National Time Service Center，NTSC）[2]。PTB和NTSC均为国际重要的守时实验室，而且PTB是协调世界时（coordinated universal time，UTC）国际时间比对中心节点。基于守时实验室的iGMAS站接收机，可以开展北斗/GNSS授时性能监测、时间传递等时间服务工作。GNSS接收机设备时延的稳定性及准确度对于上述时间服务工作具有重要影响。

文献[3]对GNSS接收机时延的长期稳定性进行了分析，文献[4]和文献[5]分别对Galileo系统和BDS系统各频点的硬件时延进行校准。但是，对iGMAS站接收机的时延稳定性分析及校准尚未见相关报道。本文的主要工作是，对位于两个守时实验室的iGMAS站接收机进行钟差分析和时延校准。分别在PTB守时实验室和NTSC守时实验室搭建试验平台，采用精密单点定位（precise point positioning，PPP）的方法，计算iGMAS站接收机的长期钟差，并以参与国际时间比对的PTBB站和NTP1站作为比较参考。最后将各台iGMAS接收机进行相对校准，为后期基于iGMAS站的时间服务试验提供参考。

1 数据与方法

本节对试验平台、解算策略及评价方法进行详细介绍。

1.1 试验平台

试验用到的GNSS接收机均外接由守时实验室钟房产生的UTC信号。其中，PTBB外接UTC（PTB）信号，位于PTB守时实验室钟房内，是参与BIPM（国际权度局）国际原子时计算的接收机，BRCH是iGMAS接收机，与PT11共同位于距离PTB钟房约283 m的机房内，其参考频率由UTC（PTB）主钟输出频率经过同一个频率分配放大器产生。位于NTSC守时实验室的iGMAS测试接收机（未正式参与iGMAS监测评估）XIA3，XIA5和商用授时接收机XIA4，XIA6放置在距离NTSC钟房95m的CAPS机房内，参考频率由UTC（NTSC）主钟输出频率经过同一个频率分配放大器产生，4台接收机通过功分器连接同一天线，为零基线模式。NTP1外接UTC（NTSC）信号，位于钟房内，是参与BIPM国际原子时计算的接收机。各台接收机连接情况如图1和图2所示。试验选取的站点所用的接收机型号、天线配置及外接时频信号情况详见表1。

图1 PTB守时实验室接收机连接示意图

图2 NTSC守时实验室接收机连接示意图

表1 接收机配置信息

1.2 解算策略

数据处理采用中国科学院国家授时中心iGMAS分析中心自主改编的Bernese 5.2软件，从国际GNSS服务（IGS）数据中心下载相应时段的IGR快速产品，包括精密轨道和钟差等产品，基于PPP方法解算得到各站接收机钟差[6-7]。表2列出了Bernese 5.2软件PPP方法详细的处理策略。

表2 Bernese 5.2软件PPP时间传递解算策略

BIPM每月公布各守时实验室接收机的GPS PPP钟差结果，使用的是由加拿大自然资源局（Natural Resources Canada）开发的NRCan-PPP软件，解算策略与Bernese 5.2软件基本一致[8]。区别是参数估计方法中，NRCan-PPP使用的是卡尔曼滤波，而Bernese 5.2软件使用最小二乘法。

1.3 评价方法

本文通过计算钟差外符合比较结果的STD（standard deviation）值，来表示接收机时延的稳定度，即A类不确定度。具体计算公式如下：

2 结果与分析

利用参试接收机2018年的GPS观测数据进行PPP解算，得到同一守时实验室多台接收机之间的相对钟差。因为外接同源时频信号，这些接收机属于共钟模式，其相对钟差能够反映接收机（含天线及电缆）时延的稳定性。在此基础上，借助PTBB和NTP1接收机的已知校准值，对iGMAS接收机时延进行相对校准。

2.1 iGMAS接收机时延稳定性分析

本节从PTB守时实验室和NTSC守时实验室的接收机时延角度进行稳定性分析。

2.1.1 PTB守时实验室iGMAS接收机时延稳定性分析

对2018年第1~300天期间的PTBB，PT11和BRCH 3台接收机的GPS单系统观测数据进行PPP计算，得到钟差时间序列。解算过程中使用的卫星轨道和钟差是IGS的快速产品（IGR）。其中，PTBB和PT11观测数据从PTB服务器下载，BRCH观测数据从iGMAS西安数据中心下载。

