劉嘉偉,孫保琪,韓 蕊,張 喆,王 侃,袁海波,楊旭海

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600; 2.中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600; 3.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255049; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

時(shí)間是7個(gè)基本物理量之一,也是目前測(cè)量精度最高的物理量。高精度時(shí)間傳遞在國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的運(yùn)行中起著基礎(chǔ)性的支撐作用,是現(xiàn)代社會(huì)正常運(yùn)行的基本保障之一[1-3]。目前光纖雙向授時(shí)手段時(shí)間傳遞不確定度可達(dá)100 ps量級(jí)[3],但其設(shè)備成本和技術(shù)要求較高,并且受到光纜覆蓋范圍的限制。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)的發(fā)展與完善,衛(wèi)星授時(shí)的精度目前可達(dá)ns量級(jí),因其具有全球覆蓋、全天候、全天時(shí)、低成本、高精度等特點(diǎn),也成為應(yīng)用最廣泛的授時(shí)手段之一。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,5G移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星授時(shí)提出了更高精度、更低成本的需求[4]。

精密單點(diǎn)定位技術(shù)(precise point positioning,PPP)可以實(shí)現(xiàn)亞納秒量級(jí)的授時(shí)精度,雖不受基線長(zhǎng)度的限制,但嚴(yán)重依賴實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和歸算到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品。除此之外,PPP解算還需要進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)誤差改正和參數(shù)估計(jì)等[5],具有較高的技術(shù)門檻。對(duì)于城域范圍內(nèi)短距離高精度時(shí)間用戶,基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(real-time kinematic,RTK)的思想,可以有效解決PPP時(shí)間傳遞較高技術(shù)門檻和計(jì)算資源成本的問(wèn)題。RTK授時(shí)的核心是將RTK定位技術(shù)應(yīng)用到授時(shí)中,流動(dòng)站通過(guò)通信鏈路實(shí)時(shí)接收基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),并與本站的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成一次差分,從而求解流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的相對(duì)鐘差。當(dāng)基準(zhǔn)站外接授時(shí)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)UTC(k)時(shí),RTK授時(shí)解算的鐘差即為流動(dòng)站的站鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的相對(duì)鐘差[6-7], 從而達(dá)到授時(shí)的目的。

近年來(lái),伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,有關(guān)RTK授時(shí)技術(shù)的研究逐漸增多。馮延明等人在2010年提出了同時(shí)解算接收機(jī)位置和相對(duì)鐘差的4DRTK數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了性能分析[8]。2021年董孝松等人以GPS(global positioning system)為例,基于2個(gè)月觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了短基線RTK授時(shí)性能,試驗(yàn)表明GNSS RTK授時(shí)精度能夠達(dá)到亞納秒量級(jí)[5]。北斗三號(hào)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)正式開(kāi)通運(yùn)行,2021年孫保琪等人基于BDS-3新體制信號(hào)開(kāi)展了短基線、零基線RTK授時(shí)試驗(yàn),結(jié)果表明短基線授時(shí)精度優(yōu)于0.2 ns,站間鐘差的頻率穩(wěn)定度萬(wàn)秒穩(wěn)在10-15量級(jí);零基線授時(shí)精度可達(dá)0.02 ns,萬(wàn)秒穩(wěn)在10-16量級(jí)[6]。另有文獻(xiàn)[9-12]研究了基于載波相位差分定位技術(shù)的時(shí)間傳遞。

然而RTK授時(shí)技術(shù)主要面向城域范圍內(nèi)的時(shí)間用戶。在城市環(huán)境下,高樓大廈對(duì)GNSS信號(hào)的遮擋比較嚴(yán)重,當(dāng)用戶接收機(jī)接收的衛(wèi)星數(shù)量較少或衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)較差時(shí)將會(huì)影響授時(shí)解算結(jié)果。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展,繼美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)后,歐盟正在開(kāi)發(fā)的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo satellite naviga-tion system,Galileo),我國(guó)已全面建成的BDS-3,為城域環(huán)境下GNSS多系統(tǒng)融合增加可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目、改善衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)提供了保證[13-14]。

