全球導航衛星(GNSS)時間傳遞


國家實驗室維持多套導航衛星接收機,具備測量主要導航衛星系統各式電碼與載波相位的能力。用來
1.進行國際時間比對,以維持國家標準時間並同步世界協調時(UTC)。
2.參與國際GNSS服務(International GNSS Service,簡稱IGS),觀測站名稱為TWTF,產生精確定位資料,為國內重要的衛星控制點。
3.提供國內廠商遠端時頻校正服務。

本實驗室為國際度量衡局(BIPM)選定之全球導航衛星系統(GNSS)接收機校正第一級(Group-1)實驗室,直接參與BIPM所舉辦的GNSS接收機巡迴校正活動,並負責為亞太地區G2實驗室進行GNSS接收機巡迴校正,實現全球時頻標準追溯鏈之建立。目前全球G1實驗室共有九間,其中三間位於亞太地區。

GNSS精密傳時技術介紹

GNSS接收機單向接收衛星廣播的時間與定位資訊,精度受到許多因素的影響,包括接收機種類、天線種類、信號纜線品質、天線座標誤差、電離層及對流層造成的衛星信號延遲擾動、多路徑信號干擾、同頻電波干擾等。隨著不同種類與誤差修正方式,GNSS接收機輸出的時間精度,有數奈秒到數微秒的個別差異。此外,是否有正確的安裝接收機、是否有針對天線延遲等因素進行校正,也都是影響GNSS定時精度的原因。

導航衛星時間傳遞示意圖

進一步交換並分析兩地GNSS接收機的時間量測數據,可精準比較兩地時鐘的時間差,常用的GNSS時間傳遞技術介紹如下

1.共視法(common-view): 最簡單也最早用來比較兩地時鐘的GNSS傳時技術,是以電碼為基礎的共視法。利用共視法可消去兩地接收機觀測到的共同變動因數,用來改善傳時精度。當兩地的接收機距離小於3000公里時,能夠同時觀測到較多的衛星,且接收路徑有高度的相似,此時共視法能消去大部分的擾動因素,達到良好的傳時結果。然而,當兩地距離越遠,兩地接收機所能夠同時觀測到的衛星就越少,共視法的效果就越差。

2.全視法(all-in-view): 同樣以電碼為基礎的全視法,2006年已被BIPM用來計算國際原子時(TAI),成為長距離比對的主要方法之一。全視法與兩地實驗室的距離相依性低,兩地不需要同時接收同一顆衛星的信號,而是先平均個別實驗室觀測到的GNSS衛星數據,計算與IGS共同參考時間的差異後,再去計算兩個實驗室的時間差。透過共同參考時間的中介,全視法不受距離的限制。

3.精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術: PPP係利用觀測GNSS信號的載波相位,加上精密衛星軌道、衛星時鐘與地球科學因素的模型修正,所得到的時間與頻率比對數據。而整周精密單點定位技術(integer precise point positioning, IPPP)則是BIPM發展的精密時間與頻率比對技術,由於IPPP技術需要連續的相位量測資料,同一實驗室需要有兩部以上的接收機,以共鐘方式互相比對,來保證相位數據的連續性,避免數據空白或重新開機時出現的相位不確定。因此IPPP比PPP嚴格,需要明確的週數以計算連續的時間比對結果。

此外,本實驗室所提出並發展中的上採樣技術,係利用演算法將GNSS觀測數據及預測擴增數據作結合,用來提升長距離傳時比對數據的精確度。目前已發表於國際期刊上的上採樣共視法(Up-sampled common-view),可有效提升德國PTB與本實驗室GPS P3電碼傳時比對的精度。