張立，孫保琪，武文俊，葛玉龍，欽偉瑾，楊旭海

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基于IGS MGEX產(chǎn)品分析GPS PPP時(shí)間傳遞

張立1,2,3，孫保琪1,2,3，武文俊1,2，葛玉龍1,2,3，欽偉瑾1,2，楊旭海1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048）

基于Bernese 5.2軟件，利用精密單點(diǎn)定位（PPP）的方法，分別采用只包含GPS單系統(tǒng)的IGS快速、最終產(chǎn)品和由IGS多GNSS實(shí)驗(yàn)（MGEX）先導(dǎo)項(xiàng)目分析中心GFZ和CODE提供的包含4系統(tǒng)的產(chǎn)品，共4種不同的精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,對(duì)PTB-NTSC和PTB-ROB兩條國(guó)際時(shí)間比對(duì)鏈路2個(gè)月的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間傳遞試驗(yàn)。選取使用IGS快速產(chǎn)品的時(shí)間傳遞結(jié)果為參考，以其他產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果與參考值的差異來(lái)評(píng)價(jià)不同精密產(chǎn)品尤其是包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品對(duì)GPS PPP時(shí)間傳遞的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果差異的RMS在0.1ns左右，驗(yàn)證了MGEX多系統(tǒng)產(chǎn)品可以用于GPS PPP時(shí)間傳遞。考慮到MGEX產(chǎn)品本身的自洽性，該結(jié)果可以為后續(xù)基于MGEX產(chǎn)品進(jìn)行北斗、Galileo PPP時(shí)間傳遞提供參考。

MGEX；衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品；精密單點(diǎn)定位；時(shí)間傳遞

0 引言

精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）是20世紀(jì)90年代以來(lái)在大地測(cè)量領(lǐng)域興起的一種精密定位技術(shù)[1-2]。該技術(shù)利用精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，使用GNSS接收機(jī)的雙頻碼偽距和載波相位觀測(cè)值，單點(diǎn)定位精度可達(dá)厘米級(jí)[3-4]。2006年以來(lái)，PPP技術(shù)開(kāi)始被引入到時(shí)間傳遞領(lǐng)域[5]。2009年開(kāi)始，GPS PPP成為國(guó)際原子時(shí)（TAI）例行時(shí)間傳遞技術(shù)之一[6]。根據(jù)BIPM公布的T公報(bào)顯示，截至2017年1月，在參與國(guó)際時(shí)間比對(duì)的76個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室中，有28個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室采用了GPS PPP的方法，有10個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用了衛(wèi)星雙向與PPP結(jié)合的方法。國(guó)際時(shí)間權(quán)度局（BIPM）計(jì)算的GPS PPP國(guó)際時(shí)間比對(duì)精度在0.3 ns左右[7]。

近年來(lái)，隨著北斗、Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，基于多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS PPP技術(shù)有望為國(guó)際時(shí)間比對(duì)提供更高的精度和可靠性。目前GPS PPP國(guó)際時(shí)間比對(duì)采用的IGS快速產(chǎn)品，只包含GPS單系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道和鐘差。而進(jìn)行北斗、Galileo PPP時(shí)間比對(duì)需要使用多系統(tǒng)產(chǎn)品。

當(dāng)前IGS多GNSS試驗(yàn)先導(dǎo)項(xiàng)目MGEX（the multi-GNSS experiment and pilot project）提供了各分析中心解算的包含4系統(tǒng)的軌道和鐘差產(chǎn)品。高玉平、殷龍龍等學(xué)者分別分析了不同精度的IGS產(chǎn)品GPS單系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)GPS共視和PPP時(shí)間傳遞的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：IGS提供的不同精度的產(chǎn)品會(huì)對(duì)時(shí)間傳遞結(jié)果造成一定影響，但均滿足共視和PPP時(shí)間比對(duì)的精度要求[8-9]。但是目前較少有關(guān)于包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品對(duì)PPP時(shí)間傳遞影響研究。為了確保使用MGEX產(chǎn)品進(jìn)行PPP時(shí)間傳遞的精度，有必要對(duì)所采用的MGEX精密產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證。本文以GPS數(shù)據(jù)為例，通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)MGEX產(chǎn)品對(duì)PPP時(shí)間傳遞的影響?？紤]到產(chǎn)品自身的自洽性，試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)橥划a(chǎn)品中的北斗、Galileo等新興系統(tǒng)進(jìn)行PPP時(shí)間傳遞提供參考。