目前有關(guān)RTK授時(shí)的研究主要是基于GPS和BDS-3等單系統(tǒng)開(kāi)展的,有關(guān)GNSS多系統(tǒng)融合RTK授時(shí)的研究還鮮有報(bào)導(dǎo)。為了更好地驗(yàn)證GNSS多系統(tǒng)融合RTK授時(shí)的性能,提高城域環(huán)境下的可靠性,本文首先給出多系統(tǒng)RTK授時(shí)的觀測(cè)方程,其次利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心(National Time Service Center,NTSC)的時(shí)頻資源,基于GPS、BDS-3和Galileo的觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展GNSS多系統(tǒng)融合RTK授時(shí)試驗(yàn),從授時(shí)精度、收斂時(shí)間和穩(wěn)定度3個(gè)方面展開(kāi)分析。

1 Multi-GNSS RTK授時(shí)原理及數(shù)學(xué)模型

RTK授時(shí)原理與RTK定位相似,其原理為用戶接收機(jī)通過(guò)通信鏈路實(shí)時(shí)接收基準(zhǔn)站的偽距和載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù),與用戶接收機(jī)形成站間一次差分,解算用戶接收機(jī)鐘差與用戶的三維坐標(biāo)等。當(dāng)兩測(cè)站相距不遠(yuǎn)時(shí),電離層延遲和對(duì)流層折射的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性,因而站間單差可消除大部分大氣折射誤差的影響。多系統(tǒng)RTK授時(shí)以GPS系統(tǒng)鐘差為基準(zhǔn),分別引入其他系統(tǒng)與GPS的系統(tǒng)間偏差[14](inter-system bias,ISB),觀測(cè)方程可表示為

RTK授時(shí)的參數(shù)估計(jì)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波的方式進(jìn)行。對(duì)上述觀測(cè)方程及狀態(tài)方程線性化后可得

Xk=Φk,k-1Xk-1+Wk-1
Zk=HkXk+Vk

上式中,Xk為狀態(tài)向量;Φk,k-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;Zk為線性化后的觀測(cè)值向量;Hk為設(shè)計(jì)矩陣;Wk-1為過(guò)程噪聲向量;Vk為觀測(cè)噪聲向量;記過(guò)程噪聲向量的方差為Qk;記觀測(cè)噪聲的方差為Rk。

其中增益矩陣Kk為

動(dòng)態(tài)或靜態(tài)模式下,RTK授時(shí)中狀態(tài)向量參數(shù)估計(jì)包括接收機(jī)三維坐標(biāo)、相對(duì)鐘差和載波相位模糊度。其中根據(jù)流動(dòng)站接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的不同,接收機(jī)位置參數(shù)可設(shè)置為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)參數(shù),分別對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。如果還引入流動(dòng)站的三維坐標(biāo)參數(shù),此時(shí)為固定站坐標(biāo)模式,對(duì)應(yīng)的參數(shù)估計(jì)只包括相對(duì)鐘差和載波相位模糊度。

2 試驗(yàn)平臺(tái)與策略

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

依托中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心臨潼本部和西安場(chǎng)區(qū)時(shí)間頻率資源,建立由兩條基線(長(zhǎng)度為32.85 km)SE22-SEPT和XIA6-SEPT組成的RTK授時(shí)試驗(yàn)平臺(tái)(圖 1)。西安場(chǎng)區(qū)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室作為時(shí)間基準(zhǔn)站,主鐘為一臺(tái)高性能被動(dòng)型氫原子鐘,通過(guò)光纖雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路實(shí)時(shí)駕馭到UTC(NTSC)。SEPT為時(shí)間基準(zhǔn)站北斗/GNSS接收機(jī),外接氫原子鐘10 MHz和1PPS信號(hào)。XIA6和SE22位于臨潼本部測(cè)定軌大廳,均外接UTC(NTSC)10 MHz和1PPS信號(hào),且共用同一接收機(jī)天線。三臺(tái)接收機(jī)的型號(hào)均為Septentrio PolaRx5TR,天線型號(hào)為SEPCHOKE_B3E6。

圖1 RTK授時(shí)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 RTK timing test platform

