GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院国家授时中心) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jswrde
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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。GNSS载波相位时间传递作为一种时间传递手段具有测量精度高等特点,多年来一直是国内外GNSS时间频率传递领域的研究热点,其实现方式主要有非差PPP、站间单差Phase-CV和网解法。相比GNSS共视和卫星双向时间频率传递技术,GNSS载波相位时间传递具有良好的短期频率稳定度和更高的分辨率,其典型代表GPS PPP结果自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,由于测站钟差估计结果在天与天边界处存在时间跳变现象,造成GNSS载波相位时间传递出现不连续问题,导致无法通过GNSS载波相位时间传递技术更加准确反映连续实时运行着的两地时钟的性能,严重影响两地时钟比对的长期频率稳定度提升,尤其限制了GNSS载波相位时间传递技术在基准频标比对、高精度远程时间频率校准、VLBI站时间同步等高精度领域的应用。尤其随着近年来Galileo、BDS等星座的逐步完善和MGEX精密轨道和钟差产品的出现,GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差也表现出新的特点,因此研究GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差的产生原因和改正方法显得尤为重要。本文针对GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间和频率传递的影响以及改正方法进行了深入的研究。主要研究内容及结论如下:(1)PPP测站钟差估计结果和GNSS精密产品的不连续性日界不连续误差的统计特性分析是研究其产生原因和改正方法的基础。对不同测站PPP钟差估计结果中日界不连续误差进行统计后发现,PPP钟差估计结果中日界不连续误差与测站相关,大多数测站钟差估计结果中日界不连续误差服从高斯分布且量值小于1ns,但是个别测站钟差估计结果中日界不连续误差甚至大于1.5ns。增加批单元长度时,相邻批单元间的不连续误差均值和STD均增大,但是与批长度不成线性比例关系。GNSS钟差产品存在不连续性,IGS提供的GPS综合钟差产品的不连续性小于100ps,各分析中心提供的GPS钟差产品不连续性甚至大于250ps。各MGEX分析中心的Galileo和BDS-2钟差产品不连续性相对较大。(2)日界不连续误差的产生原因由于载波相位噪声相对码噪声其量值很小,因此传统地认为导致PPP测站钟差估计结果中日界不连续误差产生的因素只有码噪声。然而精密轨道和钟差产品、PPP数据采样率、批单元长度等因素对PPP测站钟差估计至关重要,这些因素是否会引起测站钟差估计结果中日界不连续误差的产生呢?研究结果表明,采用IGS 30s精密钟差产品的PPP测站钟差估计结果中日界不连续误差量值小于采用5min钟差产品时的测站钟差估计结果中日界不连续误差。随着PPP数据采样率由30s减小为1min、5min和10min,测站钟差估计结果中日界不连续误差量值随之增大。而且,随着PPP数据处理批长度增加,批单元间的不连续误差增大,批单元内的不连续误差减小。试验证明,目前IGS提供的综合产品的不连续性对PPP测站钟差估计和时间传递的影响基本可以忽略,然而IGS或MGEX各分析中心单独提供的精密产品的不连续性对测站钟差估计和时间传递中日界不连续误差的影响不可忽略,是引起PPP测站钟差估计结果和时间传递中日界不连续误差产生的重要因素,使测站钟差估计和时间传递结果的长期频率稳定度降低,尤其当采用不连续性较大的精密钟差产品时。另外,采用BDS-2 PPP进行时间传递时,测站钟差估计和时间传递结果中日界不连续误差随BDS-2不同星座卫星观测数据而变化,尤其当采用GEO观测数据时测站钟差估计和时间传递结果中日界不连续误差较大。(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常认为测站钟差估计结果中日界不连续误差只影响GNSS载波相位时间传递,频率传递不受影响。本文通过理论分析和实验数据验证,日界不连续误差不仅影响时间传递,而且影响频率传递。日界不连续误差使GNSS载波相位时间传递的时间稳定度降低,无法准确反映两地时钟的相对变化,甚至导致时间传递失败;使两测站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)GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差改正方法研究测站钟差估计结果的连续性对实现两测站连续时间传递至关重要。测站钟差估计结果中日界不连续误差导致时间传递的不连续,是实现连续GNSS载波相位时间传递的最大障碍,继而影响时间传递准确度和长期频率稳定度的提升,因此研究GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差的改正方法至关重要。本文在研究移位重叠法和更长批单元法减小日界不连续误差的基础上,提出滑动重叠最小二乘批处理Network法,显著减小了GNSS载波相位时间传递中日界不连续误差,提高了时间传递的准确度和频率稳定度,适用于单系统或多系统融合的GNSS载波相位时间传递,可更加准确地反映两个守时实验室间的时间偏差及时钟的稳定性。另外,针对GPS IPPP测站钟差估计时宽巷和窄巷模糊度固定过程引起时间传递结果的不连续问题,本文采用线性插值的外推法在准确估计若干整周窄巷波长后,消除了IPPP时间传递结果在相邻批单元间的不连续现象,实现了连续的GPS IPPP时间传递,显著提高了频率传递长期稳定度。
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