内容简介
《GNSS精密时间传递关键技术与方法》根据GNSS时间传递理论与方法的发展现状，结合当前高精度时间频率用户的应用需求，讨论和总结了GNSS精密时间传递技术的关键问题及其解决方法，提出了多项新的或改进的算法和模型，并进行了大量实际验证。《GNSS精密时间传递关键技术与方法》结合作者团队近年来的科研实践，总结和归纳了当前卫星时间传递技术手段，并详细给出了各种时间传递技术的原理、实 现方法、性能分析和典型应用。
精彩书摘
第1章精密时间传递发展概论
1.1综述
时间作为一个基本物理量，它的测量依靠物质的连续运动。在人类历史发展的漫漫长河中，天文时间系统为推动人类社会进步和科学发展发挥了巨大的作用。1955年，英国皇家物理实验室研制成功了世界上**套铯原子频率标准，开创了原子频率标准的新纪元，随后出现了世界范围的原子时系统。原子时系统的出现将时间测量系统从宏观世界发展到了原子物理学的微观世界，其准确度也由天文系统的量级跃升到了原子频标的量级。19H年的国际计量大会正式指定由国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）建立的原子时作为国际原子时（International Atomic Time，TAI）。截至2018年，全世界约有85个实验室的近五百台原子钟参与了TAI的计算。
对于TAI而言，如何使这些分布于世界各地的原子钟建立联系是实现TAI计算的基础，而高精度的远程时间传递技术为其提供了重要支撑。同时，随着现代社会信息化、智能化的不断发展，髙精度的时间频率已经成为关乎国计民生、国防**、科学研究等领域重要的基础设施和战略资源。对于这些高精度时间用户而言，远程时间传递技术也是与国家标准时间频率系统建立联系的重要手段。因此，开展高精度远程时间传递方面的研究意义重大。
1.2时间传递的背景
远程时间传递技术伴随着人们对时间准确度及时间同步的精度需求而不断发展。事实上，就分布于不同地点的原子钟而言，*简单、*直接的时间传递的方法就是利用便携式原子钟在一个参考点与参考钟同步好，将其作为媒介，搬运到其他需要同步和测试的原子钟处，用时间间隔计数器在各点进行测试比对，*后返回参考点后再和参考钟比对。但是，这种搬运钟的方法要求便携式原子钟在搬运期间必须自备电池维持供电以便其能够连续不间断地运转。同时，在搬运期间原子钟易受外界环境影响，特别是在世界范围内的洲际搬运钟存在着时间传递效率低、成本高、周期长等缺点，导致该技术难以在实际工作中得到广泛应用。
1957年10月4日，随着世界上**颗人造地球卫星的成功发射，空间科学技术的发展也步人了一个新的时代。人们在选择远程时间传递中的媒介时将目光投向了卫星。1962年，横跨大西洋的美国和英国之间使用Telstar卫星进行**次卫星双向时间频率传递（Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TW-STFT）实验。TWSTFT技术主要是将位于两地的原子钟频率标准通过地面专用设备同时向卫星发射调制时间信号，经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信号，两地面站将接收的信号资料互换后相减，得到两站之间高精度的时间频率差。由于在卫星双向时间比对的过程中信号是对称的，原则上传播路径弓丨起的误差在很大程度上可以得到抵消，其时间传递精度和效率明显优于传统的搬运钟的方法。因此，自1999年起，BIPM已将其应用到了TAI计算中。但是，从TWSTFT技术的传递过程中可以看出，其要求链路两端的站点必须能够同时向卫星发射和接收时间信息。为此，用户需要付出高昂的专业设备成本，并制订严格的时间传递方案。因此，TWSTFT技术大多应用于国际时间实验室之间的事务性时间传递，对于普通的高精度时间用户而言显得难以触及。
