基于北斗三號的長基線共視時(shí)間比對

武文俊 王威雄 王 翔 高 喆 安 衛(wèi) 董紹武

(1.中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，中國科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710600；2.中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

時(shí)間是一個(gè)國家的重要戰(zhàn)略參數(shù)資源，在經(jīng)濟(jì)，國防以及各類科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)是指在國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(IERS)的幫助下由國際權(quán)度局(BIPM)利用位于全球八十多個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的500多臺原子鐘統(tǒng)一歸算產(chǎn)生的[1]，其中遠(yuǎn)距離時(shí)間比對是協(xié)調(diào)世界時(shí)歸算過程中的重要環(huán)節(jié)之一[2]。GPS共視法(CV)從20世紀(jì)80年代就被BIPM用于UTC的計(jì)算。為提高時(shí)間比對的可靠性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，BIPM鼓勵(lì)采用多手段多接收機(jī)互備遠(yuǎn)距離時(shí)間比對技術(shù)[3]。2017年，國際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)(CCTF)國際原子時(shí)實(shí)驗(yàn)室工作組會(huì)議相應(yīng)提出應(yīng)積極推動(dòng)北斗參與UTC計(jì)算的計(jì)劃[4]。目前北斗三號正處于全球系統(tǒng)的組網(wǎng)階段，截止2020年3月9日，共發(fā)射了29顆組網(wǎng)衛(wèi)星，已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁┗镜膶?dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。全球系統(tǒng)預(yù)計(jì)在2020年底建成，整個(gè)衛(wèi)星星座將由24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星組成，為全球提供PNT服務(wù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對北斗二號開展了諸多時(shí)間比對研究。例如，黃偉等人在歐洲基線范圍內(nèi)部對北斗(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)以及中圓地球軌道(MEO)不同星座的共視時(shí)間比對進(jìn)行了分析[5]；廣偉等人進(jìn)一步開展了亞歐長基線北斗共視時(shí)間比對試驗(yàn)[6]；而Andreas Bauch等人也基于德國物理技術(shù)研究院(PTB)的國家時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)對北斗信號以及其亞歐共視比對結(jié)果進(jìn)行了有效評估[7]。上述諸多研究表明：北斗二號時(shí)間比對性能穩(wěn)定，但由于歐洲可視衛(wèi)星數(shù)較少，比對性能仍有提升空間。文獻(xiàn)[6-7]中也提到期望對北斗三號進(jìn)行更深入的研究。北斗三號衛(wèi)星配備了更高性能的星載銣和氫原子鐘，二者的天穩(wěn)分別為E-14和E-15量級，比北斗二號星載鐘的穩(wěn)定度提高了一個(gè)數(shù)量級[8-9]。我國國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間現(xiàn)由中科院國家授時(shí)中心(NTSC)負(fù)責(zé)產(chǎn)生并對外發(fā)播，而北斗時(shí)(BDT)通過UTC(NTSC)與UTC取得聯(lián)系[10]。本文依據(jù)CCTF發(fā)布的全球衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間比對標(biāo)準(zhǔn)(CGGTTS)，利用目前NTSC和捷克光電研究院(TP)可觀測的北斗三號衛(wèi)星對亞歐長基線共視時(shí)間比對性能進(jìn)行了初步計(jì)算分析。

2 北斗共視比對原理

地面上任意兩個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行北斗共視時(shí)間比對都是由分別位于兩地的導(dǎo)航接收機(jī)在同一時(shí)刻同時(shí)觀測一顆或多顆北斗衛(wèi)星，通過偽距測量得到本地時(shí)與北斗系統(tǒng)時(shí)BDT之間的偏差，該偏差包括衛(wèi)星、信號傳播路徑和接收機(jī)端引入的各項(xiàng)誤差，兩地通過數(shù)據(jù)交換扣除各項(xiàng)誤差后求差，就可以求得兩實(shí)驗(yàn)室之間的時(shí)間差[11-13]，其原理如圖1所示。

