蔚立軍，吳碩先

(1.云南經濟管理學院工程學院，云南 昆明 650000； 2.水發(fā)規(guī)劃設計有限公司，山東 濟南 250100)

0 引 言

衛(wèi)星鐘差是指單個GNSS衛(wèi)星的星載原子鐘的鐘面時與系統時之間的偏差。由于衛(wèi)星所處的太空環(huán)境復雜，受輻射、重力、溫度等因素的影響，星載原子鐘的性能會發(fā)生變化，導致其鐘面時與系統時之間的偏差也在變化。接收機鐘差是指單個接收機時鐘的鐘面時與系統時之間的偏差，與衛(wèi)星鐘差類似，受所處環(huán)境影響，接收機的鐘差也在不斷變化。由于性能較優(yōu)的原子鐘成本過高，接收機上普遍裝配性能較差的石英鐘，只有少數重要測站配有外接原子鐘，所以接收機鐘的鐘差量級和穩(wěn)定性較差。

在GNSS應用中，鐘差是十分重要的參數信息，其精度直接影響GNSS的服務水平，如在定位和導航服務中，必須已知一定精度的衛(wèi)星鐘差，才能解算出相應水平的位置信息。接收機鐘差通常是用戶端在實施定位、授時應用時依靠觀測數據解算出的一類參數，在服務端解算高精度的增強信息過程中也扮演著重要角色。衛(wèi)星鐘差通常利用IGS提供的全球跟蹤站的觀測數據解算，解算過程一般選擇接收機鐘作為時間基準。為獲得高質量的衛(wèi)星鐘差，選做基準的時鐘性能在上述過程中起著至關重要的作用。選擇穩(wěn)定的接收機鐘作為鐘差基準，能夠確保衛(wèi)星鐘差產品的質量，進而正確反映衛(wèi)星鐘的性能，以便更好地對衛(wèi)星鐘差進行建模和預報。

因此，針對測站的接收機鐘實施性能分析，并篩選出性能穩(wěn)定、量級可靠的測站，可作為服務端解算高精度衛(wèi)星鐘差時的時間基準，進而保證GNSS應用中涉及高質量衛(wèi)星鐘差產品的服務。

利用GNSS實現各種應用尤其是高精度應用時，衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差和衛(wèi)星相位偏差等參數是不可或缺的信息[6]。接收機鐘差是實現高精度應用時的重要信息，是指接收機鐘面時與系統時之間的偏差，在實際應用中是不可避免的。通常，用戶端在實施定位或授時活動時，或者服務端在解算衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差等增強信息時，接收機鐘差常作為其中的待估參數參與解算。接收機鐘差來源于接收機必需的組成部分：內置石英鐘或外接原子鐘，不僅可以參與上述觀測方程的解算，也可用于評估接收機鐘的性能。配備高精度和高穩(wěn)定性接收機鐘的測站常用于定義和維持特定的時間系統，或在精密衛(wèi)星鐘差解算時被選做基準[7-8]。

圖1 實驗處理的IGS測站分布 Fig.1 Distribution of IGS stations processed by experiment

目前，國內外對接收機鐘差的研究，主要集中于接收機鐘的穩(wěn)定性、外界環(huán)境對接收機鐘性能的影響、精密單點定位應用中對接收機鐘差建模的益處、接收機鐘差在衛(wèi)星鐘差估計中的處理策略等。如Wang Kan等通過分析接收機鐘差與外界溫度的關系，得出接收機鐘差與溫度具有較強的相關性[9]；張小紅等[10]、Wang Fuhong等[11]通過分析接收機鐘的性能并對接收機鐘差建模，提高了精密單點定位的精度；陳永昌等[12]通過分析與接收機鐘差相關的通道內偏差(inter-channel bias, ICB)的特征，得出適用于GPS和GLONASS系統聯合解算衛(wèi)星鐘差時的最優(yōu)策略。多項研究表明：針對接收機鐘差的研究在GNSS領域占有重要席位，相關成果不僅在定位等相關應用中發(fā)揮著重要作用，在衛(wèi)星鐘差的解算中也起著積極作用。

1 研究實驗設計與實施

1.1 數據選取

考慮到IGS測站均配備質量和性能較高的接收機，可連續(xù)運行幾年至十幾年，更新換代的頻率較低。因此，在實驗數據選取方面，無需處理長期的觀測數據即可評估接收機時鐘的性能。實驗處理的數據為IGS所有測站在GPS時2050和2051周的數據，測站總數252個，分布如圖1所示。