1 PPP時(shí)間傳遞原理

1.1 PPP數(shù)學(xué)模型

碼偽距和載波相位觀測(cè)方程具體如下：

PPP使用非差雙頻組合觀測(cè)值消除電離層（一階項(xiàng)）影響，其表達(dá)式為

衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差使用厘米/亞納秒級(jí)精密產(chǎn)品，對(duì)流層延遲干分量一般由模型修正，濕分量作為未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

1.2 GPS PPP時(shí)間傳遞

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及精密產(chǎn)品

試驗(yàn)從BIPM國(guó)際時(shí)間比對(duì)網(wǎng)選取NTP1，PTBB和BRUX 3個(gè)GNSS時(shí)間比對(duì)站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。這3個(gè)時(shí)間比對(duì)站分別由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）和比利時(shí)皇家天文臺(tái)（ROB）3個(gè)國(guó)際重要的時(shí)間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行維護(hù)。跟蹤站接收機(jī)、天線配置及外接參考鐘情況詳見(jiàn)表1。觀測(cè)數(shù)據(jù)自年積日2016-160（2016年第160天）開(kāi)始，到年積日2016-221結(jié)束，共持續(xù)62 d，采樣間隔為30 s。

從IGS數(shù)據(jù)中心下載相應(yīng)時(shí)段的IGR，IGS，GBM和COM 4種不同的精密軌道和鐘差產(chǎn)品。其中IGR和IGS分別表示IGS快速和IGS最終產(chǎn)品，GBM和COM分別表示IGS MGEX分析中心GFZ和CODE提供的包含4系統(tǒng)的產(chǎn)品。

表1 站點(diǎn)設(shè)備列表

采用Bernese 5.2軟件，基于PPP方法，分別利用4種不同的精密產(chǎn)品對(duì)3個(gè)跟蹤站62 d的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算得到各站接收機(jī)鐘差時(shí)間序列。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及誤差修正

周跳探測(cè)和粗差剔除是數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的關(guān)鍵技術(shù)，Bernese 5.2軟件在進(jìn)行PPP解算時(shí)，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要由程序RNXSMT完成。首先，采用Melbourne-Wubbena組合判斷周跳和粗差發(fā)生與否。若發(fā)生周跳，則通過(guò)無(wú)幾何距離組合檢測(cè)周跳大小。再通過(guò)消電離層組合探測(cè)由碼觀測(cè)值粗差引起的剩余粗差。最后，通過(guò)載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)碼觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。誤差改正模型詳見(jiàn)表2。

表2 GPS PPP數(shù)據(jù)處理中的誤差改正模型

2.3 參數(shù)估計(jì)

目前，Bernese 5.2軟件采用最小二乘法進(jìn)行PPP的參數(shù)估計(jì)[11]。PPP在參數(shù)估計(jì)時(shí)待估參數(shù)包括4類，即測(cè)站位置坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、天頂對(duì)流層延遲以及各衛(wèi)星連續(xù)觀測(cè)弧段內(nèi)的載波相位模糊度[12]。

2.4 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)解算得到的接收機(jī)鐘差，分別計(jì)算4種不同產(chǎn)品情況下，PTBB-NTSC和PTBB-BRUX鏈路的時(shí)間傳遞結(jié)果。由于BIPM基于IGS快速產(chǎn)品計(jì)算國(guó)際原子時(shí)，所以本文參考BIPM的方法，以IGR產(chǎn)品解算得出的鏈路結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其他產(chǎn)品在同一鏈路時(shí)間傳遞結(jié)果的差異。