時(shí)間基準(zhǔn)站原子鐘與UTC(NTSC)之間通過(guò)光纖雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)[15](two-way optical time and frequency transfer ,TWOTF)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì),比對(duì)結(jié)果采樣率為1Hz。根據(jù)比對(duì)結(jié)果,采用調(diào)頻的方式將時(shí)間基準(zhǔn)站原子鐘駕馭到UTC(NTSC)。本文中將光纖雙向時(shí)間頻率傳遞的時(shí)間比對(duì)結(jié)果作為短基線RTK授時(shí)的精度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。另外文中目前對(duì)RTK授時(shí)只解算了用戶相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間偏差,沒(méi)有根據(jù)解算的時(shí)間偏差對(duì)用戶時(shí)鐘進(jìn)行駕馭。

2.2 試驗(yàn)策略

基于改編的RTKLIB軟件[16],分別以SE22、XIA6為流動(dòng)站,SEPT為基準(zhǔn)站開(kāi)展短基線多系統(tǒng)單頻和雙頻RTK授時(shí)試驗(yàn),涉及動(dòng)態(tài)(kinematic)、靜態(tài)(static)、固定站坐標(biāo)(fixed)3種授時(shí)模式(動(dòng)態(tài)模式指接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即接收機(jī)的位置在發(fā)生變化;靜態(tài)模式指接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài),即接收機(jī)的位置不發(fā)生變化,但位置坐標(biāo)未知;固定站坐標(biāo)模式指接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)且位置坐標(biāo)已知)。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)3種模式的流動(dòng)站均靜態(tài)安置。其中單頻利用GPS L1、BDS-3 B1C、Galileo E1的觀測(cè)值,雙頻利用L1/L2、B1C/B2a、E1/E5b觀測(cè)值組合,觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段為2021年4月19日—2021年4月30日。詳細(xì)解算設(shè)置如表 1所示,其中截止高度角設(shè)置為15°,在保證觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量的同時(shí)降低多路徑效應(yīng)帶來(lái)的干擾。

表1 RTK授時(shí)解算策略Tab.1 RTK timing solution strategy

3 結(jié)果與分析

3.1 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)

圖2給出截止高度角為15°時(shí),試驗(yàn)時(shí)段兩條基線GPS、BDS-3、Galileo的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù),GPS與BDS-3的平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為8個(gè),Galileo的平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為5個(gè),三系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星總數(shù)在22個(gè)左右。相比于GPS單系統(tǒng),多系統(tǒng)融合顯著增加了可觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量,這也使得整個(gè)GNSS的可靠性和可用性得到提高。

圖2 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Number of visible satellites

3.2 多系統(tǒng)RTK授時(shí)結(jié)果

圖 3和圖 4給出了SE22單頻和雙頻GPS(a)、多系統(tǒng)(b)RTK授時(shí)結(jié)果,XIA6的結(jié)果與SE22類似,由于篇幅原因不再展示。因?yàn)樾盘?hào)傳輸電纜較長(zhǎng),且經(jīng)過(guò)多級(jí)頻分、脈分設(shè)備,SEPT與SE22兩接收機(jī)外接時(shí)間信號(hào)的延遲在700 ns左右。三系統(tǒng)融合12天的授時(shí)結(jié)果均比較連續(xù)平穩(wěn)。不考慮收斂過(guò)程,單頻RTK授時(shí)靜態(tài)和固定站坐標(biāo)模式下峰峰值偏差約在1 ns,動(dòng)態(tài)模式下峰峰值偏差約在2 ns;雙頻RTK授時(shí)三種模式的峰峰值偏差均在1 ns。動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和固定站坐標(biāo)3種模式的結(jié)果趨勢(shì)符合性較好,但由于每個(gè)歷元解算一組坐標(biāo)參數(shù),動(dòng)態(tài)模式的結(jié)果噪聲最大,固定站坐標(biāo)模式的收斂時(shí)間最短。動(dòng)態(tài)模式下多系統(tǒng)RTK授時(shí)結(jié)果與GPS單系統(tǒng)相比,鐘差起伏更小;動(dòng)態(tài)模式下雙頻RTK授時(shí)結(jié)果的噪聲明顯小于單頻RTK授時(shí)。

