基于精密单点定位的GNSS时间同步方法研究

吕大千

1. 国防科技大学电子对抗学院，安徽 合肥 230037； 2. 通信信息控制和安全技术重点实验室，浙江 嘉兴 314033

高精度时间服务是国家综合PNT(positioning，navigation，timing)体系的重要组成部分，在国防军事、移动通信、天文观测等领域中发挥着重要作用。论文采用全球导航卫星系统GNSS授时的方式，提出了一种基于精密单点定位(PPP)技术的时间同步方法。该方法根据PPP时间传递结果驾驭本地时钟，使本地时钟所表示的本地时间与基准时间同步，可以达到亚纳秒级的时间同步精度，并且具备全天候、全覆盖、高精度、低成本等优点。论文围绕PPP时间同步这一核心问题，按照从事后模式到实时模式、从理论研究到工程实现的研究主线，主要内容如下：

(1) PPP参数估计方法改进与误差补偿问题。研究了基于先验坐标约束的扩展Kalman滤波方法来提升PPP时间传递性能；研究了基于整数相位钟法的模糊度固定方法，提出了适用于定时计算的模糊度固定与质量控制策略，采用假设检验、统计决策、残差检验等多种方法对模糊度固定各个阶段进行质量控制；研究了针对GLONASS伪距频间偏差和BDS星端多径误差的补偿方法。试验结果表明，上述参数估计改进与补偿方法均能够有效提升PPP时间传递性能。

(2) 事后条件下的PPP时间传递问题。研究了多系统观测数据融合处理中的误差改正问题，提出一种基于GPS/GLONASS/BDS/Galileo的多模GNSS PPP时间传递算法；针对PPP时间传递中的日界问题，提出基于钟差重收敛(clock instantaneous reinitialization)的多模GNSS PPP和整数相位钟时间传递算法。主要研究结论为：①基于多模GNSS PPP和整数相位钟法的时间传递均存在不同程度的日界问题；②钟差重收敛算法不仅能够解决时间传递的日界问题，而且可以削弱PPP参数估计过程中的未建模噪声误差，进一步提升基于多模GNSS和整数相位钟法的PPP时间传递性能。

(3) 实时条件下的PPP时间传递与监测问题。首先介绍了时间监测的具体含义；然后以CLK93实时星历产品为例，比较分析了GPS 、GLONASS、BDS和Galileo的产品质量；在现有GPS PPP时间传递与监测方法基础上，提出了基于GPS/GLONASS/BDS/Galileo的多模GNSS PPP时间传递与监测算法、多模GNSS混合相位钟法的时间传递与监测算法，研究了多模GNSS混合相位钟法的相位偏差和伪距偏差改正问题；最后综合比较上述多种时间传递与监测算法性能。主要研究结论为：①现阶段，模糊度固定解技术对时间传递与监测的性能提升要优于多模GNSS观测值；②多模GNSS观测值的加入可以增强PPP时间传递的可靠性，同时运用多模GNSS观测值和模糊度固定解技术进行时间传递与监测的性能最优。

(4) 基于PPP技术的时间同步问题。针对分布式系统时间同步对高精度和灵活性的双重需求，提出了一种PPP时间同步方法。分析了PPP时间同步特点和场景要求；解决了分布式高精度时间同步的时间基准选择问题；设计了PPP时间同步测试系统的软件和硬件实现。最后通过硬件系统实验测试了GPS PPP和多模GNSS PPP时间同步性能。主要研究结论为：①PPP时间同步方法适用于解决广域空间内稀疏分布式系统的时间同步问题；②在现有众多实时精密星历产品中，CLK53和CLK80的产品质量和时间基准稳定度较好，可以为PPP时间同步提供时间基准支持；③GPS PPP时间同步均方根误差约为0.41 ns，多模GNSS PPP时间同步性能约为0.33 ns。