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GNSS广播协调世界时偏差误差评估方法与分析
焦文海1, 张慧君2,3,4, 朱琳2,3,4, 李孝辉2,3,4, 朱峰2,4     
1. 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094;
2. 中国科学院国家授时中心, 西安 710600;
3. 中国科学院大学, 北京 100039;
4. 中国科学院精密导航定位与定时重点实验室, 西安 710600
摘要:全球卫星导航系统(GNSS)广播协调世界时偏差误差(UTCOE)近年来成为卫星导航供应商和用户关注的焦点之一。本文研究了UTCOE的定义,提出了基于中科院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)和国际权度局(BIPM)时间公报的UTCOE间接评估方法,并采用GPS UTCOE直接评估方法对该方法的有效性进行了验证,给出了评估的不确定度预算。利用搭建的GNSS系统时间偏差监测系统输出数据,评估了BDS、GPS、GLONASS的UTCOE。在2018年全年的评估周期内,BDS UTCOE的均方根(RMS)为17.33 ns。BDS、GPS、GLONASS 3大系统的UTCOE的95%统计值分别为35.47、2.08以及8.64 ns。结果表明,BDS、GPS和GLONASS的UTCOE都符合性能承诺,但GPS远优于系统承诺,GLONASS次之,BDS的UTCOE结果临界,且呈现出明显的系统误差特性。BDS的UTCOE具有较大的提升空间。
关键词GNSS    授时    UTCOE    评估方法    
Assessment method and analysis of broadcast coordinated universal time offset error
JIAO Wenhai1, ZHANG Huijun2,3,4, ZHU Lin2,3,4, LI Xiaohui2,3,4, ZHU Feng2,4     
1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China;
2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences(NTSC), Xi'an 710600, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;
4. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi'an, 710600, Chinat
Abstract: Coordinated universal time offset error(UTCOE) which is the error of broadcasted coordinated universal time offset(UTCO) has become one of the focuses that global navigation satellite system(GNSS) provider and its users are concerned in recent years. This paper studies UTCOE definition, proposes an indirect assessment method of UTCOE based on Coordinated Universal Time(UTC) kept by National Time Service Center(UTC(NTSC)) and circular T bulletin published by International Bureau of Measurement(BIPM).The validity of the method is verified by using direct assessment method of GPS UTCOE. Furthermore, uncertainty budget of the assessment method is also given. The UTCOE of BDS, GPS and GLONASS are assessed utilizing the monitoring data from the running GNSS system time offset monitoring system at NTSC. During the assessment cycle throughout 2018, the root mean square (RMS) of BDS UTCOE is 17.33 ns. The 95% statistical value of UTCOE of BDS, GPS and GLONASS are 35.47、2.08 and 8.64 ns, respectively. The results show that the UTCOE of BDS, GPS and GLONASS all meet their own standard performance specifications. The UTCOE assessment results of GPS are far superior to its performance commitment. GLONASS is the second. BDS UTCOE assessment results are critical and show obvious systematic error characteristic. So, the UTCOE of BDS has a large room for promotion.
Key words: GNSS    time dissemination    UTCOE    assessment method    

全球卫星导航系统(GNSS)主要为各类用户提供定位、测速和授时服务。授时是GNSS系统的3大基本服务功能之一,它通过GNSS授时接收机接收导航卫星信号并处理后获得,其可输出10 MHz标准频率信号和1 PPS秒脉冲信号。对于输出的秒脉冲信号而言,通常有两种选项,一种是相对GNSS系统时间,如相对于GPST、BDT、GLONASST和GST;另一种是相对于协调世界时(UTC),其在相对GNSS系统时间的基础上,利用导航卫星广播的协调世界时偏差(UTCO)参数和闰秒信息计算后得到[1]。由此可知,GNSS授时接收机输出的协调世界时秒脉冲信号误差,不仅与常规的星历误差、传输误差和用户段误差相关,还与计算得到的协调世界时偏差误差(UTCOE)相关[2]