圖3 SE22單頻RTK授時(shí)結(jié)果Fig.3 SE22 single-frequency RTK timing results

圖4 SE22雙頻RTK授時(shí)結(jié)果Fig.4 SE22 Dual-frequency RTK timing result

3.3 系統(tǒng)間偏差

多系統(tǒng)RTK授時(shí)的站間單差I(lǐng)SB可以間接表征基準(zhǔn)站與流動(dòng)站接收機(jī)設(shè)備時(shí)延的一致性情況,后文中提到的ISB均指站間單差的ISB。通過(guò)對(duì)站間鐘差進(jìn)行單歷元求解,分別得到BDS-3、Galileo與GPS的ISB,并對(duì)12 d內(nèi)的ISB變化進(jìn)行分析。以單頻RTK授時(shí)為例,圖 5和圖 6分別為2021年4月19日—30日SE22-SEPT與XIA6-SEPT基線的ISB時(shí)間序列。表 2給出了這些ISB的統(tǒng)計(jì)信息,包括均值(MEAN)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)。從這些結(jié)果中可以看出,3種模式下兩條基線的ISB均趨近于0,標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1 ns。因?yàn)镾EPT、SE22和XIA6的接收機(jī)類型相同,且所處環(huán)境的溫度差別很小,由此可以看出這3臺(tái)接收機(jī)設(shè)備時(shí)延的一致性比較好。相比BDS-3,Galileo與GPS的ISB均值更小,這可能得益于Galileo衛(wèi)星較高質(zhì)量的信號(hào)特點(diǎn)。由于試驗(yàn)中兩條基線的ISB具有較高穩(wěn)定性,后續(xù)可進(jìn)行建模處理。

表2 ISB統(tǒng)計(jì)信息Tab.2 ISB Statistics ns

圖5 SE22-SEPT基線 BDS-3、Galileo與GPS的系統(tǒng)間偏差Fig.5 Intersystem bias between SE22-SEPT baseline BDS-3, Galileo and GPS

圖6 XIA6-SEPT基線 BDS-3、Galileo與GPS的系統(tǒng)間偏差Fig.6 Systematic deviation between XIA6-SEPT baseline BDS-3, Galileo and GPS

3.4 授時(shí)精度

試驗(yàn)平臺(tái)臨潼-西安兩地鐘房之間部署了光纖雙向時(shí)間頻率傳遞設(shè)備,時(shí)間傳遞精度優(yōu)于100 ps[15],以此作為參考,評(píng)估RTK授時(shí)的精度。圖 7給出了2021年第109天—2021年第114天共6 d的光纖雙向時(shí)間頻率傳遞結(jié)果。從圖 7中可以看出,時(shí)間基準(zhǔn)站原子鐘與UTC(NTSC)時(shí)間偏差峰峰值小于0.6 ns,大部分時(shí)段在±0.2 ns以內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.07 ns,這表明時(shí)間基準(zhǔn)站原子鐘能夠以較高的精準(zhǔn)度實(shí)時(shí)駕馭到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

圖7 光纖雙向時(shí)間頻率傳遞結(jié)果Fig.7 Optical fibre two-way time-frequency transfer results

因篇幅原因僅給出SE22單頻和雙頻RTK授時(shí)結(jié)果與光纖雙向時(shí)間傳遞結(jié)果的差異(圖 8和圖 9),其中(a)代表GPS單系統(tǒng),(b)代表多系統(tǒng)。從授時(shí)差異圖中可以看出,兩種授時(shí)方式的差值存在一個(gè)-708 ns 的絕對(duì)誤差,這主要是因?yàn)镽TK授時(shí)中SEPT與SE22兩接收機(jī)外接時(shí)間信號(hào)的延遲所造成的;不考慮收斂過(guò)程情況下單頻動(dòng)態(tài)模式峰峰值差異小于2 ns,單頻靜態(tài)、固定站坐標(biāo)模式以及雙頻3種模式峰峰值差異均小于1 ns。表 3給出了兩條基線兩種授時(shí)結(jié)果差異的標(biāo)準(zhǔn)偏差,同時(shí)計(jì)算了多系統(tǒng)RTK授時(shí)與TWOTFT差異標(biāo)準(zhǔn)偏差相比GPS單系統(tǒng)減少的百分比。動(dòng)態(tài)模式下,兩條基線單頻多系統(tǒng)授時(shí)精度相比GPS單系統(tǒng)分別提高9.13%和9.01%,靜態(tài)模式分別提高6.09%和11.76%,固定站坐標(biāo)模式分別提高3.04%和5.79%;雙頻多系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式授時(shí)精度分別提高2.92%和3.01%,靜態(tài)模式分別提高4.65%和2.41%,固定站坐標(biāo)模式幾乎沒(méi)有改進(jìn)。與光纖雙向時(shí)間傳遞相比,單頻RTK授時(shí)結(jié)果差異STD優(yōu)于0.25 ns,雙頻優(yōu)于0.15 ns。與GPS單系統(tǒng)相比,多系統(tǒng)單頻RTK授時(shí)精度改進(jìn)較雙頻更為明顯。

