多通道GPS共视法时频传递接收机的研制

GPS共视法是国际上流行的远距离时间频率传递技术,核心是共视法接收机。我们成功研制了多通道GPS共视法时频传递接收机系统,硬件部分主要由自主研制的高精度时间间隔计数器和Motorola生产的VPONCORE GPS引擎组成,软件符合时间频率咨询委员会(CCTF)发布的GPS共视法数据处理软件标准化指南的要求,与单通道GPS定时接收机相比,界面更友好,操作更方便,具有很强的分析处理数据功能。经测试证明多通道GPS接收机零基线共钟共视时间比对的不确定度小于4 ns(仰角40°),与国外报道基本相同。     

GPS时间比对数据的Vondrak平滑和三次样条插值处理

介绍了Vondrak平滑方法和三次样条插值方法。利用国家授时中心时间频率基准重点实验室的GPS时间比对数据,先进行预处理和规范化处理,再采用Vondrak平滑方法和三次样条插值方法进行处理,得到的结果表明:在实际中利用Vondrak平滑方法和三次样条插值方法对GPS时间比对数据处理是可行的,减弱了随机噪声的影响。     

GPS授时校频方法研究与试验结果

为了解决多目标综合测量系统各测站之间时间同步和频率校准问题,提出了利用GPS(Global Positioning System)单星或多星共视方法进行站间时间同步与校频,给出了这两种方法的计算公式,分析了星历误差、星钟误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多径效应和接收机硬件延迟对时间同步精度的影响.为了验证GPS授时校频精度,进行了相关试验.通过与铯原子钟比对,表明利用GPS可实现纳秒级时间同步,校频精度也优于5.0×10-11,多星共视具有更高的同步校频精度.      

基于北斗三号的长基线共视时间比对

卫星导航共视时间比对一直是远距离时间比对的重要方法之一。使用我国最新发射的北斗三号全球导航卫星,基于中科院国家授时中心（NTSC）和捷克光电研究院（TP）各自的时间产生和保持系统,开展了中捷北斗三号长基线共视时间比对试验。本文对中捷两站各自的北斗卫星可视数及其卫星高度角情况进行了统计分析,利用Vondark滤波对时间比对结果进行了降噪处理,最后将北斗三号共视时间比对结果与北斗二号及GPS共视时间比对结果进行了比较。结果表明：北斗三号在当前全球组网阶段中捷共视可视卫星数比北斗二号还少的情况下,其共视时间比对精度达到1.16ns,较北斗二号提升约19%,与GPS更为接近。     

国内和国际时间、频率的比对

利用卫星进行时间、频率比对的技术已为测量远地时钟之间的时间差及频率差提供了条件并大大地提高了测量精度。本文将对各种远地时钟比对技术做一扼要回顾,而重点放在全球定位系统(GPS)上。 GPS系统的问世首先为低成本、高精度、自动化地进行国际时间、频率的比对创造了条件。已经证明,当已知卫星星历表在几米之内时,这折算成地球表面上的两个远地时钟在同时接收GPS信号的时差仅为几个毫微秒。两个远地时钟的时差是简单地通过两地读数相减得到的,而每一地的读数则从共视测量值中减去一个差动延迟常数而得到。延迟常数可通过一开始的计算或测量获得。利用这种同时观测技术也可将其他共模误差如GPS时钟误差、电离层误差等消除或减少。由于GPS卫星轨道的黄道(ecliptic)的倾角很高,因此基本上可以做到所有北半球各观测点之间具有共视能力,而南半球的主要观测点则与北部的关键定时中心之间具有共视能力。本文也将对其他技术如“双向”卫星技术、LASSO、STIFT、GOES气象卫星系统及其有关技术等做一回顾和讨论。上述技术的现状将在对它们的用途和特点的叙述时一并讨论。有关将来的发展计划也将论及。     

利用GPS技术实时监测上海区域电离层变化

基于GPS技术实时监测电离层变化原理, 利用载波平滑伪距观测值建立区域电离层模型的方法, 计算了电离层延迟量和硬件延迟, 根据硬件延迟值相对稳定的特点, 采取一定时段求解出硬件延迟量, 对实时硬件延迟量进行预报, 进而实时分离GPS信号传播路径上的垂直总电子含量VTEC. 利用上海区域内的GPS网的观测数据, 建立实时上海区域电离层延迟模型, 监测上海区域的电离层变化. 数据分析结果表明, 这种方法的内符合精度优于3 TECU.      