国内外对GNSS定位性能评估研究较多,但是对授时误差评估方法研究较少[3-6],尤其是协调世界时UTC的GNSS授时误差以及广播协调世界时偏差误差(UTCOE)评估方法研究则更少。2016年1月25日—2016年1月26日,由于剔除退役卫星造成软件故障,GPS系统15颗卫星广播的UTCO参数出现异常,致使GNSS授时接收机计算得到的UTCO值约为-13.0 μs,持续时间近14 h,严重影响了部分用户对UTC时间的获取[7]。该故障的发生,促使各方更加关注协调世界时偏差误差的监测和评估。国际全球卫星导航系统委员会(ICG)成立监测评估任务组,与国际GNSS服务(IGS)联合开展研究,将UTCOE作为卫星导航服务性能重点评估的5个参数之一。其他4个参数包括广播星历误差、卫星钟差、空间信号测距误差(SISRE)和PDOP值。

UTCOE定义为广播的协调世界时偏差(预报值)与其测量值的偏差,也即协调世界时偏差的准确度,它是影响GNSS用户获得UTC的主要误差源之一。各卫星导航系统供应商都以官方文件的形式公布了UTCOE的性能标准。GPS系统承诺,对于任意健康的单频L1 C/A码信号,在GPS系统正常运行期间的任何数据龄期内(AOD),全球平均UTCOE≤40 ns(95%)[8]。Galileo系统承诺,在Galileo系统正常运行期间,对于任意公开服务的空间信号、在任意用户位置、在所有的数据龄期(AOD)内,UTCOE≤30 ns(95%)[9]。北斗系统则承诺,对于任意北斗卫星(GEO、IGSO、MEO),公开服务健康空间信号B1I、B3I、B1C、B2a,UTCOE精度指标≤20 ns(RMS)[10]。GPS、Galileo和GLONASS利用协调世界时偏差预报值与其测量值的偏差均计算了各自的UTCOE,并通过不同载体提供给用户。本文提出了一种基于中科院国家授时中心保持的UTC(NTSC)时间基准和国际权度局(BIPM)快速T公报(UTCr)提供的UTCr-UTC(k)偏差数据相结合,评估GNSS广播的UTCO准确度的方法。该方法可同时获得GPS、GLONASS、Galileo和北斗系统的UTCOE结果,适用于第3方对卫星导航系统供应商提供的协调世界时偏差的准确度进行评估,进而验证各个系统广播的UTCO是否满足其性能承诺。

1 协调世界时偏差误差(UTCOE)评估方法 1.1 时间溯源及UTCOE定义内涵

对一般授时用户而言,经常涉及的时间主要包括:UTC、UTCr、UTC(k)和卫星导航系统时间。协调世界时(UTC)是目前国际法定的标准时间尺度,它由国际权度局(BIPM)保持。UTC是在统一的国际原子时TAI的基础上产生的纸面时间尺度[11]。为了与地球不规则自转保持一致,根据国际地球自转服务组织(IERS)对地球自转的天文观测数据,对UTC实施闰秒调整(正1 s或负1 s)[12]。全球80多个守时实验室的500多台原子钟为UTC的计算提供数据。根据每个守时实验室的原子钟数量以及性能来确定其在UTC计算时权重的大小,权重值反映了该实验室对UTC的贡献大小[13]。这些守时实验室所保持的协调世界时UTC(k)是UTC的本地物理实现,k表示实验室名称。例如,中国科学院国家授时中心(NTSC)保持的协调世界时称为UTC(NTSC),美国海军天文台(USNO)保持的协调世界时称为UTC(USNO),俄罗斯时间与空间计量研究院(SU)保持的协调世界时称为UTC(SU),德国物理技术研究院(PTB)保持的协调世界时称为UTC(PTB)。BIPM通过T公报的方式每月发布UTC(k)相对于UTC的溯源偏差,每5 d一组结果[14]图 1显示了2015年7月—2019年5月BIPM T公报发布的UTC-UTC(k)的偏差。从图 1可以看出,2015年7月—2019年5月,NTSC、USNO、SU和PTB保持的协调世界时与UTC偏差均保持在±10 ns之内。其中,UTC(USNO)与UTC的偏差控制在±4 ns;2018年以后,UTC(NTSC)与UTC的偏差也控制在±4 ns以内。