1979年，随着美国**颗BlockI实验卫星的发射，全球定位系统（GlobalPositioning System，GPS）的建设正式开始，该项目的*初目的主要是为用户提供髙精度的导航和定位服务。事实上，GPS的工作原理主要是测量卫星无线电信号到达时间。即不论是在地面控制端，还是在空间的卫星端，没有高精度的时间频率，GPS就不可能实现高精度的导航与定位。换句话说，GPS本质上就是一个空地一体的时间测量系统。随着GPS时间系统的建立，人们发现还可以将其作为一种新的媒介应用到远程时间传递领域中。目前，GPS不仅能够提供定位、导航的服务，还能提供授时服务，成为综合定位导航与授时（Positioning Navigation and Timing，PNT）体系中重要的技术手段。相对于其他时间传递技术，GPS具有应用效率高、成本低、设备体积小、机动灵活、维护简单等特点，已逐渐成为BIPM*重要的时间传递技术。近年来，随着全球导航卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的不断建设完善，特别是俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统（GLObal Navigation Satellite System，GLONASS）的逐渐恢复，以及我国的北斗导航卫星系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的快速发展，形成了覆盖亚太地区的全天候区域导航系统（BDS-2）和新一代的北斗全球导航卫星系统（BDS-3）。另外，欧盟伽利略（Galileo）导航卫星系统（简称Galileo系统）、日本准天顶导航卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）以及印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigtion Satellite System，IRNSS）等也都取得了长足的发展，使卫星导航星空群星璀璨，为基于GNSS的远程精密时间传递工作提供了丰富的卫星资源。
然而，目前的时间
目录
目录
第1章 精密时间传递发展概论 1
1.1 综述 1
1.2 时间传递的背景 1
1.3 国内外发展现状 3
1.4 主要内容 6
第2章 GNSS载波相位时间传递数据处理基本理论 7
2.1 GNSS系统时间 7
2.1.1 GPS系统时间 7
2.1. 2 GLONASS 系统时间 8
2.1.3 Galileo 系统时间 8
2.1.4 BDS系统时间 9
2.2 GNSS时间传递中的主要观测误差 9
2.2.1 与空间卫星有关的误差 10
2.2.2 卫星信号传播过程有关的误差 12
2.2.3 与测站有关的误差 13
2.3 GNSS载波相位时间传递数学模型 14
2. 3.1 函数模型 14
2.3.2 随机模型 15
2. 3.3 参数估计方法 17
2.4 GNSS载波相位时间传递数据处理流程 18
2.5 本章小结 19
第3章 非差非组合GNSS载波相位时间传递方法 20
3.1 引言 20
3.2 BDS非差非组合GNSS时间传递模型 21
3.2.1 函数模型 21
3.2.2 电离层约束信息设定 22
3.3 非差非组合GNSS时间传递性能验证 23
3.4 本章小结 26
第4章 BDS载波相位时间传递中卫星伪距偏差影响 27
4.1 BDS-2卫星伪距偏差 27
4. 1.1 引言 27
4. 1.2 BDS-2卫星伪距偏差特征 28
4. 1.3 BDS-2卫星伪距偏差改正模型 30
4.1.4 顾及BDS-2卫星伪距偏差改正的载波相位时间传递 33
4. 1.5 实验小结 38
4.2 联合BDS-2与BDS-3e时间传递性能分析 38
4.2.1 引言 38
4. 2.2 BDS-3e卫星伪距偏差特征 39
4. 2. 3 联合BDS-2和BDS-3e进行时间传递 40
4. 2.4 算例分析 42
4.2.5 实验小结 45
4.3 本章小结 46
第5章 GNSS载波相位时间传递的连续性 47
5.1 引言 47
5.2 IGS的卫星产品连续性特征 48
5.3 GPS载波相位时间传递数据处理中的影响因素分析 49
5.3.1 卫星产品内插的端部效应 49
5.3.2 模糊度参数的连续性 51
5.4 顾及数据处理策略的GPS载波相位时间传递实验 54
5.4.1 算例分析 54
5.4.2 结论与建议 59
5.5 本章小结 60