GPS多接收机组合的共视时间比对技术研究

为提高GPS共视时间比对的性能,本文介绍了利用中科院国家授时中心（NTSC）和德国物理技术研究院（PTB）两个守时实验室的多台接收机,基于多接收机组合技术原理,构建了NTSC和PTB各自的多接收机组合系统,采用数据融合技术,计算得出两个多接收机系统的观测数据并进行了时间比对试验及性能分析。结果表明,多接收机组合不仅提高了GPS共视的可靠性和稳定性,且提高了时间比对链路的精度。多接收机链路共视时间比对结果的标准偏差STDEV为1.36ns,比单接收机链路时间比对结果的STDEV值平均提高了19.4%,日稳可达3.2×10^-14。     

BM1308-52型GPS/BDS时间传递接收机研制与性能分析CSCD

随着北斗卫星导航系统(BDS)的发展与完善,基于BDS的时间传递应用需求越来越迫切。简要介绍了为开展北斗时间传递研究自研的多通道多频GPS/BDS时间传递接收机BM1308-52。接收机可同时接收GPS、BDS的码信息和载波相位信息,输出GPS、BDS的CGGTTS标准共视文件和Rinex观测文件,观测时间、处理方法及数据输出格式符合国际规范。最后,利用实测数据测试了BM1308-52的性能,测试结果表明,GPS单向时间比对和零基线共视比对不确定度优于2ns,BD单向时间比对不确定度优于3ns,与国际水平相当。BM1308-52的系统稳定可靠,观测精度高,可以更好地为时间频率传递服务。     

BM1308-52型GPS/BDS时间传递接收机研制与性能分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)的发展与完善,基于BDS的时间传递应用需求越来越迫切。简要介绍了为开展北斗时间传递研究自研的多通道多频GPS/BDS时间传递接收机BM1308-52。接收机可同时接收GPS、BDS的码信息和载波相位信息,输出GPS、BDS的CGGTTS标准共视文件和Rinex观测文件,观测时间、处理方法及数据输出格式符合国际规范。最后,利用实测数据测试了BM1308-52的性能,测试结果表明,GPS单向时间比对和零基线共视比对不确定度优于2ns,BD单向时间比对不确定度优于3ns,与国际水平相当。BM1308-52的系统稳定可靠,观测精度高,可以更好地为时间频率传递服务。     

多GNSS全球电离层建模特性及其精度检验

分别以GPS单系统和融合BDS,GPS,GLONASS三系统两种方案,采用载波相位平滑伪距观测值和球谐函数,构建了全球电离层延迟模型并进行了对比和分析.本文以GPS单系统和融合三系统两种方法反演了2014年1月每日电离层变化过程,解算得出了频间偏差的月综合产品,并对结果进行了对比和分析.事实上,三系统融合不仅增加了可观测的卫星数,而且改善了穿刺点的几何分布.分析结果表明,三系统融合反演全球电离层在精度上优于GPS单系统,均有5~10 TECU的提高.计算得到的频间偏差结果显示,GPS优于GIONASS,BDS稳定性则较次之.     

电离层多普勒接收机的设计与实验

利用软件无线电技术设计了一种电离层多普勒接收机. 该接收机采用DSP, FPGA等数字芯片与PXI总线进行架构, 使用GPS作为接收机的时间和频率同 步模块, 能够灵活设置系统参数. 实验接收来自中国蒲城陕西天文台的高 频时间信号, 实时获取由于电离层扰动所产生的多普勒频率偏移信息. 使用通过MATLAB语言实现的信号处理软件平台, 对接收到的高频信号进行处理. 观测结果表明, 接收机能够分析电离层回波信号的多普勒频移随时间的变化, 是获取不同空间尺度电离层扰动信息的一种有效手段.      

Klobuchar模型的实用分析与改进

电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.      

利用GPS进行时间传递与频率比对

全面介绍了ＢＩＲＭＭ从１９８６～１９９２年间从事利用时间ＧＰＳ进行时间传递与频率比对技术研究方面的情况，包括所建立的ＣＰＳ定时校频系统、单站定时、ＳＡ对定时精度的影响、ＧＰＳ定时信号噪声模型、卡尔曼滤波、电离层时延估算、ＧＰＳ共视试验、ＣＰＳ校频、接收系统差测量等。     

Near real-time PPP-based monitoring of the ionosphere using dual-frequency GPS/BDS/Galileo data