图 1 BIPM T公报公布的UTC-UTC(k) Fig. 1 UTC-UTC(k) time offset from BIPM circular T

BIPM从2013年7月开始推出快速UTC,即UTCr,每周发布每天一组的结果。UTCr是UTC的贡献数据源,相对于UTC,它实际上提高了发播的实效性和采样间隔,但是不确定度略微偏大[15-16]

GNSS系统采用统一的时间尺度进行设备之间的时间同步,实现高精度的定位、导航和授时,每一个GNSS系统都拥有独立稳定的系统时间,如GPST、BDT、GLONASST和GST等[17-18]。卫星导航系统时间通常由地面段的时间系统产生和保持。时间溯源是时间系统的重要组成部分,GNSS系统时间溯源以UTC(k)为基准进行频率驾驭,进而达到系统时间溯源的目的,如美国GPS系统时间溯源至UTC(USNO),俄罗斯GLONASS系统时间溯源至UTC(SU)。同时,UTC(USNO)、UTC(SU)与UTC溯源偏差可以通过公报获得,所以GPST、GLONASST的长期频率准确度和稳定度就得到保障。

从GPS、GLONASS用户接口控制文件可知,GPS导航电文广播的UTCO实际上是GPST与UTC(USNO)的偏差,GLONASS导航电文广播的UTCO实际上是GLONASST与UTC(SU)的偏差[19-20]。这样,GPS用户获得的UTC时间实际上是相对于UTC(USNO)的,考虑到其包含预报误差且与UTC存在溯源偏差,可记为UTC(USNO)GPS,同样,GLONASS用户获得的UTC时间实际上是相对于UTC(SU)的,考虑到其包含钟偏误差且与UTC存在溯源偏差,可记为UTC(SU)GLONASS。按照UTCOE定义,对于GPS和GLONASS而言,其UTCOE仅包含UTCO的预报误差,不包含UTC(USNO)、UTC(SU)与UTC的溯源偏差。

Galileo系统时间(GST)由精密时间设施(PTF)产生。与GPS、GLONASS溯源方式不同,GST向UTC溯源(模1 s),溯源任务由时间服务商(TSP)执行。与TSP有合约的欧洲6个UTC(k)时间实验室参与了溯源[21-22]。TSP根据6个UTC(k)实验室的钟差数据生成统一的UTC(k)时间,与BIPM交换数据,向PTF提供GST,向UTC的频率驾驭改正量,使GST和UTC对齐,完成向UTC的溯源。同时,TSP生成UTC-GST协调世界时偏差数据,并通过Galileo卫星广播协调世界时偏差模型参数[23-24]。由此可知,Galileo用户获得的时间名义上是参考UTC的,其广播的UTCO误差主要来源于预报误差,广播的UTC可记为UTCGalileo。北斗卫星导航系统接口控制文件规定,北斗时(BDT)通过UTC(NTSC)与UTC建立联系,其广播的UTCO为BDT-UTC[25-27]。因此,北斗系统用户获得的时间名义上也是参考UTC的,其广播的UTCO的误差主要来源于预报误差,广播的UTC可记为UTCBDS

1.2 基于UTC(NTSC)和BIPM时间公报的UTCOE评估方法

根据上述UTCOE的定义,UTCOE的评估可分3个步骤:①获取UTCO的广播值。采用GNSS接收机接收协调世界时偏差参数,根据GNSS系统接口控制文件中规定的UTCO计算方法可得到协调世界时偏差。通常情况下,协调世界时偏差每天的波动非常小,对协调世界时偏差进行平滑,获得每天的协调世界时偏差。②获取UTCO的测量值。理论上,将GNSS供应商公布的本系统UTCO测量值作为真值进行该系统的UTCOE评估是最直接且简单的方法。但是,这些UTCO测量结果获取渠道不畅,且不利于开展第三方评估。因此,只能采用间接的方式获取每天的UTCO监测值(记为UTCO_R)。③将每天的UTCO广播值(记为UTCO_B)与UTCO_R作差,得到每天的协调世界时偏差误差UTCOE,计算公式如下

(1)

