基于北斗卫星的纳秒级全球授时系统

北斗三号系统的基础服务可以为全球用户提供精度优于20ns的信号，更高精度的时间同步应用，需要如GNSS共视、全视、PPP或卫星双向时频传递等专用方法，成本高，并且需要专业维护，只适合小范围应用。在研究了各种高精度时间比对技术的基础上，基于国家授时中心的标准时间UTC（NTSC），提出了基于北斗卫星实时共视、实时全视和实时PPP多种技术互补融合的纳秒级全球授时方法。结合时延绝对标定与分段标定组合的设备时延标定，以及振荡器动态驯服等技术，建立了标准时间远程复现系统，由服务端和用户端两部分组成。服务端由国家授时中心维护，用户仅需要安装一台标准时间复现设备，并通过互联网或北斗短报文信道自动持续从服务端获取服务数据，即可在本地恢复出溯源至标准时间UTC（NTSC）的时间频率信号。系统可为全球用户提供与UTC（NTSC）偏差小于5ns的1PPS信号，以及万秒频率稳定度优于5×10-13、相对频偏小于5×10-14的10MHz信号，授时A类不确定度优于2ns。目前已经为多个行业提供服务。     

基于北斗三号的多区域实时动态授时服务系统

面向新一代移动通信和物联网等领域对高精度、低成本授时的需求,针对典型的实时动态授时服务只能单区域覆盖的问题,提出了一种基于北斗的多区域实时动态精密授时服务系统.该系统由标准时间、时间基准站、高精度时间频率实时传递链路、数据中心和时间用户等部分组成,可实现标准时间实时动态授时服务的全国多区域覆盖.依托中国科学院国家授时中心时间频率和卫星导航平台建立了原型系统,并基于多天的北斗三号新体制信号观测数据开展了试验验证.试验结果表明,短基线授时精度优于0.2ns,频率稳定度万秒稳在10-15量级;零基线授时精度可达0.02ns,频率稳定度万秒稳在10-16量级.基于北斗的多区域实时动态精密授时服务系统具备技术可行性,可为北斗精密时间应用提供参考.     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。     

GNSS多系统RTK授时性能分析

RTK授时不依赖实时精密星历，精度高、实现简单，在短距离精密授时与时间同步中具有突出的应用潜力。针对城域环境下单系统RTK授时可能面临可用卫星数量较少、收敛时间较长等问题，验证分析了GNSS多系统RTK授时性能。基于中国科学院国家授时中心时间频率资源和3个GNSS跟踪站的BDS-3、GPS和Galileo观测数据开展多系统RTK授时试验，涉及动态、静态和固定站坐标3种模式，并从授时精度、收敛时间和稳定度3个方面展开分析。两条基线的试验结果表明：与光纤双向时间频率传递结果相比，动态模式下，多系统单频授时差异STD较GPS单系统分别提高9.13%和9.01%，静态模式分别提高6.09%和11.76%，固定站坐标模式分别提高3.04%和5.79%，多系统单频RTK授时的授时结果差异STD优于0.25 ns，双频优于0.15 ns；多系统融合使得RTK授时的收敛时间与GPS单系统相比至少缩短25%以上，静态模式下双频RTK收敛时间缩短最多，两条基线分别缩短66.9%和67.8%；3种模式多系统站间钟差的万秒稳均进入10-15量级，动态模式和静态模式下短期稳定度相比GPS单系统有明显改善，但随着平均时间的增长，这种改善也在逐渐减弱。试验结果可为城域环境下GNSS多系统RTK授时的应用推广提供一定的参考。     

差分码偏差对PPP授时精度影响的研究

论文分析了不同机构差分码偏差(DCB)产品的天稳性.选取了2个外接氢原子钟的测站进行实验,以国际GNSS服务组织(IGS)发布的接收机钟差为参考值,分析了不同机构DCB产品对2个测站PPP授时精度的影响.实验结果表明:1)不同机构DCB产品的天稳性差异不大,中国科学院天稳性略优于德国宇航中心;2)2个测站使用不同机构的DCB产品估计钟差的均方差(RMS)和时间偏差(Bias)均优于0.4ns,其中中国科学院产品精度最高,RMS和Bias均优于0.2ns;德国宇航中心和欧洲定轨中心精度略差,但也能够达到亚纳秒级,可为下一步推广PPP授时应用提供一定的参考.     