3 結(jié)果與分析

以基于IGR產(chǎn)品的鏈路時(shí)間傳遞結(jié)果為基準(zhǔn)，分別與IGS，GBM和COM 3種不同的精密產(chǎn)品的時(shí)間傳遞結(jié)果作差，結(jié)果如圖2至圖7所示。

圖2 PTBB-NTSC鏈路時(shí)間傳遞IGS-IGR作差結(jié)果

圖3 PTBB-BRUX鏈路時(shí)間傳遞IGS-IGR作差結(jié)果

圖4 PTBB-NTSC鏈路時(shí)間傳遞GBM-IGR作差結(jié)果

圖5 PTBB-BRUX鏈路時(shí)間傳遞GBM-IGR作差結(jié)果

圖6 PTBB-NTSC鏈路時(shí)間傳遞COM-IGR作差結(jié)果

圖7 PTBB-BRUX鏈路時(shí)間傳遞COM-IGR作差結(jié)果

表3 同一鏈路不同產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果差異統(tǒng)計(jì) ns

圖（2），（4）和（6）分別為PTBB-NTSC鏈路使用IGS，GBM和COM產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果的差值；圖（3），（5）和（7）分別為PTBB-BRUX鏈路使用IGS，GBM和COM產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果與使用IGR產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果的差值；表3為不同產(chǎn)品時(shí)間傳遞結(jié)果差異的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從以上圖表可知，除基于COM的PTBB-BRUX結(jié)果外，兩條鏈路不同產(chǎn)品計(jì)算的時(shí)間傳遞結(jié)果差異標(biāo)準(zhǔn)差STD和均方根RMS均在0.1 ns左右，約為當(dāng)前GPS PPP國(guó)際時(shí)間傳遞的不確定度水平的1/3。不考慮COM-IGR，對(duì)于同一產(chǎn)品對(duì)，PTBB-BRUX鏈路差異的STD和RMS均略小于PTBB-NTSC鏈路。綜合2條鏈路來(lái)看，在IGS產(chǎn)品與IGR產(chǎn)品的結(jié)果差異最小，且沒(méi)有顯著的偏差。對(duì)于PTBB-NTSC鏈路，包含多系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品GBM和COM結(jié)果基本一致，均與IGS快速和最終產(chǎn)品結(jié)果間存在約40 ps的偏差。對(duì)于PTBB-BRUX鏈路，GBM產(chǎn)品與IGS產(chǎn)品結(jié)果基本一致，沒(méi)有顯著的偏差；COM產(chǎn)品的比較結(jié)果略顯異常，存在約0.1ns的偏差，STD也比GBM和IGS產(chǎn)品略大。初步分析發(fā)現(xiàn)，這種異常跟COM產(chǎn)品解算的測(cè)站坐標(biāo)有一定的相關(guān)性。

4 結(jié)語(yǔ)

利用不同的GNSS精密軌道和鐘差產(chǎn)品，對(duì)PTBB-NTSC和PTBB-BRUX兩條國(guó)際時(shí)間比對(duì)鏈路62 d的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了GPS PPP時(shí)間傳遞試驗(yàn)。結(jié)果表明，包含4系統(tǒng)的MGEX產(chǎn)品與IGS快速、最終產(chǎn)品的差異量級(jí)為0.1 ns，能夠應(yīng)用到當(dāng)前的GPS PPP國(guó)際時(shí)間比對(duì)中?？紤]到MGEX精密產(chǎn)品本身的自洽性，這一結(jié)果可以為后續(xù)基于MGEX產(chǎn)品進(jìn)行北斗和Galileo PPP時(shí)間傳遞提供一定參考。

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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

張立，男，碩士，主要從事高精度時(shí)間比對(duì)技術(shù)研究。

TN927+.2

A

1674-0637(2018)02-0088-07

2017-11-21；

2017-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41104021）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（11173026）

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