式中,τUTCO_B,i表示第i天的UTCO_B;τUTCO_R,i表示第i天的UTCO_R;ΔτUTCO,i表示第i天的UTCOE。对ΔτUTCO,i时间误差序列进行月和年统计,取95%分位点的偏差即可得到对应UTCOE统计结果。对北斗系统而言,可以对时间误差序列ΔτUTCO,i进行月和年的RMS统计,计算公式如下

(2)

式中,n表示取样天数,i=1, 2, …, n。根据以上的评估步骤,UTCOE评估的关键技术在于UTCO测量值(参考值),即UTCO_R的获取。

本文采用基于UTC(NTSC)和BIPM时间公报的UTCOE评估方法,原理如图 2所示。

图 2 GNSS广播的UTCOE评估原理 Fig. 2 UTCOE assessment of GNSS broadcast

(1) 利用以UTC(NTSC)为参考的GNSS系统时间偏差监测系统获得UTC(NTSC)相对于各GNSS系统时间的偏差,即UTC(NTSC)-BDT、UTC(NTSC)-GPST以及UTC(NTSC)-GLONASST。对这3种偏差数据进行每天平滑以消除噪声,获取每天的偏差值。

GNSS系统时间偏差监测系统从2013年8月开始运行(由于Galileo当时尚处于建设初期,未对其进行偏差监测),其监测原理如图 3所示。核心监测设备是GNSS授时接收机和高精度时间间隔计数器,分别将UTC(NTSC)的10 MHz频率参考信号和1 PPS时间参考信号连接至授时接收机和时间间隔计数器,采用接收GNSS空间信号的方式分别获得UTC(NTSC)与广播GPST、GLONASST、BDT的时间偏差(秒内偏差)。在系统运行之前,为确保偏差结果的准确性,还应进行时延的绝对校准,包括天线时延、天线电缆时延、GNSS授时接收机时延以及参考时延等。其中GNSS授时接收机时延的绝对校准方法采用了GNSS信号模拟器以及高速示波器,校准项包括从接收机RF输入口到授时信号输出口的时延、内部系统偏差以及由GLONASS频分多址信号(FDMA)引起的频间偏差。天线时延的绝对校准使用了矢量网络分析仪,在微波暗室中进行[28-30]

图 3 基于UTC(NTSC)进行GNSS系统时间监测的原理 Fig. 3 GNSS time offset monitoring taking UTC(NTSC) as reference

利用BIPM快速T公报中的UTC(NTSC)、UTC(USNO)、UTC(SU)相对于UTCr的偏差数据,与监测得到的UTC(NTSC)相对于各GNSS系统时间的偏差相互间组合,可获得每天的UTCO_R,包括BDT-UTCr_R、GPST-UTC(USNO)_R、UTC(SU)-GLONASST_R,如图 2所示。组合公式如下

(3)
(4)
(5)

(2) GNSS系统时间偏差监测系统中的GNSS授时接收机同时接收BDS-2、GPS和GLONASS导航信号广播的UTCO参数,并且每天计算1个UTCO_B值,包括BDT-UTC_B、GPST-UTC(USNO)_B以及UTC(SU)-GLONASST_B。

(3) 根据式(1)将每天的UTCO_B与UTCO_R对应作差,得到UTCOE时间序列。分别对BDS、GPS、GLONASS系统的UTCOE钟差序列进行月和年95%分位点统计计算,或者按照式(2)进行均方根RMS的计算,输出各GNSS系统对应的UTCOE评估结果。

1.3 UTCOE评估方法的不确定度预算

UTCOE评估采用了间接的评估方法,评估的参考采用了基于UTC(NTSC)的GNSS系统时间偏差的监测值与BIPM时间公报给出的UTCr-UTC(k)偏差值的组合,因此评估的不确定度主要与这两部分值有关,不确定度预算见表 1[31]

表 1 BDS/GPS/GLONASS UTCOE评估的不确定度预算 Tab. 1 The uncertainty budget for BDS/GPS/GLONASS UTCOE evaluation ns
系统 UTCr-UTC(NTSC) UTCr-UTC(k) UTC(NTSC)-GNSST 不确定度合计
BDS 0.67 - 3.2 3.27
GPS 0.67 0.2 1.4 1.55
GLONASS 0.67 0.7 5.0 5.04
注:
1. GPS行UTCr-UTC(k)列对应UTCr-UTC(USNO),GLONASS行UTCr-UTC(k)列对应UTCr-UTC(SU)。
2. UTC(NTSC)-GNSST列分别对应UTC(NTSC)-BDT、UTC(NTSC)-GPST以及UTC(NTSC)-GLONASST。