第6章 附加先验信息约束的GNSS时间传递方法 61
6.1 附加钟差相关参数约束的Galileo时间传递 61
6.1.1 引言 61
6.1.2 附加钟差相关参数约束的Galileo时间传递数学模型 63
6.1.3 算例分析 64
6. 1.4 实验小结 68
6.2 附加钟差模型增强的GNSS时间传递方法 69
6.2.1 引言 69
6. 2.2 常用的钟差模型 70
6.2.3 附加钟差模型增强的时间传递方法 71
6.2.4 算例分析 72
6.2.5 实验小结 78
6.3 本章小结 79
第7章 增强信息约束的GNSS精密时间传递方法 80
7.1 引言 80
7.2 GNSS增强信息获取 80
7.3 基于增强信息约束的GNSS时间传递方法 81
7.4 基于增强信息约束的GNSS时间传递实验 83
7.5 本章小结 90
第8章 多模GNSS的载波相位时间传递方法 91
8.1 引言 91
8.2 融合多模GNSS载波相位时间传递原理 92
8.2.1 数学模型构建 92
8.2.2 算法流程 93
8.2.3 算例与分析 94
8.2.4 实验小结 99
8.3 基于抗差一方差分量的多模GNSS时间传递 100
8.3.1 多模GNSS时间传递的权比分配中存在的问题 100
8. 3.2 基于抗差一方差分量的多模GNSS时间传递方法 101
8.3.3 基于抗差一方差分量的多模GNSS时间传递实施流程 103
8.3.4 算例与分析 103
8.3.5 实验小结 108
8. 4 多模GNSS时间传递中ISB特征及其影响 109
8.4.1 ISB随机模型 109
8.4. 2 ISB时空特征分析 109
8.4.3 多模GNSS时间传递ISB影响分析 114
8.5 本章小结 117
第9章 多频GNSS载波相位时间传递方法 119
9.1 引言 119
9.2 多频GNSS时间传递模型构建 120
9.2.1 双频GNSS时间传递模型 120
9.2.2 三频GNSS时间传递模型 121
9.2.3 四频GNSS时间传递模型 121
9.3 实验分析 124
9.3.1 双频模型 124
9.3.2 三频模型 126
9.3.3 四频模型 128
9.3.4 频间偏差特征 130
9.3.5 实验小结 132
9.4 本章小结 132
第10章 单站多站统一的GNSS时间传递方法 134
10.1 引言 134
10.2 基于单站解的时间传递模型 134
10.3 基于多站解的时间传递模型 135
10.3.1 基于站间单差的多站解时间传递模型 135
10.3.2 基于站间非差的多站解时间传递模型 136
10.4 基于单站、多站解的统一时间传递模型 137
10.5 基于单站、多站统一解的GNSS时间传递实验 138
10.6 本章小结 142
第11章 GNSS系统间时差监测技术 143
11
试读
第1章精密时间传递发展概论
1.1综述
时间作为一个基本物理量，它的测量依靠物质的连续运动。在人类历史发展的漫漫长河中，天文时间系统为推动人类社会进步和科学发展发挥了巨大的作用。1955年，英国皇家物理实验室研制成功了世界上**套铯原子频率标准，开创了原子频率标准的新纪元，随后出现了世界范围的原子时系统。原子时系统的出现将时间测量系统从宏观世界发展到了原子物理学的微观世界，其准确度也由天文系统的量级跃升到了原子频标的量级。19H年的国际计量大会正式指定由国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）建立的原子时作为国际原子时（International Atomic Time，TAI）。截至2018年，全世界约有85个实验室的近五百台原子钟参与了TAI的计算。
对于TAI而言，如何使这些分布于世界各地的原子钟建立联系是实现TAI计算的基础，而高精度的远程时间传递技术为其提供了重要支撑。同时，随着现代社会信息化、智能化的不断发展，髙精度的时间频率已经成为关乎国计民生、国防**、科学研究等领域重要的基础设施和战略资源。对于这些高精度时间用户而言，远程时间传递技术也是与国家标准时间频率系统建立联系的重要手段。因此，开展高精度远程时间传递方面的研究意义重大。
