王應(yīng)建,朱光耀,康濟(jì)童,謝志越

(1.61365部隊(duì),天津 300140;2.31668部隊(duì),甘肅 天水 810000)

0 引 言

遠(yuǎn)程高精度時(shí)間傳遞是實(shí)現(xiàn)異地綜合原子時(shí)計(jì)算的基礎(chǔ),其時(shí)間比對(duì)精度直接影響綜合原子時(shí)的頻率穩(wěn)定度。目前,原子鐘的頻率準(zhǔn)確度和日穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到了10-13和10-15量級(jí),要求原子鐘時(shí)間比對(duì)精度達(dá)到納秒甚至亞納秒量級(jí)。目前,參與國(guó)際權(quán)度局(BIPM)國(guó)際原子時(shí)(TAI)加權(quán)計(jì)算的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室70多個(gè),總計(jì)約500臺(tái)原子鐘[1]。典型的時(shí)間比對(duì)手段包括衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)[2]和GPS時(shí)間傳遞,其中GPS時(shí)間傳遞包括GPS共視[3](GPS CV)、GPS全視[4](GPS AV)和GPS PPP[5]。GPS PPP作為一種新興的高精度時(shí)間傳遞方法,于2006年通過(guò)了CCTF(Consultative Committee for Time and Frequency)一項(xiàng)關(guān)于“GPS CP應(yīng)用于TAI時(shí)間頻率傳遞”的建議。同時(shí),BIPM和IGS展開(kāi)了一系列試驗(yàn)計(jì)劃[8]。近年來(lái),國(guó)際上許多守時(shí)實(shí)驗(yàn)室逐漸采用GPS雙頻接收機(jī),替代GPS CV進(jìn)行GPS PPP時(shí)間傳遞,其綜合性能逐步逼近、甚至長(zhǎng)期穩(wěn)定度方面更加優(yōu)越于衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)技術(shù),具有操作性強(qiáng)、比對(duì)鏈路校準(zhǔn)便捷、價(jià)格優(yōu)惠等優(yōu)勢(shì),在所有時(shí)間傳遞鏈路中約占50%.

目前,國(guó)內(nèi)外開(kāi)源成熟的GPS PPP軟件相對(duì)較少,且大部分側(cè)重于導(dǎo)航定位功能,時(shí)間傳遞模塊相對(duì)較少。為此,本文利用RTKLIB軟件實(shí)現(xiàn)GPS PPP時(shí)間傳遞。

1 GPS PPP時(shí)間傳遞

GPS PPP時(shí)間傳遞一般采用精密單點(diǎn)定位(PPP)算法,常用的PPP觀測(cè)模型包括無(wú)電離層組合模型、UofC模型和非組合模型。本文采用無(wú)電離層組合觀測(cè)方程,其數(shù)學(xué)模型如下:

(1)

(2)

cdtj),

(3)

(4)

由式(3)和式(4),可采用卡爾曼濾波或序貫平差進(jìn)行解算。計(jì)算出的接收機(jī)鐘差dti即為接收機(jī)時(shí)鐘與參考時(shí)間基準(zhǔn)Ref的時(shí)差。因此,分處兩地的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間傳遞結(jié)果為:

δt1,2=dt1-dt2=(t1-Ref)-(t2-Ref).

(5)

2 RTKLIB

目前,國(guó)際上有關(guān)GPS PPP的開(kāi)源軟件包括RTKLIB,GPSTK和gLab等。此外, 部分研究機(jī)構(gòu)也提供了在線PPP解算功能,例如CSRS-PPP、GAPS、APPS和magicGNSS。這些軟件主要側(cè)重于導(dǎo)航定位,暫時(shí)沒(méi)有提供時(shí)間傳遞方面的功能?？紤]到導(dǎo)航定位解算與時(shí)間傳遞在很多方面的共同性,因此在已有的開(kāi)源軟件資源基礎(chǔ)上,進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)專業(yè)時(shí)頻傳遞功能。RTKLIB是由日本東京海洋大學(xué)開(kāi)發(fā)的GNSS導(dǎo)航定位軟件,支持多種實(shí)時(shí)和事后GNSS導(dǎo)航定位功能,提供了豐富的數(shù)據(jù)輸入輸出接口,例如RINEX 2、RNIEX 3、RTCM 2、RTCM 3、IONEX等,同時(shí)支持目前市場(chǎng)上多種常見(jiàn)的GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)格式。