除直接解算接收機鐘差外，本文獲取接收機鐘差的途徑還包括從IGS最終的鐘差產品中提取數據，以減少計算量、提高程序運行效率。此外，在解算接收機鐘差過程中，實驗所需的精密軌道、地球定向參數、電離層高階改正信息等，均采用IGS最終的高精度產品，以保證解算結果的精確性。

1.2 研究實驗方案

本研究實驗的詳細流程如下。

1)數據獲取部分。數據獲?。豪米杂械臄祿螺d軟件，登錄武漢大學數據中心服務器ftp://igs.gnsswhu.cn，獲取所有IGS測站GPS時2050、2051周的觀測數據，以及相應的衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、對流層等最終產品。

2)數據預處理部分。①數據檢核：對獲取的數據進行質量檢核，剔除存在觀測質量較差、數據缺失嚴重等問題的測站或觀測值；同時利用相位平滑偽距的方法，探測和修復相位觀測值中存在的周跳問題。②接收機鐘差提?。簭腎GS提供的最終鐘差產品中提取IGS測站的接收機鐘差，供后續(xù)分析和評估使用。

圖2 實驗流程Fig.2 Experimental flow

3)數據處理部分。①接收機鐘差解算：由于PPP技術可解得的測站坐標精度為厘米級，相應的接收機鐘差量級優(yōu)于0.1 ns，因此采用該技術解算接收機鐘差，既能滿足鐘差精度的要求，又能提高解算海量接收機數據的效率。因此，本方案利用Bernese軟件，結合PPP精密單點定位技術，對未在鐘差產品中提取到的測站實施接收機鐘差解算，獲取接收機鐘差結果。②接收機鐘差量級分析：分別處理各個測站的接收機鐘差序列，統計一天的量級范圍以及所有天的量級均值。③接收機鐘穩(wěn)定性分析：利用Allan方差法分析各測站、各天的接收機鐘差序列，獲取接收機時鐘的短期和長期穩(wěn)定性信息。

4)小結。鐘差基準站選?。航Y合接收機鐘穩(wěn)定性信息和鐘差量級范圍，對接收機性能進行排序，最后選擇穩(wěn)定性較高且量級范圍較低的測站，作為鐘差基準備選站。上述實驗流程如圖2所示。

2 數據分析

表1 接收機鐘差量級范圍統計

根據既定實驗方案，解算所有IGS測站的接收機鐘差(時間系統為GPS時)。成果主要包括：根據接收機鐘差的量級信息，統計不同量級的接收機數量及對應測站；根據接收機鐘差的時間序列，統計不同接收機鐘的穩(wěn)定性及對應測站；綜合量級和穩(wěn)定性信息，列出適用于在精密衛(wèi)星鐘差解算中，作為鐘差基準的站列表。

2.1 接收機鐘差量級信息

對2050、2051周452個測站的接收機鐘差進行量級統計，不同量級對應的測站數量如表1所示。

由表1中信息可知：

1)IGS測站的接收機鐘與系統時間的偏差量級絕大部分優(yōu)于1×10-3s(1 ms)，占比約98.7%。這個量級能夠保證接收機完成捕獲信號等任務。

2)大部分接收機鐘差的量級優(yōu)于1×10-7s，測站數為262個，占比約58.0%。

3)有相當一部分接收機的鐘差量級在納秒級(<1×10-8s)，測站數為74個，占比約16.4%。

綜合鐘差量級的統計信息可知，IGS測站的接收機時鐘與系統時之間的偏差能夠滿足日常運行的需求，并且有足夠多的測站配備的接收機時鐘與系統時間的偏差較小，甚至有70多個測站的接收機鐘與GPS時之間的偏差在納秒級別，所以在選擇IGS站做鐘差基準時有充足的空間。

2.2 接收機鐘穩(wěn)定性信息

本實驗對2050、2051周452個測站的接收機鐘差序列進行短期和長期穩(wěn)定性分析，如圖3所示。

圖3展示了所有接收機的鐘差在不同平滑時間下對應的Allan方差數值，平滑時間分別為 300 s、600 s、1 200 s、2 400 s、4 800 s、9 600 s、19 200 s、38 400 s、76 800 s、86 400 s。由圖中數據可得，除個別站外，IGS測站的接收機鐘差的平滑時間越長穩(wěn)定性越好，絕大部分的接收機鐘天穩(wěn)定性較好，而短期穩(wěn)定性參差不齊，如300 s的平滑時長對應數值。

在選擇可作為鐘差基準的測站時，本項目考慮平滑時間分別為300 s和 86 400 s的短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性，相應的Allan方差數值量級對應的測站數如表2所示。