表3 RTK授時(shí)與TWOTFT差異標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.3 Standard deviation of difference between RTK timing and TWOTFT

圖8 SE22單頻RTK授時(shí)與光纖雙向時(shí)間頻率傳遞結(jié)果差異Fig.8 Differences between SE22 single-frequency RTK and optical fibre two-way time-frequency transfer

圖9 SE22雙頻RTK授時(shí)與光纖雙向時(shí)間頻率傳遞差異Fig.9 Differences between SE22 dual-frequency RTK timing and optical fibre two-way time-frequency transmission

3.5 收斂時(shí)間分析

為量化動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式下多系統(tǒng)RTK授時(shí)相比GPS單系統(tǒng)收斂時(shí)間縮短的程度,依據(jù)流動(dòng)站的精密坐標(biāo),以流動(dòng)站三維坐標(biāo)收斂時(shí)間間接表征授時(shí)收斂時(shí)間,規(guī)定收斂時(shí)間為解算三維方向定位誤差小于1 dm并保持至少10個(gè)歷元所需要的時(shí)間[17]。最終以12 d收斂時(shí)間的平均值作為最終的收斂時(shí)間,并計(jì)算了多系統(tǒng)RTK授時(shí)相比GPS單系統(tǒng)收斂時(shí)間縮短的百分比,如表 4和圖 10所示。

圖10 GPS單系統(tǒng)/Multi-GNSS RTK授時(shí)的收斂時(shí)間Fig.10 Convergence time of GPS single system/Multi-GNSS RTK timing

表4 RTK授時(shí)的收斂時(shí)間Tab.4 Convergence time of RTK timing

圖10中黃線代表多系統(tǒng)相比GPS單系統(tǒng)收斂時(shí)間縮短的百分比,橫坐標(biāo)中K-S、S-S、K-D和S-D分別表示單頻動(dòng)態(tài)模式、單頻靜態(tài)模式、雙頻動(dòng)態(tài)模式和雙頻靜態(tài)模式。由圖 10可以看出GPS單系統(tǒng)RTK授時(shí)的收斂時(shí)間都在20 min以上,而多系統(tǒng)的收斂時(shí)間都小于20 min,多系統(tǒng)雙頻靜態(tài)模式下收斂時(shí)間最短,為11.29 min;動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式下多系統(tǒng)RTK授時(shí)的收斂時(shí)間明顯比GPS單系統(tǒng)縮短,且至少縮短25%以上;靜態(tài)模式下雙頻RTK收斂時(shí)間縮短最多,兩條基線分別縮短66.9%和67.8%。多系統(tǒng)融合使得可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)大幅增多,從而使RTK授時(shí)的收斂時(shí)間有顯著的縮短。

3.6 穩(wěn)定度

對(duì)時(shí)間傳遞穩(wěn)定度的評(píng)價(jià),目前常采用美國(guó)學(xué)者D.W.Allan提出的表征方法,即阿倫方差[18],該方法通過(guò)多次測(cè)量后計(jì)算振蕩器噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的平均值來(lái)描述頻率的波動(dòng)情況。RTK授時(shí)站間鐘差的頻率穩(wěn)定度以修正Allan偏差(modified Allan deviation,MDEV)表示,如圖 11和圖 12所示,(a)代表單頻,(b)代表雙頻,將所有固定站坐標(biāo)模式站間鐘差的頻率穩(wěn)定度結(jié)果以子圖的方式呈現(xiàn)在主圖的左下角。多系統(tǒng)RTK授時(shí)3種模式萬(wàn)秒穩(wěn)均進(jìn)入10-15量級(jí)。固定站坐標(biāo)模式下,多系統(tǒng)RTK授時(shí)站間鐘差的頻率穩(wěn)定度與GPS單系統(tǒng)幾乎一致。

