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北斗和GPS授时精度相差多少?

2020-03-30 10:20:40 北斗和GPS授时精度相差多少? 0

  中国北斗卫星二代的授时精度是10纳秒。纳秒,时间单位。一秒的10亿分之一,北斗授时精度即等于10的负9次方秒。在当前北斗三号共视可视卫星比北斗二号数少一半的情况下,达到共视比对授时精度1.2ns,北斗三代授时精度比北斗二代授时精度提升幅度约19%。那北斗和GPS授时精度相差多少呢?目前是北斗授时精度高还是GPS授时精度高?我们应该选用北斗授时还是选择GPS授时?还是北斗和GPS双模授时?


下面我们先从北斗卫星授时的发展介绍:


  中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

  北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具短报文通信能力,已经初步具备区域导航、定位和授时能力,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。


  北斗系统信号质量总体上与GPS相当。在45度以内的中低纬地区,北斗动态定位精度与GPS相当,水平和高程方向分别可达10米和20米左右;北斗静态定位水平方向精度为米级,也与GPS相当,高程方向10米左右,较GPS略差;在中高纬度地区,由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差,定位精度较差或无法定位。

“现阶段的北斗已经实现区域定位,但还不具备全球定位能力,北斗与GPS在定位效果上的差异,主要是由卫星数量和分布造成的。”武汉大学中国南极测绘研究中心副主任王泽民教授说,“截至文中研究数据采集结束时,北斗系统在轨卫星数为11颗。上个月,我国成功发射了新一代北斗导航卫星,北斗系统在轨卫星数达到了17颗。随着北斗系统全球组网拉开帷幕,相信今后的实测数据一定会更加精彩。”

  近日,中国科学院国家授时中心时间频率基准实验室研究人员利用北斗三号卫星,采用双频共视法,实现了我国时间基准UTC(NTSC)与捷克国家时间基准UTC(TP) 的亚欧长基线国际时间比对。在当前北斗三号共视可视卫星比北斗二号数少一半的情况下,达到共视比对精度1.2ns,提升幅度约19%。

  近两年来,国际权度局(BIPM)一直在积极推进北斗在国际原子时计算中的应用。授时中心已经与德国物理技术研究院(PTB)、西班牙海军天文台(ROA) 和比利时皇家天文台(ORB)等世界主要时频研究机构利用北斗二号开展了北斗国际时间比对合作研究。此次中-捷长基线国际时间比对的结果,验证了北斗三号在时间比对性能方面较北斗二号有大幅度的提升,为北斗比对正式纳入国际原子时的计算提供了技术支持。


  目前,北斗三号已经成功发射了19颗全球组网卫星,包括18颗正常服务的MEO卫星和一颗在轨测试的GEO卫星,其基本系统现已建成并开始提供全球服务。北斗三号卫星上搭载了更高性能的铷原子钟和氢原子钟,铷原子钟天稳定度为E-14量级,氢原子钟天稳为E-15量级,比北斗二号星载钟的稳定度提高了一个数量级。

 

  针对GNSS实时钟差的计算,国际GNSS服务组织(IGS)已经开始实施实时环球体育计划,目前已提供北斗授时精度为0.3 ns的GPS实时钟差环球体育;国内外学者对导航卫星实时精密钟差估计算法、模型进行了深入研究,目前已实现GPS精密钟差秒级更新,可满足GPS 1 Hz动态精密单点定位等高精度需求。本文在此基础上研究了GNSS精密卫星钟差融合解算模型及策略,利用滤波实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法,对精度进行了分析并利用精密单点定位进行了验证。


  假定使用全球40个北斗/GPS站,估计32颗GPS卫星及13颗北斗卫星钟差,假定每站大约观测到18颗GPS及北斗卫星。如果利用观测方程模型求解北斗/GPS卫星钟差,则待解参数包括720个模糊度参数、40个接收机钟差、45个卫星钟差、40个对流层参数、40个系统间信号延迟偏差,共计885个参数。可见,在实时钟差解算过程中由于测站、待估参数较多,大大增加了计算时间,受此限制大部分IGS分析中心仅提供5 s间隔的实时钟差环球体育.


  GFZ目前使用约50余可追踪北斗信号的多系统跟踪站,融合其他100余多系统跟踪站数据,生成GPS、GLONASS、北斗、Galileo等多系统轨道钟差环球体育,其提供的多系统高精度环球体育(GBM),GPS、GLONASS环球体育与IGS环球体育精度相当,北斗环球体育精度处于国际水平。按照上文介绍的钟差精度评估方法对获取的北斗/GPS联合精密钟差进行精度分析,选取GPS G01星作为参考星。 


  北斗时频的XBD211 NTP网络时间服务器有1-12个10/100M自适应的以太网口可选, 网口间物理相互隔离,保证数据安全性,可全设置同一个网段或者不同网段,具有冗余性,某个网口的故障将不会影响其他网口正常工作。每个以太口必须设置独立IP地址。 


  使用本模型解算钟差,CUT0站北斗动态PPP约50 min水平精度收敛到0.40 m,收敛后的NEU方向的RMS分别为0.150、0.125和0.200 m。使用本文融合解算模型获得的钟差进行的北斗动态PPP水平精度约0.15 m,高程精度约0、20 m。使用GFZ提供的事后多GNSS精密轨道钟差(GBM)进行的北斗动态PPP水平精度约0.10 m,高程精度约0.20 m。


  从对比结果来看,使用北斗系统开展动态PPP,收敛时间明显慢于GPS系统,且收敛之后精度较GPS差,这可能与北斗GEO卫星轨道精度稍差有关,也可能与北斗相关改正模型有关。同时,使用本文模型融合解算获得的实时钟差环球体育开展的北斗动态PPP较使用GBM钟差的北斗动态PPP,水平、高程精度相当,该结果与钟差精度统计结果互为验证。


  所以目前国内的市场应用,我们大多是选用北斗和GPS双模授时的方式,这样在GPS信号差或者GPS授时精度受到干扰的情况下,环球体育就会自动切换到北斗授时模式下,北斗授时精度受影响的情况下会自动切换到GPS授时模式下。这样GPS授时和北斗授时是互补的,两者都没有卫星信号的情况下,还可以选择内部的恒温晶振或者铷原子钟去守时,这样可以保持授时设备的持续稳定运行。

 



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