圖1 北斗共視時(shí)間比對原理圖Fig.1 Principle of BeiDou Common-View

設(shè)A地的本地時(shí)間為tA，B地的本地時(shí)間為tB，ΔtABDT是A地與BDT的差，ΔtBBDT是B地與BDT的差，有

ΔtABDT=tA-BDT

(1)

ΔtBBDT=tB-BDT

(2)

將式(1)減去式(2)可得兩地的時(shí)間差ΔtAB為

ΔtABDT-ΔtBBDT=tA-BDT-(tB-BDT)

=tA-tB=ΔtAB

(3)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

選取2019年3月28日(MJD 58570)至2019年4月27日(MJD 58600)之間NTSC和TP的多頻多模接收機(jī)觀測獲得的北斗和GPS數(shù)據(jù)為計(jì)算分析對象。該試驗(yàn)中，每臺接收機(jī)的時(shí)間頻率參考都為協(xié)調(diào)世界時(shí)在兩個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)現(xiàn)UTC(k)(k指NTSC和TP)，參與此次時(shí)間比對實(shí)驗(yàn)的接收機(jī)配置信息見表1。

表1 接收機(jī)配置信息Tab.1 Setup information of receivers實(shí)驗(yàn)室接收機(jī)名稱接收機(jī)類型天線類型NTSCNT02GTR55NOV850TPTP01GTR55NOV704XTP02GTR55NOV704WB

3.1 零基線共鐘比對

為測試接收機(jī)的穩(wěn)定性和對北斗三號測距碼的噪聲水平進(jìn)行評估，對GNSS接收機(jī)進(jìn)行了零基線同鐘時(shí)間比對(CCD)實(shí)驗(yàn)。利用共視法對捷克光電研究院的兩臺同類型接收機(jī)TP01和TP02開展了北斗三號CCD實(shí)驗(yàn)，并和GPS CCD的結(jié)果進(jìn)行了比較。利用比對結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差(STD)對噪聲水平進(jìn)行性能評估，比對結(jié)果如圖2和圖3所示。由于NTSC目前暫未有兩臺可接收北斗三號衛(wèi)星信號的接收機(jī)，所以未進(jìn)行CCD實(shí)驗(yàn)，但參與本次比對的接收機(jī)與TP相同，故認(rèn)為TP的CCD結(jié)果也適用于NTSC。

圖2 北斗三號零基線共鐘比對結(jié)果圖Fig.2 Common clock difference based on BeiDou-3

圖3 GPS零基線共鐘比對結(jié)果圖Fig.3 Common clock difference based on GPS

由圖4和圖5可以看出，TP01和TP02接收機(jī)基于北斗三號的零基線時(shí)間比對結(jié)果穩(wěn)定，其STD為0.74ns，與GPS零基線共鐘比對結(jié)果的STD處于同一量級，但由于北斗三號正處于全球組網(wǎng)階段，觀測到的BDS-3衛(wèi)星較GPS衛(wèi)星數(shù)少，所以BDS-3的測量噪聲水平略高于GPS，但可以用于遠(yuǎn)距離的高精度時(shí)間比對。

3.2 單站觀測數(shù)據(jù)分析

利用標(biāo)準(zhǔn)共視文件在比對時(shí)間段內(nèi)對NTSC和TP的觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室觀測到不同衛(wèi)星數(shù)的觀測量占整個(gè)觀測量的百分比統(tǒng)計(jì)如圖4和圖5所示。

圖4 NTSC的可視衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.4 Satellite number observed at NTSC

圖5 TP的可視衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.5 Satellite number observed at TP

從圖4和圖5可以看出，由于北斗二號是區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，亞太地區(qū)覆蓋范圍比歐洲區(qū)域好，因此NTSC觀測到的北斗二號衛(wèi)星數(shù)目比TP多，北斗三號是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前在軌服務(wù)的衛(wèi)星和GPS星座衛(wèi)星相似都為MEO衛(wèi)星，所以北斗三號和GPS在亞太和歐洲地區(qū)都有相似的覆蓋情況，在NTSC和TP觀測到的北斗三號衛(wèi)星數(shù)量大多都分布在2～5顆，GPS衛(wèi)星數(shù)量大多為5～9顆。

