钟差估计基准精化及其在精密授时中的应用

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自上世纪80年代Allan和Weiss提出GPS共视法以来,采用大地测量学手段进行精密授时一直是近年来学者研究的热点问题。随着IGS产品精度、时效性以及完备性的提高,基于精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)的时间传递方法在传递精度和覆盖范围等指标上优于共视法(Common-view,CV)以及全视法(All-in-view,AV),成为性能最优的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)时间传递方法。目前,围绕着PPP时间传递在时间基准维持、GNSS单站授时服务等高精度时间服务领域的应用越来越广泛,而高精度的误差改正是实现高性能PPP授时服务的前提之一。影响PPP时间传递及授时精度的因素包括对流层延迟、电离层延迟、卫星钟差等。近年来,国内外学者基于IGS提供的最终精密轨道与钟差产品对PPP时频传递的精度进行了广泛和深入的研究,认为PPP时间传递精度在0.1ns左右。然而,由于IGS精密产品具有一定的时延性,并不能满足实时时间传递及GNSS单站授时的需求。目前,虽然IGS提供的超快产品(IGU)预报轨道精度与精密产品轨道精度达到同一量级,但预报钟差产品精度不足以满足PPP授时的精度需求。另外,一般情况下实时处理获得的卫星钟差产品存在基准偏差,该偏差项对PPP时间传递以及授时性能的影响,国内外学者尚未进行系统性的分析和讨论。因此,开展研究实时卫星钟差偏差项并建立相关的修正模型对提高实时PPP时间传递以及授时服务性能具有重要意义。本文分析了实时卫星钟差各偏差项对于PPP时间传递以及单站授时的影响,并提出了精化实时卫星钟差基准的方法。具体的研究工作如下:(1)结合PPP时间传递算法和实时卫星钟差估计的数学模型,详细的分析了实时卫星钟差的初始卫星钟差偏差、时间基准偏差以及卫星间相对钟差偏差对GNSS时间传递和单站授时的影响。(2)采用时域稳定性分析方法对不同IGS站配置的氢原子钟进行了稳定度分析,基于不同平滑时间间隔的阿伦方差数据,分别确定了其相应的噪声水平系数及相应的权比关系。针对实时卫星钟差基准不稳定的问题,提出了“两步法”的解决思路:首先基于原子钟随机微分模型,采用Kalman滤波对测站原子钟的状态进行估计,以网解的方式分离出测站钟相对于基准的初始钟差项、频偏项以及钟差基准的偏差量。最终,根据各原子钟之间的权比关系,以加权平均的方式得到最终的基准改正量,从而获取精化后的时间基准。通过与IGST连续一周的比较,精化后的钟差基准单天内与IGST互差序列的STD值可以达到0.1ns以内,精度相比于基准改正前提高了37%到93%;天内万秒稳可以达到10-15量级,相对改正前提高一个量级。(3)采用PPP时间传递方法,获取IGS站氢原子钟在精化前后基准的授时结果。通过AMC2、IENG、MEDI、MGUE、NRC1以及PTBB的授时结果与IGS提供的测站钟差比较,发现6个跟踪站采用基准精化后卫星钟差的单天授时精度均在0.2ns以内,较基准精化之前分别提高了55.08%到83.78%,验证了本文中PPP授时方法和基准精化方法的正确性。
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