RTKLIB提供了SPP、PPP、RTK等多種典型的GNSS應(yīng)用程序?qū)嵗?用戶可以直接進(jìn)行定位解算和數(shù)據(jù)分析。對(duì)于特殊需求用戶,RTKLIB提供了豐富的基礎(chǔ)函數(shù)庫(kù),包含了數(shù)據(jù)輸入輸出函數(shù)、模型改正函數(shù)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換函數(shù)、RTK服務(wù)器函數(shù)等。用戶可以根據(jù)專業(yè)需求,進(jìn)行便捷的二次開(kāi)發(fā),豐富和補(bǔ)充軟件功能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析RTKLIB的GPS PPP時(shí)間傳遞的精度和穩(wěn)定度,以4個(gè)IGS站BRUX、IENG、OPMT和PTBB的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行時(shí)間傳遞,測(cè)站具體信息如表1所示。

表1 TAI和IGS并置站信息

下載了2017-08-07至2017-08-21共15天的觀測(cè)數(shù)據(jù),星歷數(shù)據(jù)采用了IGR星歷和鐘差數(shù)據(jù),用于比對(duì)分析的鐘差數(shù)據(jù)采用IGS最終鐘差文件。圖1虛線所示為4個(gè)IGS站利用RTKLIB進(jìn)行GPS PPP時(shí)間比對(duì)的結(jié)果。實(shí)線表示IGS最終鐘差文件的時(shí)間比對(duì)結(jié)果。

從圖1可以看出,BRUX-PTBB、IENG-PTBB、OPMT-PTBB的解算結(jié)果與IGS最終鐘差基本保持一致,尤其是BRUX-PTBB、IENG-PTBB.然而,OPMT-PTBB部分時(shí)間存在較大跳變,這主要是因?yàn)镺PMT測(cè)站缺少2017-08-16和2017-08-19兩天的觀測(cè)數(shù)據(jù),導(dǎo)致重新解算需要一定的收斂時(shí)間,實(shí)際上,經(jīng)收斂后其解算結(jié)果基本與IGS最終鐘差吻合。

為進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析RTKLIB時(shí)間比對(duì)結(jié)果的精度,以IGS最終鐘差為參考值計(jì)算三條鏈路的時(shí)間比對(duì)殘差,其中OPMT-PTBB僅統(tǒng)計(jì)收斂后的結(jié)果,如圖2所示。

表2 比對(duì)鏈路的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 ns

從圖2和表2可以看出,三條比對(duì)鏈路的估計(jì)鐘差的絕對(duì)殘差約-0.6～0.4 ns,RMS約0.1～0.2 ns,平均值約-0.15～0.05 ns.因此,RTKLIB的時(shí)間比對(duì)結(jié)果與IGS最終鐘差具有較好的一致性。

進(jìn)一步分析RTKLIB時(shí)間傳遞的頻率穩(wěn)定度,由于OPMT測(cè)站丟失了兩天的觀測(cè)數(shù)據(jù),僅計(jì)算了BRUX-PTBB和IENG-PTBB的Allan方差,如圖3所示。

從圖3可以看出,利用RTKLIB進(jìn)行時(shí)間傳遞,其天頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到1.5×10-15～2.5×10-15,與當(dāng)前BIPM守時(shí)實(shí)驗(yàn)室GPS PPP時(shí)間比對(duì)的穩(wěn)定度相當(dāng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前開(kāi)源成熟的GPS PPP軟件較少,且大多側(cè)重于導(dǎo)航定位功能,時(shí)間傳遞的模塊較少。簡(jiǎn)要介紹了GPS PPP時(shí)間傳遞的基本原題,利用RTKLIB進(jìn)行高精度遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞,以IGS最終鐘差產(chǎn)品為參考分析了RTKLIB時(shí)間傳遞的性能,其絕對(duì)殘差約-0.6～0.4 ns,RMS約0.1～0.2 ns,天穩(wěn)定度達(dá)到了1.5×10-15～2.5×10-15.后期,將利用RTKLIB軟件開(kāi)源的優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步拓展在高精度時(shí)頻傳遞方面的應(yīng)用。