基於衛星共視原理的時間比對裝置的研究與應用

摘要：針對高精度低成本遠距離時間比對的需求,設計了基於衛星共視原理的時間比對裝置,改進了傳統使用時間間隔測量鐘差的方法,以外部10MHz,1pps為觀測資料測量基準,開展了偽碼精度、時延穩定性、超短基線、300km基線試驗驗證工作。試驗結果表明,基於GPS/BDS導航系統在300km基線條件下能夠實現優於1ns的時間比對不確定度(A類),能夠提供遠距離的時間比對服務。

關鍵詞： GPS 不確定度 衛星共視 基線 測繪學 測量基準 遠距離時間比對

1980年,美國國家標準局首次釋出了共視時間比對方法[1]。1983年,國際守時實驗室應用該方法實現了異地原子鐘之間的時間比對和同步[2]。受限於當時GPS的發展,起初的共視時間比對主要基於GPS偽碼的單通道接收處理,共視時間比對的使用者需要遵循國際計量局定期更新發布的共視時刻表,在統一時刻接收約定的GPS衛星,產生共視檔案後透過資料交換完成時間比對[3]。隨著導航訊號接收技術的進步,目前時間比對接收機已發展為多通道接收機,即在同一共視時刻能夠同時觀測到多顆衛星,為時間比對效能的提高提供了基礎性支撐[4]。

國外生產時間比對裝置的廠家主要有MESIT,SEPTENTRIO,PIKTIME和TFS等公司[5]。MESIT公司生產的GTR系列時間比對裝置採用商用接收板卡搭配時差測量單元實現,關鍵部件採用恆溫控制,可自動化收集儲存測量資料,支援多種輸出協議,共視檔案支援GPS及GLONASS等導航系統[6];SEPTENTRIO公司生產的POLARX系列時間比對裝置採用自研接收板卡實現,整機進行小型化、低功耗設計,大小僅為235mm×140mm×37mm,搭配上位機軟體使用,共視檔案支援GPS及GLONASS等導航系統;PIKTIME公司生產的TTS系列時間比對裝置採用商用接收板卡搭配時差測量單元實現,內建工控機執行嵌入式系統具備大尺寸監控螢幕,共視檔案支援GPS及GLONASS等導航系統[7]。國內共視技術的研究起步較晚,目前已有多家科研機構針對共視時間比對技術開展了研究[8,9],形成了多型號的接收裝置及共視處理軟體,各廠家時間比對裝置採用接收板卡搭配時差測量單元實現。

本文設計了國產化的GNSS時間比對裝置,支援BDS,GPS,GLONASS及GALILEO系統訊號接收及處理,利用觀測資料經資料處理後直接獲得鐘差資訊,有效減少了時差測量單元引入的測量誤差。

1、共視比對原理

GNSS時間比對原理如圖1所示。

圖1時間比對原理

GNSS共視時間比對本質上以相同的共視衛星作為共同參考,位於異地的待同步地面站接收衛星訊號,按照共視時間表進行資料處理獲得本地時間與觀測衛星間的相對鐘差,透過比較2站的相對鐘差,即可獲得異地待同步地面站間的鐘差[10,11]。

定義本地鐘相對於參考時間(GNSS系統時間)的鐘差為ΔT(t)=T(t)-tref(t),其中,T(t)為t時刻對應的本地時間;tref(t)為t時刻對應的參考時間。因此,在相同的GNSS時刻t,位於異地的A,B兩站對GNSS系統時間的鐘差可分別記為[12]:

對於進行共視時間比對的A站和B站,可將式(1)進一步改寫為:

式中,P(j)A,P(j)B分別為A,B站的偽距觀測量;c為光速;TA(tRA),TB(tRB)分別為A,B站接收到衛星訊號的本地接收時刻;tRA,tRB分別為A,B站接收衛星訊號的系統時刻;T(j)(te)為衛星發射訊號時的發射時刻;te為衛星發射訊號的系統時刻。

將式(2)中tRA和tRB用te表示,並進一步改寫:

式中,TA(te),TB(te)分別為A,B站在系統時te時的本地時刻;τ(j),T為衛星訊號的發射時延誤差;τ(j),spaA,τ(j),spaB為衛星至A,B站的大氣傳輸時延誤差,其中主要包括電離層時延誤差及對流層時延誤差等;τRA,τRB為A,B站的接收時延誤差,其中主要包括共視接收裝置的內部接收時延誤差及電纜傳輸時延誤差等;ΔT(j)為衛星星鍾誤差,可透過衛星播發的導航電文計算獲得[13]。衛星至A,B站的空間傳輸誤差可表示為:

式中,τ(j),troi,τ(j),ioni,τ(j),Gi(i=A,B)分別為衛星j到地面i站的對流層時延、電離層時延和相對論時延。

由此得:

