支持通过卫星和基于网络的解密精确点定位技术进行时间传输的开源客户端模块 [测量与应用路线图]

《IEEE Instrumentation & Measurement Magazine》：Open-Source Client Modules Supporting Time Transfer with Satellite- and Decrypted Network-Based Precise Point Positioning [Roadmap for Measurement and Applications]

　　

摘要：

全球导航卫星系统（GNSS）现已为全球用户提供高精度的定位、导航和授时服务。精确点定位（PPP）技术已被开发并用于国际原子时间链接的计算。然而，PPP依赖于高精度的卫星产品来校正GNSS接收器输出的测量观测数据中的卫星相关误差。为了支持各种应用，这些精确的卫星产品要么通过网络传输，要么通过直接卫星广播实时提供。近年来，基于网络的产品（经过加密、国际标准化并以二进制格式传输）以及基于卫星的产品（被分割、定制、编码并以二进制格式传输）使得用户更难以可靠且连续地获取这些数据。目前，实时的开源PPP软件无法提供这两种支持，这限制了实时PPP的应用，尤其是在稳定和连续的实时PPP时间传输研究和实施方面。在这项研究中，开发并发布了两个开源的支持软件包，旨在嵌入到主流的开源C/C++ PPP软件中。RTStreamHub是一个用于接收和处理加密网络产品的支持包，旨在确保安全传输的卫星二进制产品的可靠实时接收。HASPPP是一个专门用于伽利略卫星PPP的软件，提供综合支持以恢复复杂的基于卫星的产品并实现PPP，同时提供接口以便无缝集成到主流的C/C++ PPP时间传输软件中。使用HASPPP软件中嵌入的PPP模型分析了基于网络和基于卫星的产品的实时PPP时间传输精度。以光纤链路的结果作为参考，PPP时间传输精度为125.9皮秒...

显示更多

引言

到2020年，北斗导航卫星系统和欧洲伽利略系统的建成为全球导航卫星系统（GNSS）增加了两个新的星座，为全球提供了实时定位、导航和授时服务，并支持了众多依赖精确和连续的空间和时间信息的应用[1]。这些导航卫星传输的实时信号具有频率、调制方案和伪随机噪声码等特性。GNSS接收器根据这些卫星信号的特性，通过载波和码跟踪环路实时获取并跟踪它们，从而提取出载波相位测量值、码片序列测量值以及信号中包含的导航卫星信息[2]。GNSS接收器从载波相位测量值生成载波相位观测数据。对于伪距观测，GNSS接收器记录每个历元的信号接收时间，而卫星信号传输时间则通过码片序列测量值确定。接收时间与传输时间之差乘以光速，得到粗略的卫星-接收器距离，通常称为伪距。伪距和载波相位观测值并不代表卫星与接收器之间的真实几何距离，而是受到卫星相关、大气相关和接收器相关延迟影响的距离。利用独立的GNSS接收器，开发了精确点定位（PPP）技术[3]，通过模型、经验公式和参数估计来校正这些误差，从而实现亚纳秒级别的时间传输精度[4]。在实时模式下，GNSS接收器连续获取并跟踪卫星信号，以固定的采样间隔（如每1秒、5秒或30秒）生成原始伪距和载波相位观测数据。每组当前历元的卫星观测数据一旦生成就会提供给PPP软件，算法软件会在接收到后立即处理每个历元的数据。一个历元的典型处理时间约为1毫秒，相对于采样间隔来说可以忽略不计，因此能够为用户提供实时定位和授时解决方案。然而，PPP需要实时的高精度卫星产品（如精确的轨道和时钟偏移量）来准确确定卫星位置和时钟信息，这对于校正测量观测数据中的卫星相关延迟误差至关重要。卫星传输的信号被接收器接收和解码后，包含有关卫星轨道和时钟偏移量的粗略导航信息。这种粗略的导航信息被称为星历；然而，其精度通常不足以满足实时PPP对卫星产品的精度要求。