中国科学院国家授时中心“高精度时间传递与精密测定轨”研究室简介

正研究方向和平台:主要研究高精度时间频率传递与精密测定轨技术,以及相关的科学问题。具体包括:1)双向卫星时间频率传递(TWSTFT)与转发式测定轨。研制了国内多站分布的双向卫星时间传递与转发式测定轨系统平台,开展双向卫星时间频率传递技术研究,开展卫星转发式测定轨技术(ODTT)研究;2)北斗/GNSS精密测定轨与时间服务。研制了国际GNSS监测评估系统(iGMAS)国内跟踪网、数据中心和分析中心平台,开展北斗/GNSS卫星及低轨卫星精密轨道与钟差确定、电离层延迟和对流层延迟解算建模、GNSS卫星精密定位授时与时间频率传递等技术研究,以及日长变化和极移等相关科学研究;     

BDS-3多种授时方法精度试验及比较分析

北斗卫星导航系统(BDS)本质上是一个高精度时间空间信息服务系统,是我国 自主运行的重要空间基础设施.BDS-3已于2020年7月正式开通,向广大用户提供RNSS、SBAS、RDSS单向和RDSS双向等多种授时服务.针对BDS-3提供的各种授时服务进行了简要介绍,详细讨论了各种授时方法,并利用实测数据进行了试验验证和比较分析.结果表明,BDS-3授时服务精度全部优于公布的指标要求,其中精度最高的SBAS授时方法精度可达2ns左右,RDSS双向授时精度和RNSS授时精度相当,达到9ns左右,RDSS单向授时精度最差,在15～30ns左右.     

数字卫星电视授时方法及其研究进展

为丰富和完善国家时间频率体系建设,提高现有定位导航与授时(PNT)体系的服务能力,中国科学院国家授时中心开展了基于数字卫星电视信号的授时方法研究,并搭建了一套数字卫星电视授时系统,实际测试结果表明其定时精度优于50ns(均方根).首先综述了数字卫星电视授时方法中的理论框架及其若干关键技术问题,然后介绍了在提高授时精度方面的研究进展,最后指出了数字卫星电视授时方法的应用场景和由此方法衍生出的电视卫星测定轨、目标定位等应用前景,并展望了未来的研究方向.     

卫星导航增强技术

精度、连续性、可用性、完好性,是评价全球卫星导航系统(GNSS)及用户接收机设备性能的四项基本指标。其中,精度是指GNSS的定位和授时精确度,完好性是指GNSS定位和授时输出结果的可信度。没有完好性保证的GNSS定位和授时技术无法成为众多应用领域的主导航手段,尤其是那些与经济、财产、生命相关的应用领域(如航空导航、航海导航、武器制导、交通执法、不停车收费、气象探空、电力授时等),对GNSS的精度和完好性提出了较高要求,这些要求超出了GNSS基本系统的服务能力,因此需要在GNSS基本系统的基础上,建设专门的增强系统,以提高用户设备的精度和完好性,从而满足特定用户的使用需求。欧美等国针对GPS在航空、航海领域的应用,建设了多套GPS增强系统,中国针对BDS基本系统,建设了北斗地基增强系统。在分析GNSS精度和完好性指标的基础上,介绍GNSS增强系统和技术。     

面向Android智能终端的多模GNSS实时非差精密定位

Android操作系统中全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的开放为大众高精度位置服务的应用带来了重要机遇。在对Android系统GNSS原始数据特性分析的基础上,利用智能终端GNSS原始数据实现了实时非差精密定位,研制了面向Android平台的实时精密单点定位(PPP)软件PPPAnd,并开展了实际环境下的定位测试。测试结果表明:基于Android终端GNSS原始数据的实时静态伪距单点定位精度(RMS)为1.16m(水平方向)和1.51m(垂直方向),较其自身位置速度和时间(PVT)解算结果分别提高了70%和76%;实时静态精密单点定位解算结果的精度(RMS)为0.62m(水平方向)和0.66m(垂直方向),较PVT结果分别提高了87%和82%,精度收敛至1m以内所需时间约8min,并且收敛后的精度可达亚米级;城市环境中车载实时动态精密单点定位的水平和垂直精度(RMS)分别约为1.32m和0.81m,较PVT结果分别提高了39%和65%。     

