广域实时精密定位与时间服务系统
施闯1
1. 北京航空航天大学卫星导航与移动通信融合技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100191;2. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079
基金项目：国家自然科学基金(41931075;42174029)
关键词：广域实时 精密单点定位 精密时间服务 PPP-RTK PPT-RTK
引文格式：施闯, 辜声峰, 楼益栋, 等. 广域实时精密定位与时间服务系统[J]. 测绘学 ，2022，51(7)：1206-1214. DOI:
10.11947/j.AGCS.2022.20220153
SHI Chuang, GU Shengfeng, LOU Yidong, et al. Real-time wide-area precise positioning and precise timing service system[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(7): 1206-1214. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220153
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http://xb.chinasmp.com/article/2022/1001-1595/20220711.htm
引 言
得益于全天时、全天候、全球覆盖、高时效、低成本等优势，包括中国的BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS及欧洲的Galileo在内的四大全球导航卫星系统(GNSS), 已成为各国定位导航与授时(positioning, navigation, and timing, PNT)的关键基础设施[1]。随着数字信息时代中导航与位置服务等新兴产业的发展，卫星导航系统基本服务性能已难以满足日益增长的精密定位与授时需求。以北斗卫星导航系统为例，其基本定位与授时服务精度分别为10 m与20 ns[2-4]，然而自动驾驶、新一代通信技术、精密测控等进一步提出了实时厘米级定位，以及亚纳秒级授时需求。
为实现广域、甚至全球范围内厘米级定位及亚纳秒级授时服务，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)建立了全球差分系统(global differential GPS, GDGPS)，并采用RTG软件实现了GPS双频高程20 cm，水平10 cm的实时精密定位。值得注意的是，虽然该系统称为差分系统，但实际上是基于精密单点定位技术(precise point positioning, PPP)实现[5]。随后，国际GNSS服务组织(IGS)于2007年启动了实时试验计划(real-time pilot project, RTPP,
https://igs.org/rts/monitoring/)，展开广域高精度实时GNSS服务(real-time service, RTS)应用研究，以满足实时地震灾害预警、空间天气监测等应用需求[6-7]。RTS服务采用状态域表达(state space representation, SSR)，将GNSS观测误差分解为轨道、钟差等，实现用户端实时PPP处理。文献[8]基于一周数据评估了RTPP组合产品IGS03服务性能，指出实时GPS轨道和钟差精度分别为5、8 cm，GLONASS轨道和钟差精度分别为13、24 cm，同时GPS和GLONASS产品完整率分别高于95%和90%。近年来，北斗和Galileo系统的建设为卫星导航授时服务提供了新的契机，部分IGS实时分析中心开始处理并播发多系统实时轨道、钟差产品。文献[9]以欧洲定轨中心(CODE)事后产品为参考，对法国宇航局(CNES)四系统实时产品进行了比较分析，并通过全球分布多系统跟踪站PPP处理，指出其定位精度随着参与定位的系统数增加而提高。随着非差模糊度固定技术的发展[10-11]，文献[12]比较了基于整数钟模型以及未校正相位偏差模型的PPP模糊度固定，并推荐一种兼容当前IGS钟差产品的相位钟模型，以提升PPP定位性能(
ftp://igs.gnsswhu.cn/pub/whu/phasebias)。除实时轨道钟差产品，IGS进一步提供了实时全球电离层产品服务(RT-GIM)，随着非差非组合模型的发展，高精度电离层增强PPP也成为加快广域实时精密定位用户收敛速度的重要手段之一[13-14]。基于非差模糊度固定及大气增强研究进展，相关学者提出PPP-RTK技术，在局域范围采用非差模型实现了与 络RTK相当的定位效果[15-16]。除IGS提供的RTS服务外，美国Navcom公司的StarFire、荷兰Fugro公司的StarFix/SeaStar、瑞典Hexagon公司的VeriPos等系统相继建成，提供全球实时精密定位服务。然而不论是IGS或商业机构，其实时服务系统主要聚焦于高精度导航与定位服务。
