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PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递

面向精密可靠的远程时间传递需求,提出一种基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法。该方法利用北斗三号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务提供的精密轨道改正数,根据实时载波相位单差技术估算异地接收机的相对钟差,实现高精度时间传递。基于中国及周边地区6个跟踪站连续多天的北斗三号系统观测数据开展试验,验证了该时间传递方法的性能。试验结果表明:零基线时间传递结果的标准差优于0.03 ns。与事后PPP时间传递相比,长基线时间传递结果差值的标准差优于0.3 ns,时间传递天边界连续性更好。基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法,不依赖精密卫星钟差,能实现亚纳秒量级的时间传递精度,具有易于实现、连续性好的优势。试验结果可为北斗精密时间服务提供一定的参考。     

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...     

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.     

基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统

UTC是国际标准时间.UTC(NTSC)是UTC的物理实现之一,是我国的国家标准时间,也是我国一切授时业务的基础.目前,广泛应用的GNSS授时精度可达10～50ns.随着现代信息社会的快速发展,数十纳秒的授时精度及事后处理的工作模式已无法满足需求.针对上述问题,设计了基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统(PTS).PTS的基本原理为:服务端基于iGMAS平台生成实时轨道及以UTC(NTSC)为参考的实时卫星钟差,用户端结合实时产品及伪距、载波相位观测数据,解算本地钟与UTC(NTSC)偏差.此外,搭建了PTS原型系统并展开测试分析,测试结果显示,基于PTS原型系统,各用户站授时精度均优于1ns.与GNSS授时技术相比,PTS将授时精度提高了1～2个量级,且基于国家标准时间授时,成本低廉,易于实现,具有应用前景.     

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.     

BDS-3时间频率传递方法及其性能分析

我国独立自主建设的全球卫星导航系统——北斗三号（BDS-3），在2018年底已完成基本系统建设，计划2020年底全面建成并正式为全球用户提供定位、导航和授时服务。考虑到BDS-3系统与BDS-2区域系统在覆盖范围、卫星载荷、信号设计等方面的差异，其远程时间传递的性能有待进一步分析研究。利用GNSS时间传递中的共视法和载波相位时间传递方法，基于国际时间实验室BDS-2和BDS-3的短基线、长基线时间传递链路，对其时间传递链路的噪声水平和频率稳定度进行定量分析。实验结果表明，对于共视法，在时间传递的噪声水平和频率稳定度方面，BDS-3都明显优于BDS-2；长基线链路的精度为1.48ns（BDS-3）和3.13ns（BDS-2），短基线链路的精度为0.65ns（BDS-3）和1.02ns（BDS-2）。对于载波相位方法，BDS-3和BDS-2时间传递的噪声水平相当，长基线链路的精度为0.20ns，短基线链路的精度为0.02ns；但在频率稳定度方面，BDS-3优于BDS-2。     

北斗三号系统精密单点定位服务解析与应用

为提高北斗三号系统在高精度应用领域的竞争力,规划并设计了精密单点定位服务.基于精密单点定位服务信号接口控制文件,对北斗三号精密单点定位服务的信号设计进行解析,并提出了一种用户应用算法,最后给出了北斗三号精密单点定位服务的试验验证结果.试验结果表明,北斗三号精密单点定位服务水平定位精度优于0.3m,高程精度优于0.6m,...     

利用改正数信息的北斗三号实时精密单点定位及性能分析

北斗三号全球卫星导航系统已正式建成并开通服务。为了利用实时改正数信息系统地揭示北斗三号精密单点定位性能，并为用户提供理论依据和应用参考，首先解算了卫星实时精密轨道、钟差及其改正数，分析了其精度。然后基于实时改正数信息，利用监测站广播星历和观测数据，分别进行了双频静态、双频仿动态、单频静态和单频仿动态仿实时精密单点定位，以评估其性能。结果表明：北斗三号MEO卫星实时轨道和钟差精度均值分别约为12cm和0.2ns，满足实时精密单点定位需求。静态实时精密单点定位精度优于动态，双频优于单频，均可达到分米级。对于定位收敛时间，双频静态最短，约为40min；双频动态和单频静态均约为85min；单频动态最长，约为120min。     

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;     

北斗实时精密轨道和钟差产品解算策略及精度评定

随着北斗卫星导航系统全球星座部署即将完成，其应用领域不断扩大，实时精密服务性能受到了极大关注。基于动力学精密定轨方法，设计了北斗卫星实时轨道、钟差算法流程和解算策略。利用不同频点信号，分别计算了BDS-2和BDS-3卫星的实时精密轨道和钟差，建立了完整的轨道和钟差精度评定方法，重点对解算的实时产品的精度进行了评定。结果表明：BDS-2和BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度均可满足大部分实时用户的需求。对于B1IB3I频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度约为26cm，径向精度约为6cm，实时钟差精度约为0.45ns，且相较于BDS-2，性能更加稳定；对于B1CB2a频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度优于20cm，精度和稳定性较高。     

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。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高频观测数据,基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(precise point positioning, PPP)实时计算2021年漾濞M_w6.4地震和玛多M_w 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差(standard deviation, STD)均值为0.142 ns,其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm,高程方向达到1.0 cm,计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。     

基于卫星授时控制器的设计与实现

针对一些小型试验场或舰船上的条件局限性,对授时、控制等参试设备提出了更高的要求,希望提供一种功能全面、携带方便的小型化设备,用以满足试验的多种需求.为解决这个问题,研制了新一代时统设备——卫星授时控制器.基于GPS（全球定位系统）/BDS-Ⅱ（“北斗”二代）卫星授时原理,采用功能较强的微控制器和可编程器件产生多种时频信号、控制信号和模拟导航信息,实现了定时、控制、接收和产生等多重功能,提高了设备的集成性、通用性和便携性;同时采用倍频、锁相、驯服等技术,使设备10 MHz频率源的准确度提高2个量级,卫星同步精度优于50 ns.该控制器已成功应用于移动测控站和舰船试验中,效果良好.     

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sentinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1 min,低轨卫星钟差预报精度（预报与解算值之差的RMSE）在0.1 ns之内,当预报时长小于5 min,预报精度在0.3 ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。     

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.