表 1可知,UTCOE评估的不确定度主要来源于UTC(NTSC)-GNSST(即GNSS系统时间偏差的监测部分)。GNSS系统时间偏差监测采用了接收BDS/GPS/GLONASS空间信号的方法,在数据处理时对每天的监测值进行了平滑,因此该部分不确定度因素主要为空间段的轨道和钟差误差。BIPM快速T公报中给出的UTCr-UTC(k)的不确定度相对较小。BDS、GPS、GLONASS 3大系统的UTCOE评估的不确定度预算分别为3.27、1.55以及5.04 ns,能够满足评估要求。

2 评估结果 2.1 UTC(NTSC)相对于各GNSS系统时间的偏差

图 4给出了监测得到的UTC(NTSC)相对于各GNSS系统时间的偏差,红色、绿色以及蓝色曲线分别表示相对于UTC(NTSC)的GLONASST偏差、GPST偏差和BDT偏差。从中可以看出,2015年7月—2019年5月,在中科院国家授时中心监测的GPS系统时间偏差波动最小,整个监测时段波动范围为±10 ns。BDT的时间偏差波动范围在±50 ns。GLONASST的时间偏差波动范围在-120~100 ns。2016年8月下旬—2016年9月下旬,GLONASS系统时间偏差从大约-120 ns快速积累,达到100 ns。由此判断,GLONASS地面时间系统以大约8.5e-14的相对频偏进行频率调整,随后进行较为缓慢的反向频率调整,然后其系统时间偏差再次保持在与协调世界时偏差一致的水平。从2018年1月1日—2019年5月31日,监测得到的GLONASST时间偏差波动范围为-15~25 ns,较为稳定。

图 4 UTC(NTSC)相对于各GNSS系统时间的偏差 Fig. 4 GNSS time offset with respect to UTC(NTSC) including BDS and GPS and GLONASS

2.2 GNSS广播的协调世界时偏差

除了GLONASS系统是通过导航电文广播GLONASST相对于UTC(SU)的钟偏预报值之外,BDS-2和GPS系统都是在其导航电文中广播协调世界时偏差的预报模型参数,该预报模型参数包括钟偏A0,以及钟速A1(相对频偏)。在BDS-3的B1C和B2a新信号、GPS L5C和L2C民用信号上的导航电文还增加了A2参数(频率漂移)。图 5给出了BDS、GPS以及GLONASS系统广播协调世界时偏差比较图。可以看出,从2015年7月—2019年5月,BDS-2导航电文广播协调世界时偏差BDT-UTC的波动范围在±20 ns,与图 4中监测的UTC(NTSC)-BDT偏差波动范围以及变化趋势均不一致。GPS系统广播的协调世界时偏差GPST-UTC(USNO)波动范围在±6 ns。GLONASS系统的导航电文广播的协调世界时偏差UTC(SU)-GLONASST的波动范围在±100 ns,波动范围较大,但与图 4中监测的UTC(NTSC)-GLONASST偏差相比较,二者的波动范围以及趋势均一致。

图 5 BDS/GPS/GLONASS导航电文中广播的协调世界时偏差比较 Fig. 5 Comparison of BDS/GPS/GLONASS UTCO broadcast in the their navigation message

2.3 UTCOE评估方法验证及评估结果分析

2.3.1 UTCOE评估方法验证

采用GPS UTCOE直接评估方法验证本文提出的基于UTC(NTSC)和BIPM时间公报的UTCOE间接评估方法的准确性。将2018年1月1日—2018年12月31日美国海军天文台(USNO)网站上公布的协调世界时偏差监测值(间隔为每天)作为真值,计算得到GPS广播的协调世界时偏差误差序列(直接法),如图 6中蓝色曲线所示。然后再采用本文提出的协调世界时偏差计算方法(间接法),计算相同时间段的GPS广播的协调世界时偏差误差,如图 6中红色曲线所示。对这两个时间误差序列分别进行95%,均方根(RMS)、平均值(AVG)、标准偏差(STD)以及最大值(max)统计比较,见表 2

