北斗广域高精度时间服务原型系统

摘要：基于精密单点定位(precisepointpositioning，PPP)的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的GNSS差分产品时效性的提高，实时PPP时间传递开控及硬件延迟标校技术，建立了基于北斗卫星导航系统(BeiDounavigationsatellitesystem，BDS)的广域高精度时间服务(wide-areaprecisetiming，WPT)系统，可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准，并提供广域实时差分改正数；用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异，并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能，本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明，该系统零基线、短基线时间同步精度优于关键词：时间传递广域高精度时间服务系统卫星钟差估计时钟调控硬件延迟校准BeiDouwide-areaprecisetimingprototypesystemningPPPshowsaofthemostsimprovessofPPPtimesatellitendhardwareratestableerminalThesametimeitrencebetweenthelocalclockandthesystemtimebasedonPPPmethod.ThensteeringclocktechnologywasusedtorealizetimesynchronizationbetweenterminalandsystemInordertoverifythereal-timetimingperformanceofthesystemthispaperconductedperformancetestingandevaluationinzerobaseline,shortbaselineandwideareaenvironmentsTheexperimentalresultsshowthattheaccuracyoftimesynchronizationintheconditionofzerobaselineandshortbaselineisbetterthan0.5ns.Andtimingaccuracyinasingledayisbetterthan1nsinasingleday,whichprovideareferenceforthedevelopmentofprecisiontimingtechnologybasedonBeiDousystem.Keywords:timetransferwide-areaprecisetimingsystemsatelliteclockoffsetestimationclocknghardwaredelaycalibration这一完整的过程称为时间服务，在授时被列为各导航系统的主要服务之一[2-4]。在一些实际应用中，授时用户需要通过时间传递方法获取相对于某一参考基准的时间，保证授时结控及硬件延迟标校技术，建立了基于北斗卫星导航系统的WPT系统，为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。下文将对WPT系统的组成部分进行介绍，并着重讨论系统中涉及的相对卫星钟差估计方法、时间基准引入方法、精密调钟算法及硬件延迟标校方法。最后，将系统实时输出的时间信号与北斗总站的标准时频信号比对，对WPT系统的授时性能进行初步评估。WPT系统系统由高精度时间产品服务平台和时频同步接收机组成(图1)。时间产品服务平台负责实时计算由于卫星钟、轨道等误差引起的“卫星段”时间传递误差，以实时产品的方式播发给授时接收机。此外，产品以实现授时结果的可溯源性。当用户仅有分布式同步接收机由时间传递单元和时钟调控单元组成。其中，时间传递单元通过网络实时获取服务误差，进而获取本地时钟与钟差基准的差异；时钟调控单元根据实时获取的钟差结果，采用精密时钟调控算法实现本地时间与钟差基准的同步，并进行相应的硬件延迟标校，最终在整秒时刻输出授时结果的秒脉冲信息(1pulsepersecond,1PPS)。2时间基准的引入与传递于卫星轨道的变化较为规律，现有的预报轨道精度一般认为能够满足定位及时间传递等应用需求。相比较统还需要通过卫星钟差产品引入系统的参考时间基准。2.1卫星间相对钟差估计基于无电离层组合观测值的非差观测方程可表示为若直接采用非差观测方程估计卫星钟差，则在计算的过程中会产生大量的模糊度参数，影响实时卫星钟差估计的效率。因此，本文采用历元间差分的方法对实时卫星钟差进行处理，其基本原理是通过历元机钟差参数已经通过二次差消除。此外，在上述二次差方程中，相位2.2钟差基准引入由于上述的双差观测方程只能解出相对钟差的历元间变化量，若要解出y历元的相对卫星钟差，则i从式(4)可以看出，对于某个特定的历元，钟差基准对所有卫星钟影响均相同。此外，由于相对钟差历提供的卫星钟差平均值一致，即实时卫星钟差产品与广播星历的“重心基准”一Dtjijn，则“重心基准”约束可表示为星钟差产品。2.3钟差基准传递授时接收机通过网络实时获取时间服务平台播发的卫星钟差及轨道产品，并采用约束坐标的PPP一时间基准而言的。当引入的钟差基准不iWPT卫星钟差引入的时间基准。卫星轨道和钟差参数可通过时间服务平台播发的实时差分改正数获取，实时估计的参数分别是接收为3接收机时频调控与硬件延迟标校基准被传递到接收机后，接收机需要通过时频调控技术和硬件延迟标校技术来保持自身时间致性。高精度授时接收机结构如图2所示。射频模块由时钟模块给出的时钟信号来驱动，完成下变频、滤波和采样，基带信号处理模块对数字中频信号进行处理获取观测值和星历等信息。钟卫星轨道、钟差产品，对接收机的位置和钟差进行估计。界提供标准的时频信息。为保证接收机所复现出的卫星时间与真实卫星时间保持同步，接收机需要对时频3.1精密时钟调控技术在本地时间的整秒时刻输出秒脉冲。对于授时型接收终端，其内部的时钟多为晶振，受频率偏差和频率老，存在分辨率的影响，这种econtrolovencontrolledcrystaloscillatorVCOCXO调整量被送入数模转换模块生成电压变换量，3.2反向同步硬件延迟校准方法接收机硬件延迟是授时的重要误差项，目前硬件延迟校准方法的主要对象是时间传递类型的接收机但该方法只能求出两台接收机硬件延迟的差，需要一台已校准接收机作为参考。针对相对校准方法的局限性，本文结合单向授时接收机的特点及时间传递接收机的校准方。计算公式为4试验结果与性能分析为验证基于北斗的WPT系统时间服务性能，本文设计了以下试验：时间产品服务平台实时接入全国范围内的北斗实时观测数据流，采用北斗实时预报轨道对北斗卫星的相对钟差进行估计，并引入广播星历参考的时间基准，形成北斗时间传递改正数。授时接收机采用TCP/IP协议接收北斗实时时间传递改正4.1精密授时接收机零基线比对试验首先进行了两台北斗授时接收机的零基线比对测试，该测试主要用于评估授时链路及接收机在授时4.2精密授时接收机短基线比对试验在零基线比对中，由于所接收的天线信号是同源的，其结果反映的主要是授时接收机的时钟调控精度与硬件延迟的稳定性，不能反映卫星钟误差的影响。为此，本文还进行了两天的短基线试验，两接收天FigShortbaselinemcomparisonresultsfortimingterminals4.3精密授时接收机广域标准源比对试验在零基线和短基线中，时间基准误差和大气误差对两台接收