关于钟差的认识

关于钟差的认识

摘要：本文主要从钟差的产生及定义，造成钟差的因素，卫星钟差的估计，钟差改正（其中钟差改正包括精密卫星钟差估计中消除钟差的方法以及在GPS伪距测量中,解决接收机钟差的改正）等几个方面来讲述有关钟差的认识，通过此，来加深对钟差的理解，对GPS的学习。

关键字：卫星钟接收机精密估计

一．有关钟差产生及定义

卫星钟是用卫星上的信号作为统一的时间标准来定义的一种时间计时装置。对于一个卫星来说，由于不同的接收地点，卫星信号的传输的距离不同，对于同一个速度，距离和时间成正比的，距离远时自然用时长，时间一点一点的过去，到达接收点时，自然跟时间的时间有一个差值的，这个差值即为卫星钟的钟差。

由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。

对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。

在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。

GPS接收机的钟差也就是我们的设备与标准的卫星的时钟差。

二．造成钟差的因素

卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间的误差。

卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。在GPS测量中，无论是码相位观测，还是载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。尽管GPS卫星采用的是原子钟（铯钟和铷钟），但由于上述因素的影响，卫星钟的钟面时与理想的GPS时之间存在着偏差或漂移。这些偏差的总量可达1MS，产生的等效距离误差可达30KM。

接收集钟差：接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

三．卫星钟差的估计

GPS卫星钟差的估计步骤为：

1)从地面跟踪站得到RINEX格式的GPS观测数据，包括RINEX 观测数据和卫星广播星历。

2)数据预处理：

@ 形成相位双差，探测并改正周跳；

@ 由伪距观澳l值和广播星历中的卫星钟差值采用晟小二乘法估计每个观测历元的接收机钟差，并由此得到每天的GPS卫星钟偏和钟漂平均值；

@ 为了解算AS偏差，组成伪距双差观测值．

3)定轨计算．

采用双差相位观测值，解算参数包括GPS卫星轨道、地球自转参数、双差模糊度、对流层参数和站坐标等，得到伪距和相位双差观测值的残差．一般地，在数据处理前如能获得精密GPS卫星轨道、地面跟踪站坐标和地球自转参数，可直接利用这些资料确定双差相位观测值模糊度、对流层改正参数，形成伪距和相位双差观测值的残差．

4)估计AS偏差

5)精确估计钟差用定轨得到的参数，AS偏差、GPS广播星历，伪距和相位残差计算GPS卫星的钟差．钟差估计包括：

@相位观测值对时间求导得到钟漂观澳l值，由于前后历元求差消除了模糊度，无需求解相位模糊度，在钟漂估计中把周跳当作粗差予以剔除；

@ 由伪距观测值采用晟小二乘法估算初始历元卫星钟差，先前计算得到的接收机钟差用于约束初始历元卫星钟差的解算；

@ 由钟漂观测值通过卡尔曼滤波求解卫星钟漂，与氢钟相连的GPS接收机为钟漂估计提供了稳定的时间参照．广播星历中卫星的钟漂值可以用来约束钟漂估计中的长期变化项；

@ 由伪距观测值、钟漂解算值和广播星历中的钟偏值采用卡尔曼滤波方法估计卫星钟偏，钟漂解算值用来约束卫星钟差估计的短周期项，广播星历中的钟偏约束钟漂估计的长周期项．

四．钟差改正

在ＧＰＳ相对定位时，当一台ＧＰＳ接收机的记录时间与参加同时观测的其他接收机的记录时间相差较大时，需要对接收机的ＧＰＳ观测量和两项时间偏差改正。一项是在接收机钟偏差时间内卫星运动几何改正，一项是在接收机钟偏差的时间内卫星钟差改正。

（一）精密卫星钟差估计中消除钟差的方法

在精密卫星钟差估计中，一般采用无电离层影响的非差相位和伪距观测值，观测值误差方程为：

φ＝ρ＋ｃΔＴ－ｃΔｔ＋δρｔｒｏｐ＋λＮ＋εφ（１）

Ｐ＝ρ＋ｃΔＴ－ｃΔｔ＋δρｔｒｏｐ＋εＰ（２）

式中：φ和Ｐ分别为相位与伪距的无电离层影响的组合观测值，λ为无电离层影响组合观测值的波长；ｃ为光速，ρ为信号发射时刻的卫星位置到信号接收时刻接收机位置的几何距离，ΔＴ为接收机钟差，Δｔ为卫星钟差，δρｔｒｏｐ为对流层延迟，εφ和εＰ为多路径、观测噪声等未模型化的误差影响。ＧＰＳ

观测值是测站与卫星之间的相对时间延迟。因此，不能同时确定所有的卫星和接收机钟差，必须先固定某一基准钟（卫星钟或接收机钟）的钟差，然后确定其他接收机和卫星的相对钟差。只要保证基准钟的钟差精度优于１０－６ｓ，相对钟差和绝对钟差对用户定位结果而言是等价的，即相对钟差的系统性偏差在用户定位模型中可完全被用户接收机钟差吸收，而不影响用户的定位精度。

目前引入基准钟的方法有两种：１）利用所用跟踪网络的所有钟定义一个虚拟基准钟，基准钟由所有钟共同维持；２）利用跟踪网络中的一个接收机作为基准钟。相比两种方法，第一种方法比较可靠，但是实现起来相对困难；第二种方法实现起来比较简单。在保证基准接收机钟稳定可靠的前提下，采用第二种方法也是可行的。

在具体实现上，各ＩＧＳ分析中心通常利用ＧＰＳ站的外接原子钟，在计算卫星钟差时选择其中的某个原子频标并将其固定。然而，一般的ＧＰＳ站没有外接原子频标，其内置的石英钟的精度在１００ｎｓ量级，如果固定其中某个接收机内的钟差，其计算出的卫星钟差与实际钟差相差很大，并且每个历元之间也出现１００ｎｓ量级的抖动，无法进行精度分析和实际应用。

由公式（１）和（２）可知，如果进行星间单差，能够有效地消除接收机钟差，计算出准确的卫星相对钟差。为此进行如下处理：

１）计算时先固定某个接收机的钟差；

２）计算出的钟差序列每个历元上进行星间单差，得到星间单差钟差序列；３）以ＩＧＳ提供的某个卫星的绝对钟差为参考钟差值；

４）根据2)给出的星间单差卫星钟差序列和3)提供的卫星参考钟，恢复卫星绝对钟差序列。

（二）在GPS伪距测量中,解决接收机的钟差

1、在单点定位时，将接收机钟差作为独立未知数在数据处理中求解。

2、在载波相位定位中，同步观测5颗以上卫星，采用对观测值的求差方法，可以有效的消除接收机钟差。

3、在高精度定位时，可以采用外接频标的方法，为接收机提供高精度的时间标准，如外接铯钟、铷钟等。这种方法常用于固定站。

结语：通过对以上的阐述更加深刻的理解GPS钟误差，收集资料及翻看查阅文献得出相关叙述。

参考文献：《精密GPS卫星钟差的改正和应用》季着标、朱文耀

《GPS卫星钟差的估计与预报研究》黄观文

《几种GPS卫星钟差预报方法比较及精度分析》