PTBB是参与BIPM国际时间比对的测站，将其钟差序列作为参考标准，将iGMAS站BRCH的钟差结果与其进行比对。由于PPP解算的测站钟差均以IGRT作为参考基准，将PTBB站与BRCH站的钟差直接相减，获得PTBB站与BRCH站的相对钟差，分析其稳定性。PT11作为检核站，与BRCH和PTBB进行比对，通过3条比对链路比较分析iGMAS接收机时延长期稳定性。

图3、图4和图5依次给出了BRCH-PTBB、PT11-PTBB、BRCH-PT11 3条比对链路在2018年第1~300天的相对钟差序列，表3给出了3条比对链路的统计结果。3条比对链路的总体变化趋势是一致的，BRCH，PT11与PTBB比对结果的STD分别是0.296 ns和0.270 ns，结果接近。3条比对链路的STD均小于0.33ns，说明测站时延长期稳定性较好。3条比对链路组成闭合三角形，其均值之和为-0.22ns（闭合差）。

图3 BRCH-PTBB链路钟差结果

图4 PT11-PTBB链路钟差结果

图5 BRCH-PT11链路钟差结果

表3 PTB接收机链路钟差结果统计值 单位：ns

2.1.2 NTSC守时实验室iGMAS接收机时延稳定性分析

使用iGMAS测试接收机XIA3，XIA5和商用授时接收机XIA4，XIA6，2018年第250~290天的GPS观测数据，基于IGR卫星轨道和钟差产品分别计算了4站连续的PPP钟差。NTP1站参与BIPM国际时间比对，其钟差序列来自BIPM提供的GPS PPP钟差解算文件，作为参考标准与iGMAS测试接收机进行比对。图6给出了上述5站的PPP钟差序列。可以看出，5站钟差序列变化总体趋势一致，变化范围约为11 ns。但XIA3和XIA5站的噪声明显大于其他3个测站，且存在较小的天周期项变化，初步判断是因为这两台接收机对温度变化较为敏感。

将NTP1作为参考站，iGMAS接收机与其形成4条比对链路，图7至图10依次给出了NTP1与XIA3，XIA4，XIA5和XIA6比对钟差序列，表4给出了比对链路的统计结果。从中可以看出，链路NTP1-XIA4和NTP1-XIA6的STD明显小于链路NTP1-XIA3和NTP1-XIA5，主要是由于XIA3和XIA5的钟差噪声相对较大引起。NTP1-XIA3的均值与NTP1-XIA5较为接近，得益于两台接收机使用了相同的硬件与连接电缆，只是软件版本略有不同。XIA4与XIA6使用同类型的接收机，但NTP1-XIA4的均值与NTP1-XIA6有较大差异，初步确定由于两台接收机不是同批次采购，硬件可能存在差异。从40 d的统计结果看，各站与NTP1接收机链路钟差STD均小于0.5 ns，在合理范围内[9]。因此，NTSC守时实验室的iGMAS测试接收机可以为后期的授时服务提供参考，但其性能需要进一步提升。

图7 NTP1-XIA3链路钟差

图8 NTP1-XIA4链路钟差

图9 NTP1-XIA5链路钟差

图10 NTP1-XIA6链路钟差

表4 NTSC接收机链路钟差结果统计值 单位：ns

2.2 iGMAS接收机校准

在前文的分析计算中，同类型、不同类型接收机时延可能存在较大差异，需要对每台接收机进行时延校准。国内外常用的校准方法有绝对校准和相对校准[10]。本文基于BIPM提供的PTBB和NTP1的站钟差数据和接收机时延等信息，通过共钟比对的方式对iGMAS接收机与iGMAS测试接收机进行时延校准。时间比对中接收机时延可以用如下公式表示[11]：