表2 接收機鐘穩(wěn)定性量級范圍統計

由表2的統計信息可知：1)大部分IGS測站的接收機鐘長期穩(wěn)定性較好(天穩(wěn))，量級優(yōu)于1×10-13，占比約65.0%；2)大部分測站的短期穩(wěn)定性(300 s)集中在1×10-12～1×10-11區(qū)間；3)短期穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-12的數量占比約24.1%。

由穩(wěn)定性的統計信息可知，IGS測站的接收機鐘具有較高的穩(wěn)定性，而且短期和長期穩(wěn)定性較高的測站數量較多?？紤]到在解算鐘差產品時，幾十個測站即可被選做鐘差基準，因此裝有高穩(wěn)定性接收機鐘的測站數量能夠滿足要求。

綜合鐘差的量級信息，以及時鐘的短、長期穩(wěn)定性信息，制定可作為鐘差基準的標準為：1)鐘差的量級優(yōu)于1×10-7s；2)時鐘的短期穩(wěn)定性優(yōu)于0.5×10-12；3)時鐘的長期穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-13。基于此，篩選出以下滿足要求的測站共138個，即：ABPO、ALBH、ANMG、ARUC、ASCG、AUCK、BAIE、BAKE、BAKO、BAMF、BELE、BILL、BNOA、BOR1、BRAZ、BRST、BSHM、CAGS、CAS1、CCJ2、CHPG、CHTI、CIT1、CKIS、CKSV、COCO、COSO、CRFP、CRO1、CUUT、CZTG、DAE2、DAEJ、DAKR、DARW、DGAR、DLF1、DUND、DYNG、ESCU、FAIR、FALK、FLIN、FRDN、GAMB、GANP、GCGO、GLSV、GOP6、GOPE、HAMD、HNUS、HOB2、HOLB、IISC、INVK、IQAL、ISHI、JCTW、JOZ2、JPRE、KARR、KERG、KIR8、KIRI、KOUC、KZN2、MAJU、MAYG、MBAR、MCHL、MCIL、METG、MOBS、MOIU、MONP、MORP、MQZG、MRC1、MRO1、MTKA、NANO、NAUR、NIUM、NTUS、ONS1、OP71、OWMG、PALM、PARK、PERT、PICL、POAL、POVE、PTVL、RDSD、REUN、RGDG、SALU、SAMO、SAVO、SCH2、SCIP、SEYG、SFDM、SHE2、SOLO、SPTU、STK2、STR2、SUTH、SUWN、SYOG、TABL、TLSE、TOPL、TOW2、TSK2、TSKB、UCAL、UCLU、UFPR、ULDI、UNB3、URAL、VALD、VIS0、WGTN、WIDC、WILL、WTZR、XMIS、YAR3、YARR、YEBE、ZAMB、ZIM2、ZIMM。

3 研究結論

接收機鐘是接收機正常運行必不可少的設備，其與時間系統之間存在的鐘差是GNSS領域一項重要的參數，在用戶端和服務端均不可或缺。本項目主要立足服務端在衛(wèi)星鐘差解算時對鐘差基準的需求，挑選適合做基準的測站。

通過實驗，分析了所有IGS測站接收機鐘的鐘差量級和穩(wěn)定性，主要得出的結論有：

1)IGS作為國際上知名的GNSS服務組織，其維護和管理的測站在全球分布均勻，能夠連續(xù)觀測衛(wèi)星導航系統的衛(wèi)星，為服務端的建設提供充足的數據。

2) 所有IGS測站配備的接收機鐘的時鐘與系統時之間的偏差(即鐘差)較小，即接收機鐘差的量級大部分優(yōu)于1×10-7s，占比約58.0%，且有74個測站的鐘差量級在納秒級別。

3)所有IGS測站配備的接收機鐘的穩(wěn)定性較高，主要體現在短期和長期穩(wěn)定性均較高，大部分的短期(300 s)穩(wěn)定性集中在1×10-12～1×10-11區(qū)間，優(yōu)于1×10-12的數量占比約24.1%，而長期穩(wěn)定性(天穩(wěn))優(yōu)于1×10-13的測站數眾多，占比約65.0%。

綜合本次研究的結果，可見IGS組織在GNSS領域使用的接收機質量可靠，尤其在接收機鐘的性能上，能夠達到很高的水平。按照既定實驗目的，得出的實驗結果和結論能夠在GNSS服務端解算鐘差時提供可靠的鐘差基準選取方案。