GPS技术在时频传递领域的应用可追溯至文献[17]在20世纪80年代提出的共视法(common view, CV)时间传递。在该方法中两个站通过对同一颗卫星观测，消除卫星端共同的轨道钟差，提高时间传递精度。为提高数据利用率及数据处理可靠性，相关学者提出全视法(all-in-view, AV)时间传递，利用整个导航卫星星座，将全球任意位置测站的时间归算至IGS时间尺度IGST[18]。CV法和AV法都采用伪距观测值实现，考虑相位观测值精度比伪距观测值高2个数量级，相关学者采用相位观测值与IGS事后精密星历产品，通过PPP技术实现了稳定度高于10-15量级的时频传递[19-20]。鉴于PPP技术在时频传递领域的优势，国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)提出采用PPP技术取代伪距单点定位技术实现国际原子时(Temps Atomique International, TAI)时频传递[21]。与导航定位中的PPP模型算法发展相对应，国内外学者围绕多系统PPP时间传递[22]、基于RTS的实时PPP时间传递[23]、非差非组合PPP时间传递[24]、非差模糊度固定PPP时间传递[25]，以及大气增强时间传递[26]等展开了系统深入的研究。考虑GNSS接收机晶振，尤其原子钟短期稳定度高，通过对接收机钟差建模并将其引入估计模型能显著提升GNSS时间服务精度[27-28]。
1 广域实时精密定位与时间服务
1.1 服务系统
北斗/GNSS广域实时精密定位与时间服务系统(WPP/WPT service system)提供精密定位和精密时间服务，主要由观测数据源、实时精密数据处理平台及用户终端等部分构成，如图 1所示。其中，黑色部分为定位与时间服务公有部分，蓝色部分为时间服务特有部分。
图 1 广域实时精密定位与时间服务系统流程Fig. 1 Diagram of WPP/WPT service system
图选项
系统不同部分通过通信链路实现数据传输，其中分布于全球的GNSS观测站实时数据流以RTCM3.X或接收机原始二进制格式，采用NTRIP协议同步至数据处理平台。数据处理平台生成精密服务产品后采用RTCM SSR/IGS SSR格式编码，通过NTRIP协议播发至定位授时用户。
1.2 数学模型
非差非组合模型如式(1)所示[35]
(1)
式中，Pr,fsi、Φr,fsi分别为以距离为单位，频率f∈{1, 2, 3}上接收机r至卫星si∈{s1,s2, …,sn}的伪距和相位观测值；ρrsi=|rsi–rr|为对应几何距离；tsi与tr分别为卫星与接收机钟面时与“真实”时间之差；TZ为天顶对流层延迟，αrsi为对应投影函数；IZsi为卫星si天顶电离层延迟，以TECU为单位，
目前IGS钟差处理以无电离层组合(ionosphere-free, IF)为基础，结合式(1)及IF组合
得
(2)
为消除钟差与伪距偏差之间的相关性，式(2)中卫星与接收机钟差参数分别定义为tsi=tsi+bIFsi、tr=tr+br, IF。伪距偏差的引入意味着有GNSS技术确定的接收机钟差与真实接收机钟差之间存在一个系统性偏差，因此在授时应用中一般需要进行接收机硬件延迟校准[34]。
进一步由于“真实”时间无法获得，需要人为定义时间基准
式中，t=(tstr)T为卫星钟差与接收机钟差组成的参数向量；Qtt为钟差参数向量协方差向量，其不同取值对应不同的钟差基准
(4)
式中，Uk为k维单位阵，此时认为对应的钟稳定度一致。考虑对不同频标建模时，还可根据各时频源稳定度确定矩阵Uk[37]。结合式(4)，当没有外接原子钟跟踪站或标准时间源引入时，|t|2Qtt=min对应卫星钟差重心基准；当引入外接原子钟跟踪站时，|t|2Qtt=min对应原子钟跟踪站拟稳基准；当引入标准时间源时，|t|2Qtt=min将系统时间基准溯源至该标准时间。此时卫星钟差不再是“真实”钟差，而受时间基准t0影响
将卫星钟差式(5)引入式(2)即得到用户端PPP模型，此时接收机钟差为
(6)
由式(6)可以看出，定位用户不受时间基准t0影响，然而时间服务用户却受到t0影响。当用户rA与rB同时接收该系统时间服务时，其时间同步结果为
即时间同步不受所选时间基准影响。
2 试验分析
图 2 IGS实时全球跟踪站分布Fig. 2 Global distribution of IGS real-time tracking stations
图选项
图 3 中国区域实时跟踪站分布Fig. 3 Regional distribution of real-time tracking stations in China
图选项
2.1 精密服务产品精度分析
表 1 试验说明Tab. 1 Experiment details
| 类别 | 服务端产品解算 | 终端定位时间服务 |
| 卫星系统 | BDS-2+BDS-3(仅IGS跟踪站)+GPS+GLONASS | |
| 观测时段 | 2022年DOY 25—DOY 29 | |
| 采样率/s | 30 | |
| 观测量 | 轨道钟差：无电离层组合 相位偏差电离层：非差非组合 |
非差非组合 |
| 观测噪声/m | 伪距：0.3；相位：0.003 | |
| 解算模式 | 轨道钟差：实时解算 相位偏差电离层：实时数 据流存储，事后仿实时解算 |
实时数据流存储，事后仿实时解算 |
| 相位中心 | IGS_14模型改正 | |
| 相位缠绕 | 模型改正 | |
| 潮汐 | 固体潮、极移潮汐、海洋潮汐，IERS协议模型改正 | |
| 相对论 | IERS协议模型改正 | |
| 电离层 | / | 服务端模型改正 |
| 对流层 | GPT2模型+过程噪声估计 | |
| 测站分布 | 轨道钟差：图 2(90) 相位偏差电离层：图 3蓝色(200) |
定位：图 3红色(34) 时间服务：图 3绿色(1) |
表选项
表 2 2022年DOY 25—DOY 29轨道误差RMS平均值Tab. 2 RMS values of orbit error for DOY 25—DOY 29 of 2022
| 系统 | 切向 | 法向 | 径向 | 3D |
| G | 0.043 | 0.027 | 0.018 | 0.054 |