上述即為A站、B站間進行衛星共視時間比對的計算模型,由上式可知,A,B站的共視衛星鐘差及共視衛星發射時延被完全抵消。

2、時間比對裝置設計

2.1硬體設計

GNSS時間比對裝置採用19英寸2U上架機箱設計,如圖2所示。內部採用插卡設計,各導航系統採用獨立板卡,可根據不用應用場景進行組合使用。

圖2GNSS時間比對裝置

GNSS時間比對裝置由全頻點天線、變頻模組、解算模組、時頻模組、監控模組及軟體等組成,如圖3所示。

圖3GNSS時間比對裝置組成

全頻點天線為射頻訊號輸入口,採用右旋圓極化設計,能夠同時接收BDS,GPS,GLONASS,GALILEO系統的導航訊號,並完成低噪聲放大;變頻模組完成導航訊號的下變頻功能,輸出中頻訊號;解算模組以外部輸入的10MHz,1pps訊號為參考,進行訊號的捕獲、跟蹤及原始資料輸出等;時頻模組對外部輸入的10MHz,1pps訊號進行分路輸出,分配至內部各模組;監控模組採集整機的狀態資訊用於裝置前面板狀態顯示,同時上報整機資料至軟體;軟體用於顯示整機狀態及觀測資料,觀測資料按照RINEX3.0格式要求進行本地儲存,同時按照共視標準資料處理得到CGGTTS檔案。

2.2軟體設計

GNSS時間比對裝置軟體處理流程如圖4所示。軟體在接收到時間比對裝置上報的觀測資料後按照RINEX格式進行資料儲存,同時判斷是否為共視時刻,如果不是共視時刻則返回對下一時刻進行判斷;若當前為共視時刻則進入共視處理過程,對測距資訊進行鏈路誤差修正,包括電離層誤差、對流層誤差及相對論誤差等,根據星曆引數計算當前時刻的衛星位置及衛星鐘差,綜合利用偽距、衛星位置、衛星鐘差及天線位置座標等資訊分別得到本地相對導航系統的鐘差即REFSYS,本地相對衛星的鐘差即REFSV,最終結合實驗室資訊補充CGGTTS檔案頭內容,形成最終的CGGTTS標準共視檔案。

圖4GNSS時間比對裝置軟體處理流程

3、測試驗證

影響時間比對指標的因素除空間誤差的修正外,裝置自身的偽碼測量精度、裝置時延穩定性等也會有一定影響[14,15]14-15],因此時間比對裝置的測試驗證分為偽碼測量精度試驗驗證、裝置時延穩定性試驗驗證、超短基線試驗驗證及300km基線試驗驗證。

3.1偽碼測量精度試驗驗證

偽碼測量精度試驗採用模擬源的方法,將待測裝置與模擬源有線連線,調整各導航頻點發射訊號功率,使到達待測裝置的等效功率電平不小於各類訊號的靈敏度電平。待裝置工作穩定後,每種訊號連續工作24h,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測裝置輸出的偽距值與真值做差,使用統計的方法對各頻點資料進行處理,結果如表1所示。

表1偽碼測量精度資料記錄

3.2裝置時延穩定性試驗驗證

裝置時延穩定性試驗採用模擬源的方法,將待測裝置與模擬源有線連線,調整各導航頻點發射訊號功率,使到達待測裝置的等效功率電平不小於各類訊號的靈敏度電平。待裝置工作穩定後,每種訊號連續工作24h,並進行3次開關機測試,每次開關機後測試2h,共計30h測試資料,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測裝置輸出的偽距值與真值做差,使用統計的方法對各頻點資料進行處理,結果如表2所示。

3.3超短基線試驗驗證

超短基線測試原理框圖如圖5所示。

圖5超短基線測試原理框圖

將天線A,B安裝於開闊無遮擋處,時間比對裝置A,B同時接入時間基準的10MHz,1pps訊號,連續記錄2天觀測資料,使用PPP的方法對天線的位置座標進行精確標定,連續測量5天,透過計算機完成CGGTTS檔案的產生與儲存。測試完成後,處理2臺衛星共視比對接收機的CGGTTS資料得到鐘差資料,採用標準方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進行時間比對的A類不確定度為0.20ns,如圖6所示。使用BDS進行時間比對的A類不確定度為0.41ns,如圖7所示。

圖6超短基線GPS共視比對結果

圖7超短基線北斗共視比對結果

3.4300km基線試驗驗證

300km基線條件下,測試原理框圖如圖8所示。在A,B兩地待測時間比對裝置與已知不確定度的基準比對裝置分別進行同源超短基線連線,測試用線纜與超短基線測試用線纜一致。

圖8300km基線測試原理框圖

利用2天的觀測資料使用PPP的方法對天線座標進行精確標定,連續測量6天。計算機完成時間比對裝置CGGTTS檔案的產生與儲存,利用基準比對裝置連續測量6天,儲存CGGTTS檔案,處理基準比對裝置的CGGTTS資料,處理時間比對裝置的CGGTTS資料,基準比對裝置A與基準比對裝置B的時差記為T1,時間比對裝置A與時間比對裝置B的時差記為T2,則遠端時間比對結果T為:

T=T2-T1。

採用標準方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進行時間比對的A類不確定度為0.42ns,如圖9所示。使用BDS進行時間比對的A類不確定度為0.45ns,如圖10所示。

圖9300km基線GPS共視比對結果

圖10300km基線北斗共視比對結果

4、結束語

本文設計了一種GNSS時間比對裝置,以使用者10MHz,1pps為內部測量基準,輸出的觀測資料能夠直接反應鐘差資訊,省去了傳統共視時間比對裝置內部的計數器單元。經測試,裝置自身的偽碼測量精度和時延穩定性均優於0.5ns,超短基線及300km基線條件下A類不確定度優於1ns,能夠滿足開展高精度時間比對的需求。隨著北斗系統的建設,後續可進一步開展基於北斗三號時間比對裝置的研製工作。