Ionosphere delay is very important to GNSS observations, since it is one of the main error sources which have to be mitigated even eliminated in order to determine reliable and precise positions. The ionosphere is a dispersive medium to radio signal, so the value of the group delay or phase advance of GNSS radio signal depends on the signal frequency. Ground-based GNSS stations have been used for ionosphere monitoring and modeling for a long time. In this paper we will introduce a novel approach suitable for single-receiver operation based on the precise point positioning (PPP) technique. One of the main characteristic is that only carrier-phase observations are used to avoid particular effects of pseudorange observations. The technique consists of introducing ionosphere ambiguity parameters obtained from PPP filter into the geometry-free combination of observations to estimate ionospheric delays. Observational data from stations that are capable of tracking the GPS/BDS/GALILEO from the International GNSS Service (IGS) Multi-GNSS Experiments (MGEX) network are processed. For the purpose of performance validation, ionospheric delays series derived from the novel approach are compared with the global ionospheric map (GIM) from Ionospheric Associate Analysis Centers (IAACs). The results are encouraging and offer potential solutions to the near real-time ionosphere monitoring.     

Regional VTEC modeling with multivariate adaptive regression splines

Different algorithms have been proposed for the modeling of the ionosphere. The most frequently used method is based on the spherical harmonic functions achieving successful results for global modeling but not for the local and regional applications due to the bounded spherical harmonic representation. Irregular data distribution and data gaps cause also difficulties in the global modeling of the ionosphere. In this paper we propose an efficient algorithm with Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS) to represent a new non-parametric approach for regional spatio-temporal mapping of the ionospheric electron density using ground-based GPS observations. MARS can handle very large data sets of observations and is an adaptive and flexible method, which can be applied to both linear and non-linear problems. The basis functions are directly obtained from the observations and have space partitioning property resulting in an adaptive model. This property helps to avoid numerical problems and computational inefficiency caused by the number of coefficients, which has to be increased to detect the local variations of the ionosphere. Since the fitting procedure is additive it does not require gridding and is able to process large amounts of data with large gaps. Additionally the model complexity can be controlled by the user via limiting the maximal number of coefficients and the order of products of the basis functions. In this study the MARS algorithm is applied to real data sets over Europe for regional ionosphere modeling. The results are compared with the results of Bernese GPS Software over the same region.     

New field of application of the IRI modeling – Determination of ionosphere transfer characteristic for radio astronomical signals

We suggest a new field of application of IRI modeling – determination of ionosphere transfer characteristic (ITC) for radio astronomical signals (RAS). VHF and HF RAS are widely used for observations of the Sun and pulsars. It is necessary to take into account possible distortions of RAS in the Earth ionosphere. However, in contrast to modern navigation systems (GPS, GLONASS, GALILEO), where very accurate reconstruction of ionosphere parameters is a built-in function, in present-day radio astronomy a retrieve of ITC has not been appropriately worked out yet. It collides with increasing requirements to accuracy of the analysis of RAS amplitude profile and to the angular and polarizing resolution of radio telescopes of new generation. We have developed a method and software for calculation of the ionosphere measure of rotation (RM) and the measure of dispersion (DM). We used the ionosphere model IRI-2001, magnetic-field model IGRF-10 and values of ionosphere total electron content as deduced from GPS measurements. The obtained values of the ionosphere DM and RM were recalculated into characteristics of phase delay, Faraday amplitude modulation and polarization changes. We made calculations for different levels of geomagnetic activity and for different angular position of radio sources as well.     

观测站稀疏地区的WAAS电离层时延网格修正算法

在改进的广域增强系统电离层时延网格算法的基础上，给出了针对观测量比较少的地区比较适用的电离层时延网格修正算法，并通过模拟数据和GPS实测数据与原方法进行了分析比较．结果表明，在观测站稀疏的情况下，本文的计算方法模式的精度比原方法有较大的提高．     

南极GPS定位中的电离层延迟分析

基于南极地区国际GNSS服务组织(IGS,International GNSS Service)跟踪站的全球定位系统(GPS,Global Position System)双频实测数据,分析了南极地区电离层延迟的变化情况及其二阶项延迟对南极GPS定位结果的影响.结果表明:南极地区的总电子含量(TEC,Total Electron Content)日间波动频繁,其日间TEC最大值变化较中纬度地区剧烈;在南极地区夏季,电离层二阶项延迟对GPS定位结果的影响可达cm级.同时,由于欧洲定轨中心(CODE,The European Center for Orbit Determination)提供的全球电离层模型(GIM,Global Ionosphere Maps)在南极区域应用的局限性,通过选取南极地区6个IGS跟踪站作为基准站建立了区域电离层TEC模型(RIM,Regional Ionosphere Model).经实测数据计算证明,对于南极地区,RIM的定位精度在一定程度上优于全球电离层模型GIM.