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GNSS载波相位时间传递关键技术与方法研究

张鹏飞  
【摘要】:高精度时间传递技术作为建立和保持国家标准时间的三大要素(高性能原子钟技术、时间传递技术、时间尺度算法)之一,是获取主钟时间频率驾驭量、维持高性能地方原子时TA、实现UTC溯源的重要手段和支撑,直接影响着国家标准时间的性能。GNSS载波相位时间传递技术作为一种时间传递手段具有设备成本低、测量精度高、覆盖范围广、不受距离限制等诸多优势,已成为精密时间传递领域中研究热点。然而,近年来GNSS载波相位时间传递中仍然还有诸多关键技术问题有待进一步细化和解决,特别是随着全球各大卫星导航系统的不断建设和完善,使得卫星导航星空群星璀璨,可用于GNSS载波相位时间传递中卫星也迅速增加,如何利用目前的多模GNSS实现高性能的精密时间传递成为时频领域的热点问题之一。鉴于此,本文对GNSS载波相位时间传递中的关键技术问题、数据处理方法、及模型进行了系统性研究,主要研究内容和相关结论如下:(1)GPS载波相位时间传递中的连续性问题将高性能的时间频率信息通过一定的技术手段准确无误地传递给用户是实现时间传递服务的基本目标。然而,GNSS载波相位时间传递方法获得的钟差序列在天与天衔接处存在着明显的“天跳变”现象,特别是在大于一天的时间传递中更为突出。本文从卫星产品端和用户端出发,分析了精密卫星产品的连续性和时间传递算法中的模糊度连续性,提出了顾及卫星产品内插端部效应和模糊度参数连续性的数据处理方法,并利用实验数据进行了验证。结果显示,本文提出的顾及卫星产品内插端部效应和模糊度参数连续性的数据处理方法能够较好地实现连续GPS载波相位时间传递功能,有助于进一步提升时间传递的性能。(2)BDS载波相位时间传递中卫星伪距偏差影响研究BDS是我国独立自主建立的卫星导航系统,其时间传递性能近年来越来越受到关注。作为BDS重要的误差源之一,卫星伪距偏差误差通过影响伪距观测量,对时间传递的性能产生巨大影响。本文着重开展了卫星伪距偏差对BDS CP时间传递影响机制的研究,建立了卫星伪距偏差模型,提出了顾及卫星伪距偏差改正的BDS CP时间传递方法。通过研究发现,BDS-2卫星伪距偏差在B1频点略大于B2频点,模型改正后的MP序列标准差在B1、B2频点上均有明显地改善。同时发现BDS-2卫星伪距偏差误差易造成亚纳秒量级的时间传递影响,对频率传递的影响并不显著。通过对目前BDS-3全球系统实验卫星的伪距偏差特征进行分析,认为其伪距偏差特征并不明显。通过在现有的区域BDS-2的时间传递工作中加入BDS-3e卫星可以有效增加了测站可用卫星的数量,进一步改善了BDS时间传递链路钟差序列的噪声水平及频率稳定度。(3)附加先验信息约束的载波相位时间传递方法传统载波相位时间传递中存在对先验信息利用程度不高的问题,本文从数学模型中接收机钟差参数本身和其他相关参数两个角度出发,分别构建了附加先验信息约束的载波相位时间传递方法,并给出了数学模型和数据处理方法,通过算例对其进行了验证。通过研究发现,附加钟差相关参数约束(测站坐标信息、对流层参数)的Galileo载波相位时间传递方法中在实时模式中相对于传统方法呈现出显著的优势。另外,顾及钟差模型增强的GPS载波相位时间传递方法有效利用了接收机钟差相邻历元间的相关性,较传统时间传递方法在时间传递链路的噪声水平、“天跳变”程度以及频率稳定度三个方面均呈现出较好的优势。(4)融合多模GNSS的载波相位时间传递随着全球各大GNSS不断建设和完善,各大时间实验室也逐步配备多模GNSS接收机,为了充分发掘多模GNSS数据的应用潜力,本文提出了融合多模GNSS载波相位时间传递方法,并针对数据处理过程中权重分配和质量控制问题,提出了抗差-方差分量的融合多模GNSS时间传递方法。通过实验发现,融合多模GNSS的载波相位时间传递方法有效增加了可用卫星的数目,减弱诸如多路径误差、周期性误差,改善跟踪站的卫星分布对于接收机钟差参数的影响,较传统单模GNSS载波相位时间传递在链路噪声水平和频率稳定度方面均有明显的改善。同时,基于抗差-方差分量的融合多模GNSS时间传递方法可以更加合理地分配不同GNSS间的权重,并对时间传递的质量进行了有效控制。


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