碼偽距多路徑噪聲與衛(wèi)星高度角有關(guān)，且高度角越高，多路徑噪聲越小[6]。觀測期間(MJD 58570-58571)在NTSC和TP分別觀測到衛(wèi)星的不同高度角區(qū)間觀測量統(tǒng)計(jì)情況如圖6和圖7所示(由于GEO衛(wèi)星的特殊性，圖6和圖7均未統(tǒng)計(jì)GEO衛(wèi)星)。

圖6 NTSC觀測衛(wèi)星的高度角統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.6 Elevation of BeiDou and GPS observed at NTSC

圖7 TP觀測衛(wèi)星的高度角統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.7 Elevation of BeiDou and GPS observed at TP

從圖6、圖7可以得出，北斗二號衛(wèi)星在NTSC的觀測高度角約有70%都在50o以上，信號覆蓋情況優(yōu)于TP，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量更好。而NTSC和TP的北斗三號和GPS衛(wèi)星在不同高度角區(qū)間內(nèi)的觀測數(shù)量比較接近。

3.3 共視比對結(jié)果分析

在GNSS共視時(shí)間比對時(shí)，一般來說較多的可用衛(wèi)星數(shù)可以平均出更好的時(shí)間比對結(jié)果。NTSC和TP在相同時(shí)刻能夠共視到的衛(wèi)星數(shù)如圖8所示。

圖8 NTSC和TP共視衛(wèi)星數(shù)示意圖Fig.8 Satellite number observed at TP and NTSC

從圖8得知，NTSC和TP共視到的GPS衛(wèi)星數(shù)大多為2到3顆，北斗二號衛(wèi)星數(shù)大多為2到4顆，北斗三號衛(wèi)星數(shù)最少，大多為1到2顆。

基于北斗三號衛(wèi)星，依據(jù)GNSS標(biāo)準(zhǔn)共視數(shù)據(jù)處理規(guī)范并利用式(3)得到了NTSC-TP共視時(shí)間比對結(jié)果。為便于分析，如圖9所示，對GPS和北斗二號共視結(jié)果進(jìn)行了常數(shù)平移。

從圖9可知，利用Vondark濾波對原始結(jié)果進(jìn)行了平滑并相對于濾波值計(jì)算了其均方根，GPS、北斗二號和北斗三號中捷共視比對結(jié)果均方根分別為0.839ns，1.417ns和1.161ns。上述計(jì)算及分析表明，在目前北斗三號比北斗二號共視可視衛(wèi)星少的情況下，其共視比對精度較北斗二號有了明顯提高，提高幅度約19%。北斗三號正處于全球組網(wǎng)階段，目前其共視比對精度較GPS略低，隨著北斗三號衛(wèi)星不斷發(fā)射，其比對精度必然得到進(jìn)一步提升。

圖9 NTSC-TP鏈路共視比對結(jié)果示意圖Fig.9 Time differences between TP and NTSC via Common-View

4 結(jié)束語

利用目前中捷兩地可接收的北斗三號衛(wèi)星完成了NTSC和TP之間的亞歐基線共視時(shí)間比對為北斗加入U(xiǎn)TC計(jì)算提供了初步技術(shù)參考。基于北斗三號衛(wèi)星完成了零基線共鐘時(shí)間比對，利用觀測數(shù)據(jù)分析了單站可視衛(wèi)星數(shù)及高度角情況，通過Vondark濾波對共視比對結(jié)果進(jìn)行濾波平滑與粗差剔除，并和北斗二號系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)做了比較驗(yàn)證，在當(dāng)前中國和捷克之間北斗3號共視可視衛(wèi)星數(shù)比北斗2號少一半的情況下，北斗3號衛(wèi)星的共視比對精度為1.16ns，北斗2號為1.42ns，其比對精度較北斗二號有明顯提升，提升幅度約19%。