基于相位平滑伪距的GNSS时差监测评估

随着全球卫星导航系统进一步的发展和完善,在系统层面上对各个GNSS进行实时时差监测是必要的。为了降低时差监测中伪距观测值的观测噪声及多径误差对时差监测的影响,采用相位平滑伪距的方法对伪距观测值的噪声及多径误差进行平滑,该方法可以实时地对伪距观测值进行处理,并且具有较好的平滑效果。利用平滑后的伪距观测值进行时差监测可以将时差监测值的标准差由2~4ns降低到1~3ns,噪声降低比率平均在20%以上。在与BIPM公布的时差数据相比,GPS-GLONASS实测值也具有较好的一致性,可以满足GNSS时差监测与预报的需求。     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

卫星授时与时间传递技术进展

近年来,卫星导航技术发展迅速.卫星导航系统以精密时间测量技术为基础,实现了伪距测量,进而实现定位.同时,卫星导航系统还提供了高精度授时功能.综述了卫星导航系统的授时和时间频率传递技术、基于通信卫星的授时技术以及双向卫星时间频率传递(TWSTFT)技术等.随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的建成和提供服务,BDS授时应用研究正在快速发展.基于BDS/GNSS多系统的精密单点定位(PPP)时间传递技术已成为重点研究方向,未来将会应用于国际时间比对.同时,随着卫星通信技术尤其是低轨通信卫星技术的快速发展,低轨通信卫星授时会成为一个有潜力的研究方向.     

北斗高精度高可信PPP-RTK服务基本框架

北斗高精度高可信定位是实现无人系统自动驾驶的重要基础。近年来发展的实时动态精密单点定位（PPP-RTK）技术，融合了网络RTK和PPP的技术优势，逐渐成为学术和工业界关注的焦点。PPP-RTK以状态域改正信息为核心，可同时提供精准可信的时空信息服务，因而获得了自动驾驶等高生命安全领域应用的一致青睐。然而，目前国内外对PPP-RTK技术的研究主要聚焦于高精度技术，在高可信方面尚未形成可行的理论基础和服务框架。针对此，以PPP-RTK高精度定位理论体系为基础，探讨了北斗/GNSS PPP-RTK高精度高可信服务的用户需求、基本概念、理论方法与技术框架，同时给出了部分关键技术的代表性解决思路，为北斗/GNSS高精度高可信PPP-RTK技术体系和服务架构的建立奠定基础。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

GNSS超快速产品在全球标准时间复现中的应用

为满足大跨度空间范围内的时间同步需求,对基于共视时间比对原理的标准时间复现系统进行改进,采用全视时间比对方法解决原系统应用基线受限的问题.考虑实时性的要求,使用全球卫星导航系统(GNSS)超快速产品(预测部分)提供卫星位置和卫星钟差,以尽可能消除广播星历和钟差对复现结果的影响.分析了常用的几家机构发布的GNSS超快速产...     

Vehicular remote tolling services using EGNOS

Future Global Navigation Satellite Systems (GNSS) will significantly improve the performance of current navigation systems, providing new and enhanced capabilities. This will enable the implementation of innovative and advanced services and applications closer to the user's needs. In this framework, the road sector is one of the major potential markets for GNSS applications and, therefore, it is very promising for future EGNOS and GALILEO related applications. Satellite navigation receivers are now commonly installed in cars as a key tool for proving new services to people on the move such as electronic charging, real-time traffic information, emergency calls, route guidance, fleet management, or advance driving assistance systems. Specifically, a very important commercial opportunity is represented by the tolling-related applications. This paper describes the Vehicular Remote Tolling (VeRT) Project sponsored by Galileo Joint Undertaking (GJU) and performed in the frame of the first GJU Call under the EC VI Framework Programme. The overall design of the service provision architecture is also presented in this paper, together with the main topics related to the following activities focused on the service prototype demonstrator development.     

不同GNSS星载原子钟周期特性分析

高精度的卫星时钟修正是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础。为了提高GNSS钟差预报精度，需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析。基于2016年全年的GNSS精密卫星钟差数据，利用中位数方法进行了数据预处理，使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差，利用频谱分析法分析了BDS、GPS卫星钟差的周期特性，全面分析了BDS、GPS星载原子钟的周期特性。分析结果表明：除Cs钟外，其他卫星钟差都表现出较好的周期特性，BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h附近；同时不同的轨道、原子钟，其钟差周期项不同，而相同的轨道类型，其钟差周期项也存在一定差异；卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍。