基于GNSS載波相位的守時系統遠程性能評估方法研究

施敏琳 張向波 趙當麗 孫保琪 武建鋒

1 中國科學院國家授時中心,西安市書院東路3號,710600 2 中國科學院大學,北京市玉泉路19號甲,100049 3 中國科學院時間頻率基準重點實驗室,西安市書院東路3號,710600

高精度遠程時間傳遞技術是實現兩地時鐘比對、測試評估守時系統性能的重要手段。常用的高精度遠程時間傳遞技術主要有衛星雙向時間頻率傳遞(two way satellite time and frequency transfer,TWSTFT)、全球導航衛星系統(global navigate satellite system,GNSS)時間頻率傳遞、光纖時間頻率傳遞等[1-3]。TWSTFT和光纖時間頻率傳遞的頻率穩定度較GNSS時間頻率傳遞法更優,但設備及實施費用昂貴;GNSS時間頻率傳遞具有設備簡單、操作方便、成本低等優點。

GNSS時間頻率傳遞是遠程時頻傳遞的關鍵技術之一[4-5]。根據采用GNSS觀測值和觀測模型的不同,GNSS時間頻率傳遞可分為GNSS CV、AV、載波相位時間傳遞(carrier phase time transfer,CP TT)法。其中GNSS CP TT由于采用載波相位作為基本觀測量,測量精度比碼偽距高2～3個數量級,時間傳遞準確度和頻率傳遞短期穩定度均更優[6-7],并且從20世紀90年代開始就成為GNSS時間頻率傳遞的研究熱點,其典型代表GPS PPP自2009年就被國際權度局(BIPM)用于國際原子時(TAI)和協調世界時(UTC)的計算[8]。

守時系統是時頻信號產生的基礎,尤其是氫鐘、銫鐘等組成的高精度守時系統對國民經濟和國防建設至關重要。高精度守時系統組成復雜,很難用常規手段對其性能進行測試評估,這會給守時系統定期檢測與校準造成很大困難。為解決該問題,國內外學者相繼提出基于GNSS CV和AV的遠程測試方法[9]。研究表明,基于GPS CV和AV可實現時間測量優于5 ns、頻率測量優于6×10-14/d[10]。GNSS載波相位共視(PCV)和PPP時間測量均優于百ps量級,頻率穩定度優于10-15/d。因此,近兩年來國家時間頻率體系建設中頻率穩定度設計指標為10-15/d量級的守時系統測試評估工作,可采用GNSS PCV和PPP時間傳遞法來展開。

為測試評估國家時間頻率體系所建守時系統的性能,采用PCV和PPP遠程測試方法評估待測守時系統的相對頻率偏差、頻率穩定度等特性。結果表明,PPP和PCV法可準確測量并反映守時系統的真實性能,可為下一步在建守時系統的測試驗收打下堅實基礎。

1 GNSS CP TT數學模型

基于碼偽距和載波相位測量的GNSS基本觀測模型可參考文獻[11]。

1.1 PPP時間傳遞數學模型

傳統PPP通常采用雙頻無電離層碼偽距和載波相位組合模型,表達式為:

dtrop+dPIF+dmul/PIF+εPIF

(1)

dtrop+dLIF+λIFNIF+dmul/LIF+εLIF

(2)

式中,PIF和LIF分別表示無電離層碼偽距和載波相位組合觀測值,單位m;f1和f2為2種載波的頻率,單位Hz;P1、P2和L1、L2分別為2個頻率的偽距觀測值和載波觀測值,單位m;r為星站間幾何距離,單位m;Ts和Tu分別為衛星s和接收機u的鐘差,即衛星鐘、接收機鐘與參考時間基準之差,單位s;dtrop為對流層時延,單位m;λIF為波長,單位m/周;NIF為組合模糊度,單位周;dPIF和dLIF分別為偽碼和載波相位在接收機內的時延,單位m;dmul/PIF和dmul/LIF分別為偽碼和相位觀測值中的多路徑誤差,單位m;εPIF、εLIF分別為偽碼和載波相位測量噪聲與其他未模型化的誤差,單位m。

1.2 PCV時間傳遞數學模型

PCV是一種站間單差載波相位模型,在兩測站分別獲得無電離層組合碼偽距和載波相位觀測值后進行站間單差,然后直接解算獲得兩地相對鐘差。觀測模型可表示為:

ΔPIF=Δr+cΔTu+Δdtrop+

ΔdPIF+Δdmul/PIF+ΔεPIF

(3)

ΔLIF=Δr+cΔTu+Δdtrop+ΔdLIF+

λIFΔNIF+Δdmul/LIF+ΔεLIF

(4)