图 6 采用直接法和间接法对GPS UTCOE进行评估比较 Fig. 6 Comparison of the two results of GPS UTCOE evaluation by means of direct method and indirect method

表 2 两种方法评估的GPS UTCOE结果比较(时间:2018年1月—12月) Tab. 2 Results comparison of GPS UTCOE evaluation by two methods (time span:January—December 2018) ns
方法 95% RMS AVG STD max 备注
直接法 2.52 1.25 -0.04 1.25 4.19 采用USNO公布的UTCO测量值
间接法(本文方法) 2.02 1.04 0.00 1.04 4.34 采用[UTC(NTSC)-GPST]监测值+T公报获得UTCO

图 6可以看出,采用直接法和间接法计算的2018年GPS协调世界时偏差误差均在±5 ns范围之内,二者一致性非常高。从表 2可以看出,两种方法计算的2018年95% GPS UTCOE分别为2.52 ns和2.02 ns,RMS分别为1.25 ns和1.04 ns,AVG分别为-0.04 ns和0.00 ns, STD分别为1.25 ns和1.04 ns, max分别为4.19和4.34 ns。本文提出的UTCOE评估方法给出的评估结果与直接法获得的评估结果一致性非常好。说明本文提出的UTCOE评估方法是准确可行的,可以采用该方法对BDS、GPS、GLONASS系统的UTCOE进行评估。

2.3.2 BDS协调世界时偏差误差长期分析

图 7给出了从2015年7月1日—2019年5月31日BDS导航电文广播的协调世界时偏差BDT-UTC曲线,以及按照文中所描述的方法获取的参考值曲线的比较图。从图 7可以看出,BDS广播的协调世界时偏差BDT-UTC_B与参考值BDT-UTC_R波动范围以及变化趋势均不一致,说明BDS广播的协调世界时偏差存在较大误差。

图 7 2015年7月—2019年5月BDS UTCO广播值与参考值比较 Fig. 7 Comparison of BDS broadcast UTCO with UTCO reference from July 2015 to May 2019

图 8显示了BDS的UTCOE评估结果,图中的点表示每天一个UTCOE计算值。在2015年7月1日—2019年5月31日时间段内,BDS UTCOE的统计结果分别为:44.57 ns(95%)、20.48 ns(RMS)、-6.30 ns(AVG)、19.50 ns(STD)、79.27 ns(max)。

图 8 2015年7月—2019年5月BDS UTCOE评估结果 Fig. 8 Results of BDS UTCOE evaluation from July 2015 to May 2019

2.3.3 BDS/GPS/GLONASS系统的UTCOE评估结果比较

图 9图 10图 11分别给出了2018年1月1日—2019年5月31日时间段内每天1组的BDS、GPS和GLONASS系统的UTCOE。

图 9 2018年1月—2019年5月BDS的UTCOE评估结果 Fig. 9 The results of BDS UTCOE evaluation from January 2018 to May 2019

图 10 2018年1月—2019年5月GPS的UTCOE评估结果 Fig. 10 The results of GPS UTCOE evaluation from January 2018 to May 2019

图 11 2018年1月—2019年5月GLONASS的UTCOE评估结果 Fig. 11 The results of GLONASS UTCOE evaluation from January 2018 to May 2019

根据国际上约定的UTCOE每年评估周期,表 3给出了BDS、GPS、GLONASS系统的2018年全年UTCOE评估结果,同时给出了2019年1月—2019年5月的评估结果,评估结果包括95%分位值、均方根误差(RMS)、平均值(AVG)、标准偏差(STD)以及最大值(max)。结果表明,2018年BDS、GPS、GLONASS 95%的UTCOE分别为35.47、2.08和8.64 ns,2019年1月—2019年5月BDS、GPS、GLONASS 95%的UTCOE分别为25.65、2.75和14.49 ns。BDS的UTCOE评估结果,2018年RMS为17.33 ns,2019年为15.49 ns,且都存在较大的均值。