1.2时间传递的背景
远程时间传递技术伴随着人们对时间准确度及时间同步的精度需求而不断发展。事实上，就分布于不同地点的原子钟而言，*简单、*直接的时间传递的方法就是利用便携式原子钟在一个参考点与参考钟同步好，将其作为媒介，搬运到其他需要同步和测试的原子钟处，用时间间隔计数器在各点进行测试比对，*后返回参考点后再和参考钟比对。但是，这种搬运钟的方法要求便携式原子钟在搬运期间必须自备电池维持供电以便其能够连续不间断地运转。同时，在搬运期间原子钟易受外界环境影响，特别是在世界范围内的洲际搬运钟存在着时间传递效率低、成本高、周期长等缺点，导致该技术难以在实际工作中得到广泛应用。
1957年10月4日，随着世界上**颗人造地球卫星的成功发射，空间科学技术的发展也步人了一个新的时代。人们在选择远程时间传递中的媒介时将目光投向了卫星。1962年，横跨大西洋的美国和英国之间使用Telstar卫星进行**次卫星双向时间频率传递（Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TW-STFT）实验。TWSTFT技术主要是将位于两地的原子钟频率标准通过地面专用设备同时向卫星发射调制时间信号，经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信号，两地面站将接收的信号资料互换后相减，得到两站之间高精度的时间频率差。由于在卫星双向时间比对的过程中信号是对称的，原则上传播路径弓丨起的误差在很大程度上可以得到抵消，其时间传递精度和效率明显优于传统的搬运钟的方法。因此，自1999年起，BIPM已将其应用到了TAI计算中。但是，从TWSTFT技术的传递过程中可以看出，其要求链路两端的站点必须能够同时向卫星发射和接收时间信息。为此，用户需要付出高昂的专业设备成本，并制订严格的时间传递方案。因此，TWSTFT技术大多应用于国际时间实验室之间的事务性时间传递，对于普通的高精度时间用户而言显得难以触及。
1979年，随着美国**颗BlockI实验卫星的发射，全球定位系统（GlobalPositioning System，GPS）的建设正式开始，该项目的*初目的主要是为用户提供髙精度的导航和定位服务。事实上，GPS的工作原理主要是测量卫星无线电信号到达时间。即不论是在地面控制端，还是在空间的卫星端，没有高精度的时间频率，GPS就不可能实现高精度的导航与定位。换句话说，GPS本质上就是一个空地一体的时间测量系统。随着GPS时间系统的建立，人们发现还可以将其作为一种新的媒介应用到远程时间传递领域中。目前，GPS不仅能够提供定位、导航的服务，还能提供授时服务，成为综合定位导航与授时（Positioning Navigation and Timing，PNT）体系中重要的技术手段。相对于其他时间传递技术，GPS具有应用效率高、成本低、设备体积小、机动灵活、维护简单等特点，已逐渐成为BIPM*重要的时间传递技术。近年来，随着全球导航卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的不断建设完善，特别是俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统（GLObal Navigation Satellite System，GLONASS）的逐渐恢复，以及我国的北斗导航卫星系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的快速发展，形成了覆盖亚太地区的全天候区域导航系统（BDS-2）和新一代的北斗全球导航卫星系统（BDS-3）。另外，欧盟伽利略（Galileo）导航卫星系统（简称Galileo系统）、日本准天顶导航卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）以及印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigtion Satellite System，IRNSS）等也都取得了长足的发展，使卫星导航星空群星璀璨，为基于GNSS的远程精密时间传递工作提供了丰富的卫星资源。
然而，目前的时间