式中,Δ表示兩測站某參量之差,其他參量含義與上文中PPP時間傳遞數學模型一致。與PPP不同的是,PCV法可很好地消除衛星軌道和鐘差等誤差,直接解算獲得兩地時差。

1.3 基于GNSS CP TT的守時系統遠程性能評估原理

基于GNSS CP TT的守時系統遠程性能測試評估原理和裝置連接圖如圖1所示。

圖1 基于GNSS CP TT的守時系統遠程性能評估裝置連接圖

利用GNSS接收機獲取待測端和參考端的GNSS觀測數據,通過解算分別得到TAOUT和TBOUT與參考時間REFT之差ΔTA和ΔTB,表達式為:

ΔTA/B=TAOUT/BOUT-REFT

(5)

通常利用IGS/MGEX分析中心的精密星歷和精密鐘差,以IGST或某測站外界時鐘REFCLK為參考,得到衛星鐘差。因此,接收機鐘差也可以IGST/REFCLK為參考,A、B兩地時間頻率標準比對結果ΔTAB可表示為:

ΔTAB=(TAOUT-IGST/REFCLK)-

(TBOUT-IGST/REFCLK)=ΔTA-ΔTB

(6)

2 實驗設計及數據處理流程

2.1 實驗設計

為驗證GNSS PPP和PCV方法用于遠程守時系統性能測試的效果,選取位于西安臨潼的中國科學院國家授時中心(national time service center,NTSC)保持的國家標準時間UTC(NTSC)為參考。在西安和北京兩地通過GNSS遠程測試與驗證裝置分別獲取4個測站2023-03-30～04-13(MJD:60 033～60 047)共15 d的GNSS觀測數據,將XIA6測站作為參考測站,分別與其他3個測站構成零基線(XIA6-SE22)、短基線(XIA6-NU17)和長基線(XIA6-GT01)三種時間傳遞鏈路。實驗所選測站信息見表1。

表1 所選測站信息

2.2 數據預處理

實驗采用PPP、PCV兩種時間傳遞方法分別對兩地時差進行解算,得到各地時間與UTC(NTSC)的偏差。PPP和PCV數據處理流程如圖2和圖3所示。

圖2 PPP時間傳遞數據處理流程

圖3 PCV時間傳遞數據處理流程

實驗中PCV和PPP時間傳遞均采用靜態模式解算,參數估計策略詳見表2。

表2 PPP/PCV參數估計策略

3 結果分析及討論

3.1 關鍵性能評估方法

守時系統一般以頻率穩定度和相對頻率偏差來表征其性能,在獲得待測守時系統相對參考守時系統時差后,為區分調相閃爍噪聲和調相白噪聲,通常采用修正阿倫偏差(modified Allan deviation,MDEV)表征頻率穩定度。

評估待測守時系統性能的參考守時系統的相對頻率偏差至少比待測守時系統高1個量級,頻率穩定度至少比待測守時系統高3倍。國家標準時間UTC(NTSC)頻率準確度為5×10-15,短期頻率穩定度可達到10-16/d量級,完全滿足對時間頻率參考的要求。

3.2 零基線實驗

選取臨潼園區2個測站構成零基線鏈路XIA6-SE22,兩測站接收機及天線同型號,均外接UTC(NTSC)。圖4為XIA6-SE22鏈路的PCV和PPP時間傳遞結果,PCV時間傳遞結果的標準偏差(STD)為0.03 ns,PPP時間傳遞結果的STD為0.09 ns。相比PPP時間傳遞結果,PCV結果波動幅度小,說明PCV時間傳遞鏈路的噪聲水平更小,時間傳遞準確度更高。由圖5可知,PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度分別為2×10-16/d和5×10-16/d,且在平均時間小于1 d時,零基線鏈路PCV結果的頻率穩定度同樣優于PPP時間傳遞結果。

圖4 XIA6-SE22鏈路的PCV和PPP時間傳遞結果

圖5 XIA6-SE22鏈路PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度

從同源零基線PCV和PPP時間傳遞結果可以看出,PCV鏈路的噪聲很小,而PPP鏈路的噪聲更大。

3.3 短基線實驗

選取西安臨潼園區XIA6測站和航天城NU17測站構成短基線鏈路XIA6-NU17,NU17測站位于國家授時中心西安航天城園區,與臨潼園區相距33 km。NU17測站接收機外接時間頻率參考為1臺國產氫原子鐘。

圖6為XIA6-NU17鏈路的PCV和PPP時間傳遞結果,PCV時間傳遞結果的STD為0.59 ns,PPP時間傳遞結果的STD為0.89 ns,可以看出PCV時間傳遞鏈路的噪聲相對稍小。