圖11 SE22授時(shí)頻率穩(wěn)定度Fig.11 SE22 timing frequency stability

圖12 XIA6授時(shí)頻率穩(wěn)定度Fig.12 XIA6 timing frequency stability

對(duì)于單頻RTK授時(shí),平均時(shí)間120 s,動(dòng)態(tài)模式下兩條基線多系統(tǒng)的時(shí)間傳遞穩(wěn)定度比GPS單系統(tǒng)分別提高42.5%和42.3%,靜態(tài)模式下分別提高13.8%和14.2%;平均時(shí)間960 s,動(dòng)態(tài)模式分別提高43.8%和43.75%,靜態(tài)模式分別提高2.92%和2.81%。對(duì)于雙頻RTK授時(shí),平均時(shí)間120 s,動(dòng)態(tài)模式分別提高43.44%和42.09%,靜態(tài)模式分別提高42.12%和27.18%;平均時(shí)間960 s,動(dòng)態(tài)模式分別提高21.74%和22.26%,靜態(tài)模式分別提高0.33%和1.23%。動(dòng)態(tài)模式下多系統(tǒng)RTK授時(shí)的穩(wěn)定度相比GPS單系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì),靜態(tài)模式下也有一定程度的改善。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模式下,多系統(tǒng)RTK授時(shí)的短期穩(wěn)定度相比GPS單系統(tǒng)有著不同程度的改善,但隨著平均時(shí)間的增長(zhǎng),這種改善也在明顯減弱。

4 結(jié)論

利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心3個(gè)GNSS跟蹤站的BDS-3、GPS和Galileo觀測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展短基線多系統(tǒng)單頻和雙頻RTK授時(shí)試驗(yàn),涉及動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和固定站坐標(biāo)3種模式,兩條基線的結(jié)果表明:

1)與光纖雙向時(shí)間頻率傳遞結(jié)果比對(duì),多系統(tǒng)單頻RTK授時(shí)結(jié)果差異STD優(yōu)于0.25 ns,雙頻優(yōu)于0.15 ns。3種模式下單頻多系統(tǒng)RTK授時(shí)相比GPS單系統(tǒng)均有一定程度的改善,雙頻改善較少。動(dòng)態(tài)模式下,單頻多系統(tǒng)授時(shí)精度較GPS單系統(tǒng)分別提高9.13%和9.01%,靜態(tài)模式分別提高6.09%和11.76%,固定站坐標(biāo)模式分別提高3.04%和5.79%。

2)多系統(tǒng)融合使得RTK授時(shí)的收斂時(shí)間比GPS單系統(tǒng)明顯縮短,且至少縮短25%以上。靜態(tài)模式下雙頻RTK收斂時(shí)間縮短最多,兩條基線分別縮短66.9%和67.8%。

3)多系統(tǒng)RTK授時(shí)3種模式站間鐘差的萬(wàn)秒穩(wěn)均進(jìn)入10-15量級(jí),平均時(shí)間在120～960 s,動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式下短期穩(wěn)定度相比GPS單系統(tǒng)均有著明顯的改善,但隨著平均時(shí)間的增長(zhǎng),這種改善也在明顯減弱。

4)3臺(tái)接收機(jī)設(shè)備時(shí)延的一致性比較好。3種模式下RTK授時(shí)的站間鐘差I(lǐng)SB具有較高穩(wěn)定性,后續(xù)可將其建模處理。

相比GPS單系統(tǒng),多系統(tǒng)GNSS顯著增加了可觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量,使得動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式下RTK授時(shí)的收斂速度和短期穩(wěn)定度得到顯著的提高,授時(shí)精度也有一定程度的改善。試驗(yàn)結(jié)果可為城域環(huán)境下GNSS多系統(tǒng)RTK授時(shí)的應(yīng)用推廣提供一定的參考。