表 3 BDS/GPS/GLONASS UTCOE评估结果比较 Tab. 3 Results comparison of the results of BDS/GPS/GLONASS UTCOE assessment ns
指标 2018年1月—12月 2019年1月—5月
BDS GPS GLONASS BDS GPS GLONASS
95% 35.47 2.08 8.64 25.65 2.75 20.67
RMS 17.33 1.04 4.23 15.49 1.32 10.43
AVG -13.33 0.00 -3.21 14.13 -0.39 -8.46
STD 11.21 1.04 2.75 6.36 1.26 6.11
max 13.31 4.34 9.85 31.56 5.02 -1.07

虽然BDS UTCOE评估结果满足服务性能规范中UTCOE≤20 ns(RMS)的要求,但与GPS、GLONASS相比,仍有较大差距。这是由于BDT的物理信号驾驭到本地物理参考,再通过本地物理参考与UTC(NTSC)的比对链路,以及UTC(NTSC)与UTC的国际比对链路,使BDT与UTC建立联系,实现间接溯源。BDT与UTC的偏差范围BDT-UTC < 50 ns。然而,BDS广播协调世界时偏差UTCO < 20 ns(如图 5所示),并没有与实际的BDT和UTC之间的溯源关系保持一致,如图 4所示。这就导致了BDS广播协调世界时偏差误差(BDS UTCOE)偏大且呈周期性变化。

3 结论

卫星导航系统不仅为广大用户提供高精度定位导航服务,还提供高精度授时服务,特别是协调世界时服务,其提供的协调世界时偏差误差近年来成为各方关注的焦点。本文研究了UTCOE定义的内涵,提出了基于UTC(NTSC)和国际权度局时间公报的UTCOE评估方法,利用搭建的GNSS系统时间偏差监测系统,评估了BDS、GPS、GLONASS的UTCOE。

(1) UTCOE定义为广播的协调世界时偏差(预报值)与其测量值偏差的统计值,其结果是用户获得UTC时间的主要误差源,这一误差不包含卫星导航系统的星历误差、传播延迟误差和用户段误差。对GPS、GLONASS而言,用户获得的广播UTC时间实际上是UTC在本国的实现(UTC(k)),分别为UTC(USNO)和UTC(SU)。对BDS、Galileo而言,其广播的协调世界时偏差是相对UTC的,用户可以直接获得协调世界时UTC。导航系统广播的UTCO是根据主控站监测的UTCO的历史数据预报产生的。UTCO预报的准确程度依赖于UTCO监测值的稳定度。因此,在不考虑导航系统本身播发UTCO异常的前提下,UTCOE性能的优劣取决于系统时间是否向更高性能的UTC或UTC(k)溯源,溯源的实质是根据钟差比对结果进行钟的驾驭。钟驾驭的程度直接影响系统时间的准确度以及稳定度。时间溯源系统是GNSS系统时间产生所不可或缺的重要组成部分之一。

(2) 2018年全年、2019年1月—2019年5月的BDS、GPS和GLONASS系统的UTCOE评估结果表明,两个评估时段内,BDS系统UTCOE的RMS分别为17.33、15.49 ns,95%统计值分别为35.47、25.65 ns;GPS系统的95% UTCOE分别为2.08、2.75 ns;GLONASS系统的95% UTCOE分别为8.64、20.67 ns。BDS、GPS和GLONASS的UTCOE都符合性能承诺,但GPS远优于系统承诺,GLONASS次之,BDS的UTCOE结果临界,且呈现出明显的系统误差特性,具有较大的提升空间。


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http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2020.20190352
中国科学技术协会主管、中国测绘地理信息学会主办。
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文章信息

焦文海,张慧君,朱琳,李孝辉,朱峰
JIAO Wenhai, ZHANG Huijun, ZHU Lin, LI Xiaohui, ZHU Feng
GNSS广播协调世界时偏差误差评估方法与分析
Assessment method and analysis of broadcast coordinated universal time offset error
测绘学报,2020,49(7):805-815
Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2020, 49(7): 805-815
http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2020.20190352

文章历史

收稿日期:2019-08-29
修回日期:2020-02-12

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