| C2 | 0.532 | 0.153 | 0.126 | 0.568 |
| C3 | 0.122 | 0.049 | 0.067 | 0.148 |
| E | 0.036 | 0.019 | 0.012 | 0.042 |
| R | 0.090 | 0.063 | 0.036 | 0.115 |
表选项
表 3 2022年DOY 25—DOY 29钟差RMS和STD平均值Tab. 3 RMS and STD values of clock error for DOY 25—DOY 29 of 2022
| 系统 | RMS | STD |
| G | 0.403 | 0.054 |
| C2 | 0.546 | 0.095 |
| C3 | 0.383 | 0.096 |
| E | 0.202 | 0.052 |
| R | 1.664 | 0.297 |
表选项
图 4 2022年DOY 25—DOY 29钟差时间序列Fig. 4 Time series of clock error for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
图 5 2022年DOY 25—DOY 29 UPD时间序列Fig. 5 Time series of UPD for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
为评估实时电离层模型精度，通过34个用户站固定坐标，采用后处理模式反算电离层为参考，截止高度角设定为15°。图 6为电离层内插残差RMS值，测站按纬度从高到低排列，可以看出，由于低纬度地区电离层更为活跃，其改正精度低于1TECU。对比GPS和BDS-2，其电离层改正精度分别为0.74、1.03 TECU。
图 6 2022年DOY 25—DOY 29用户站固定坐标反算电离层评估精度Fig. 6 RMS values of ionospheric delay residuals for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
2.2 用户定位与时间服务性能分析
对图 3红色所示站点，采用PPP和PPP-RTK两种策略进行定位分析，定位每小时重启一次。图 7是68%水平定位误差的时间序列，可以看出平面方向收敛速度PPP-RTK相较于PPP有显著的优势，收敛至5 cm所用时间从半小时缩短至10 min。图 8进一步根据图 3中红色测站离最近基准站(图 3中蓝色测站)距离，采用不同颜色给出了不同站PPP-RTK定位68%收敛时序图。由图 8可以看出，由于本系统中国区域电离层延迟采用广域星基建模实现[35]，因此不同跟踪站收敛序列与其离最近基准站之间距离没有明显相关性。
图 7 2022年DOY 25—DOY 29 68%水平定位误差序列Fig. 7 Time series of positioning error in 68% level of all stations for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
图 8 2022年DOY 25—DOY 29不同跟踪站68%水平定位误差序列Fig. 8 Time series of positioning error in 68% level of individual station for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
表 4是相应的后半小时定位RMS统计值，无论是平面还是高程上PPP-RTK的定位精度都高于PPP，其中平面甚至提升了71%。
表 4 2022年DOY 25—DOY 29定位RMS值Tab. 4 RMS values of positioning error for DOY 25—DOY 29 of 2022cm
| 类别 | PPP | PPP-RTK | 提升/(%) |
| 平面 | 4.70 | 1.34 | 71.4 |
| 高程 | 5.11 | 4.84 | 5.3 |
表选项
图 9 单向时间传递服务测试场景Fig. 9 Test scenario of one-way time transfer service
图选项
表 5 2022年DOY 25—DOY 29钟差序列STD值Tab. 5 STD values of receiver clock error for DOY 25—DOY 29 of 2022
| 类别 | PPT | PPT-RTK | 提升/(%) |
| GPS | 0.28 | 0.29 | 0 |
| BDS-2 | 0.45 | 0.38 | 15.6 |
表选项
图 10进一步采用重叠阿伦方差评估了接收机钟差稳定性，对于GPS而言，PPT-RTK相对于PPT估计结果略有提升；对BDS-2而言，PPT-RTK模型的稳定度明显优于PPT模型，其提升约为27.8%。对比GPS和BDS-2，GPS静态精密授时精度要高于BDS-2，两者的万秒稳定度分别达2.14E-14和5.56E-14量级，短期项稳定度GPS比BDS-2高1~2个量级。
图 10 2022年DOY 25—DOY 29 GPS/BDS-2 PPT和PPT-RTK解算的接收机钟差稳定度Fig. 10 Overlapping Allan deviation of receiver clock estimated from PPT and PPT-RTK for DOY 25—DOY 29 of 2022
图选项
3 结论
初审：张艳玲
复审：宋启凡
终审：金 君
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