， （4）

BIPM给出了参与国际时间比对的守时实验室接收机的时延校准信息，表5给出了从BIPM提供文件中提取的NTP1和PTBB两站接收机时延数据。

表5 BIPM文件中给出的延迟参数和计算得到的总延迟 单位：ns

计算NTP1和PTBB接收机总延迟之后，以这两台接收机作为参考，对参与试验的iGMAS接收机进行校准，如图11所示。校准公式如式（7）和式（8）所示。图11中，是接收机CAB DLY，是接收机INT DLY，是接收机REF DLY。参考接收机和被校准接收机均连接相同的（为时间实验室缩写）信号。第一步，使用GPS PPP对每台接收机进行钟差解算，获得式（7）中的。再对两台接收机进行GPS PPP时间传递，所得链路钟差结果均值即为式（8）中的，引入已知的参考接收机的TOT DLY（即式（7）和式（8）中的），可计算得到被校准接收机的接收机总延迟，即完成时延校准。根据以上方法计算各站240~290天钟差结果，得到的各台接收机时延值见表6。

图11 接收机时延相对较准示意图

表6 计算得到的各接收机总时延 单位：ns

3 结语

本文以参与BIPM国际时间比对的接收机PTBB和NTP1作为参考，分别对位于PTB守时实验室的BRCH接收机，和位于NTSC守时实验室的XIA3，XIA4，XIA5，XIA6接收机搭建试验平台，对各台iGMAS接收机进行钟差分析和时延校准。综合分析表明：iGMAS跟踪站BRCH与参与BIPM国际时间比对的PTBB站钟差结果基本一致，与对照参考接收机PT11差异STD小于0.35 ns，可为BRCH站开展时间传递、授时性能评估等工作提供参考；位于NTSC守时实验室的iGMAS测试跟踪站XIA3、XIA5，与参与国际时间比对的NTP1接收机链路钟差STD小于0.5 ns，可为后期的授时服务提供参考，但其性能需要进一步提升。以PTBB和NTP1接收机校准值作为参考，对各台iGMAS接收机时延开展了相对校准。

论文相关结果可为后续基于iGMAS跟踪站的授时监测、国际时间传递及其他时间频率服务提供参考。

致谢：感谢中国科学院国家授时中心iGMAS分析中心提供的PPP解算平台；感谢中国科学院国家授时中心时间基准实验室提供NTP1数据；感谢IGS提供的高精度卫星轨道和钟差产品；感谢PTB提供高精度观测数据；感谢BIPM提供时间传递的相关数据。感谢国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn），中科院“西部之光”人才培养计划“一带一路”团队项目“北斗授时监测及其国际时间比对团队”提供资助。

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Clock analysis and delay calibration of iGMAS receivers at time-keeping laboratory

WANG Ran1,2,3, YANG Xu-hai1,2,3, SUN Bao-qi1,2,3, YANG Hai-yan1,2, ZHANG Zhe1,2,3

(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)

The stability and accuracy of the GNSS receiver delay have an important impact on the timing performance evaluation and time transfer of the international GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS) tracking stations. The iGMAS permanent tracking station BRCH is located at the German Federal Institute of Physics and Technology (PTB) and two test tracking stations XIA3 and XIA5 are located at the Xi’an Campus of the National Time Service Center (NTSC) of the Chinese Academy of Sciences. The time-delay stability of the three iGMAS receivers, i.e., BRCH, XIA3 and XIA5, was analyzed by PPP time transfer method using the GPS observation data by taking the receivers PTBB and NTP1, participated in the UTC international time comparison, as reference. Three commercial timing receivers such as PT11, XIA4, and XIA6 are simultaneously analyzed for comparison. The results indicate that: ①The delay of the three iGMAS receivers shows good long-term stability, without significant systematic change. ② The 300-day stability of BRCH receiver is, better than 0.3 ns, which is equivalent to PT11. ③ The one-day fluctuation of XIA3 and XIA5 receivers are about 2 ns, which can be calibrated by the co-antenna receivers XIA4 and XIA6. The total delay of the BRCH, XIA3, and XIA5 receivers is calibrated using the BIPM TAIPPP results. The results of this paper can be useful for subsequent timing monitoring, time transfer and other time-frequency services with iGMAS tracking stations.

international GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS); coordinated universal time (UTC); precise point positioning; receiver delay; relative calibration

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0121-09

2019-11-18；

2019-12-10

中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部青年学者”B类资助项目（XAB2018B19）

王然，女，硕士，主要从事高精度时间传递与精密测定轨研究。