全球卫星导航系统时间频率传递,GNSS Time and Frequency Transfer(GNSSTFT)

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利用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)作为传输媒介进行的时间频率量值传递。 

简史 1980年,利用GPS时间频率传递装置基于GPS(Global Positioning System, 全球定位系统)共视法进行时间频率传递的原理首次被提出。1985年,国际计量局( BIPM)时间部开始将基于GPS共视法的远距离时间比对数据纳入国际原子时(TAI)计算。之后,GPS共视法开始得到广泛应用。1994年, GPS时间传递标准组(GGTTS)发表了“GPS时间频率传递接收机软件标准化技术指南”,统一了GPS时间频率传递装置软件的处理过程和单站观测文件的格式,以进一步提高共视比对水平。之后,GPS P3码多通道测量和GPS载波相位时间频率传递,GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System) P码共视,相继出现,比对稳定度和可靠性不断提高,GPS P3码方法和基于GPS载波相位时间频率传递的TAIPPP方法成为BIPM用于计算TAI和协调世界时(UTC)时时间传递链路数据的最主要方式。这些方法性能比较如表1所示,其中以GPS载波相位比对法不确定度水平最高,可获得亚纳秒级的不确定度A类评估结果。2012年,BIPM用于发布TAI和UTC的月际公报Circular T中开始发表基于GLONASS时间频率传递的时间比对结果和TAI计算结果。随着我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的快速发展,BDS系统也开始越来越多地用于时间频率传递。由于多模导航系统研究的不断深入,多种全球卫星导航系统的结合也成为热点。

表1. GNSS时间传递方法性能比较

比对技术时间传递不确定度A类评估
GNSS码基时频传递ns级
GNSS载波相位时频传递亚ns级

 组成 GNSS时间频率传递基本原理是:时间频率传递双方都将各方GNSS时频传递接收机同步到本地参考时间频率标准,双方记录同时段的GNSS观测数据,通过解算,分别得到两站参考时间频率标准与GNSS系统时间的差,它们的单差为两站参考时间频率标准的比对结果,即两站时间频率传递结果。

分类 按测量方式,可分为GNSS码基时间频率传递和GNSS载波相位基的时间频率传递。

GNSS码基时间频率传递 利用GNSS伪随机码测量进行时间频率传递的方法,根据GNSS系统伪随机码的类型,又可细分。GNSS是全球卫星导航系统的统称,全球卫星导航系统(GNSS)目前包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo及中国的BDS。GPS系统卫星发射载波中心频率为1575.42 MHz(L1频率)和1227.6 MHz(L2频率) 两个,由伪随机码(粗捕获码(C/A码)和精确码(P码))和导航电文所调制。在进行时间频率传递测量时,需要对卫星与接收机的距离、电离层、对流层、卫星钟、相对论等各项误差进行补偿。GNSS各系统测量基本原理类似。

GNSS载波相位时间频率传递 利用GNSS载波相位测量进行时间频率传递的方法。关键技术包括:载波相位整周跳探测与修复及固体潮、潮汐力、地球自转参数、用户钟差等参数的估计。2006年9月,第17届CCTF会议提出了一项推荐建议“考虑在TAI时间频率传递中采用GNSS载波相位技术” (CCTF 4 (2006)),其具体实施主要使用基于非差模式的GPS 精密单点定位(Precise Point Position, PPP)方法,具有中短期稳定度较高等特点,其比对不确定度A类评估结果可达0.3 ns,频率比对不确定度可达(1~2)e-15。截止2016年底,BIPM时间比对链路约60%单独或联合使用了GPS PPP技术。由于所需的精密卫星轨道和钟差产品随其参数性能差异会有不同程度的滞后,GPS PPP时间频率传递通常基于事后处理,有少数研究人员尝试进行实时解算,但都以降低测量性能作为妥协。此外,日界不连续性及系统性不确定度来源等因素可能影响最终比对不确定度评估结果的提升。为获得更优的频率比对能力,基于整周模糊度解算的PPP时间频率传递方法正在被研究,可达到比通常PPP方法(频率比对不确定度大约8e-16~3e-15)更优良的性能(频率比对不确定度1e-16甚至e-17)。2018年初,基于北斗卫星导航的PPP时间频率传递正处于研究试验阶段。

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