圖6 XIA6-NU17鏈路的PCV和PPP時間傳遞結果

圖7為PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度,可以看出,PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度均約為4×10-15/d,而該國產氫鐘的頻率穩定度為10-14/d量級,說明采用PCV和PPP時間傳遞可準確反映NU17測站接收機外接氫原子鐘的頻率穩定度特性。同時,短基線鏈路平均時間小于1 000 s時,PCV時間傳遞的頻率穩定度與PPP時間傳遞的頻率穩定度相當,而當平均時間在1 000 s與1 d之間時,PPP時間傳遞結果的頻率穩定度相對較差,這主要是由PPP時間鏈路的噪聲引起。

圖7 XIA6-NU17鏈路PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度

圖8為采用PCV和PPP解算的NU17-XIA6鏈路的相對頻率偏差,從圖中可以看出,PCV和PPP時間傳遞的平均相對頻率偏差分別為 6.55×10-15和7.24×10-15,而該國產氫鐘的相對頻率偏差約為5×10-14,這也說明PCV和PPP時間傳遞結果可準確反映待測氫原子鐘的相對頻率偏差特性。

圖8 XIA6-NU17鏈路PCV和PPP時間傳遞結果的相對頻率偏差

3.4 長基線實驗

選取臨潼園區XIA6測站和北京GT01測站構成長基線鏈路XIA6-GT01,GT01測站位于北京,與臨潼園區相距1 100 km。GT01測站接收機外接時間頻率參考為國家時間頻率體系新建守時系統,采用氫-銫聯合守時,鐘組規模大,設計指標中頻率穩定度為3×10-15/d、頻率準確度為10-14。

圖9為XIA6-GT01鏈路的PCV和PPP時間傳遞結果,PCV時間傳遞結果的STD為1.15 ns,PPP時間傳遞結果的STD為1.08 ns。由圖可知,PPP和PCV時間傳遞曲線在天與天交界處存在規律性跳變,并且PCV時間傳遞的跳變值小于PPP時間傳遞的跳變值,這主要是由于PCV和PPP時間傳遞通常以1 d為1個批單元,碼噪聲和衛星精密產品相鄰天之間的時間基準不一致等原因所致。PCV時間傳遞無需衛星精密鐘差產品,因此采用PCV時間傳遞比采用PPP時間傳遞引起的日界不連續誤差更小[11]。另外也可以看出,作為該守時系統主鐘的氫原子鐘組存在頻率漂移現象。

圖9 XIA6-GT01鏈路的PCV和PPP 時間傳遞結果

圖10為PCV和PPP時間傳遞的頻率穩定度,可以看出,PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度均約為3.2×10-15/d,基本可反映該守時系統的頻率穩定度特性。隨著平均時間增加,PPP鏈路的頻率穩定度越來越接近PCV鏈路,說明增加觀測時長,采用PCV和PPP均可準確反映該高精度守時系統的頻率穩定度特性。

圖10 XIA6-GT01鏈路PCV和PPP時間傳遞結果的頻率穩定度

圖11為采用PCV和PPP解算的待測守時系統的相對頻率偏差,PCV鏈路的平均相對頻率偏差為3.89×10-15,PPP鏈路的平均相對頻率偏差為4.95×10-15,也可反映該守時系統的相對頻率偏差特性。

圖11 XIA6-GT01鏈路PCV和PPP時間傳遞結果的相對頻率偏差

由以上實驗結果可以看出,隨著基線長度增加,PCV和PPP時間傳遞的STD差值越來越小,在長基線情況下,PPP時間傳遞的STD小于PCV時間傳遞。這是由于隨著基線長度增加,PCV可用衛星數量越來越少,PCV和PPP時間傳遞能力越來越相近,甚至在更長基線時,PPP時間傳遞的能力優于PCV時間傳遞。

4 結 語

為測試評估在建守時系統的頻率穩定度、相對頻率偏差等性能,提出基于GNSS PCV和PPP的遠程測試評估方法,以國家標準時間UTC(NTSC)為參考,選取位于西安和北京的4個不同測站組成不同基線時間鏈路,分別開展15 d的驗證實驗,得到以下結論:

1)相比PPP時間傳遞,PCV時間傳遞鏈路噪聲更小,時間傳遞準確度更高,長期頻率穩定度更優。

2)基于PCV和PPP時間傳遞的遠程測試方法可用于頻率穩定度為10-15/d、相對頻率偏差為10-14的高精度守時系統性能評估,可準確反映高精度守時系統的頻率穩定度和相對頻率偏差特性。

致謝：感謝國家空間科學數據中心(http:∥www.nssdc.ac.cn)、iGMAS 國家授時中心分析中心提供測試軟件。