GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究

张向波

1. 中国科学院国家授时中心,陕西 西安 710600; 2. 中国科学院大学,北京 100094; 3. 中国科学院时间频率基准重点实验室,陕西 西安 710600

高精度远程时间传递技术是实现两地时钟比对的重要手段,是实现地方协调世界时UTC(k)与国际UTC建立联系的技术支撑,是国际原子时(TAI)计算的基础。作为GNSS载波相位时间频率传递技术的典型代表,基于全球定位系统(GPS)的精密单点定位(PPP)自2009年开始被国际权度局(BIPM)用于TAI计算,时间传递精度可达亚纳秒量级。然而,由于伪码噪声影响,使得PPP相位模糊度失去了整数特性,时间传递结果在相邻天边界历元处出现“不连续”现象,导致无法通过PPP时间传递更加准确反映两地实时连续运行时钟的性能,严重影响PPP时间传递长期频率稳定度的提升,也限制了PPP时间传递在铯喷泉钟等基准频标比对中的应用。论文围绕PPP时间传递结果日界不连续误差这一核心问题,按照从GPS单系统到GPS/BDS多系统,从理论研究到试验验证的模式,系统深入地研究了日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间频率传递的影响及改正方法。主要研究内容及结论如下。

(1) PPP测站钟差和GNSS精密产品的不连续性问题。对不同测站PPP钟差估计结果日界不连续误差进行大量统计分析和试验验证。主要研究结论为:①日界不连续误差与测站接收机多径、硬件时延及周围温度变化紧密相关;对大多数PPP测站钟差来说,日界不连续误差表现出随机游走噪声特性,基本服从高斯分布。②不连续误差的均值和标准偏差均与PPP数据处理批单元长度相关,但是与批长度不成线性比例关系。③IGS提供的综合钟差产品日界不连续误差水平较小,而各分析中心单独提供的精密钟差产品日界不连续误差较大,而且Galileo和BDS钟差产品不连续误差大于GPS产品,归因于卫星钟本身的不稳定性以及钟差产品生成策略。

(2) 日界不连续误差的产生原因。通过理论分析和试验验证,研究了导致PPP测站钟差日界不连续误差产生的原因。试验结果表明:不仅包括码噪声,而且GNSS精密产品的不连续性、数据采样率、批单元长度,以及午夜时刻北斗不同星座观测数据质量均是导致GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差产生的直接原因。

(3) 日界不连续误差对GNSS载波相位时间和频率传递的影响。通过构建数学模型和试验验证开展日界不连续误差对两地时钟比对和频率传递影响的算法研究。主要研究结论为:①日界不连续误差影响PPP时间传递的准确度和时间稳定度,使时间传递稳定度降低,无法准确反映两地时钟的相对变化。②两地频标比对时,日界不连续误差使得两地频标相对频率偏差估计结果在相邻批单元边界处出现跳变,难以准确估计总时段中相对频率偏差,影响频率传递长期稳定度。

(4) 日界不连续误差改正方法。针对移位重叠和更长批单元法存在的缺点以及为规避PPP受外部精密产品不连续性影响,并能适应GNSS多系统融合PPP连续时间传递的需求,开展固定模糊度GPS IPPP法和滑动重叠批处理Network法消除日界不连续误差的研究。主要研究结论为:①采用线性插值的外推法在准确估计若干整数倍窄巷波长后,可消除日界不连续误差影响,实现固定模糊度的IPPP连续时间传递,实现了连续的GPS IPPP时间传递,提高了PPP频率传递的长期稳定度。②滑动重叠最小二乘批处理Network法不仅可以规避外部精密产品不连续性带来的影响,而且可以减小码噪声,批单元间的相位模糊度不确定度减小,可有效消除日界不连续误差,实现了连续的GNSS多系统PPP时间传递,不仅提高了两地时钟比对准确度,而且提高了频率传递长期稳定度和链路的稳健性。