不同GNSS的單站時差監測評估

孫 廣, 李雙欽, 郭美軍, 翟 偉, 洪英杰, 張 敏

(西安航天天繪數據技術有限公司，西安 710054)

不同GNSS的單站時差監測評估

孫 廣, 李雙欽, 郭美軍, 翟 偉, 洪英杰, 張 敏

(西安航天天繪數據技術有限公司，西安 710054)

隨著GPS、GLONASS導航系統的不斷完善和更新，以及后續GALILEO、BDS等系統的逐步建立，多系統組合導航成為GNSS當前研究熱點。為了實現不同GNSS系統之間的兼容和互操作，準確確定不同系統間時差是關鍵。基于此，利用天寶R9多模雙頻接收機輸出的GNSS觀測數據、導航電文以實現監測GNSS系統的時差。由于國際計量局(BIPM)T公報缺少BDS相關數據，只對GLONASS和GPS實測的時差數據和BIPM T公報中對應的時差數據進行評估，統計了BDS、GPS和GLONASS三系統時差數據的最大值、最小值、均值、標準差、均方根誤差。利用2016年1月到10月的連續時差數據進行時差監測評估，結果表明： GLONASS與GPS時差與T公報結果的殘差標準差為4.28ns，北斗與GPS、GLONASS系統時差的標準差最優可達到4ns和5ns。

系統時差；GNSS；監測評估；BIPM

0 引言

當前BDS服務于亞太地區，歐盟的GALILEO也正在建立，多模衛星導航已成為當前熱點。多模衛星導航是利用不同導航系統進行聯合導航，實現優劣互補，可在一定程度上提高導航精度[1]。

不同的GNSS導航系統均有自身的時間系統，GPS系統時為GPST，溯源至美國海軍天文臺的協調世界時；GLONASS系統時為GLONASST，溯源至俄羅斯的協調世界時；Galileo系統時為GST[2-5]，采用歐洲幾個時間實驗室的UTC綜合計算作為其時間基準；北斗系統時為北斗時(BDT)，是由北斗地面控制站的鐘組產生，并溯源至UTC(NTSC)[6]。不同的系統間會有時間偏差，實現多模衛星導航的基礎是對不同系統的時間進行統一。

由于系統時間偏差會對定位、測速和定時產生影響，會導致多模導航達不到預期的精度，所以對系統間時差的研究是有必要的。系統時間偏差監測方法主要有兩種，分別為系統級和用戶級[7]。

本文利用系統級監測方法，通過多模接收機獲取的偽距觀測量分別解算本地時與BDS系統、GLONASS系統以及GPS系統的時差，最后對三系統時差進行性能評估。

1 時差監測原理

本文采用空間信號法進行時差監測，利用一個監測站(單站)的單模/多模接收機獲取GNSS系統的空間信號，最后利用導航定位原理對系統的時間偏差進行解算，監測原理如圖1所示，用相關算法即可解算出三系統的系統時差[7-9]。

圖1 時差監測示意圖Fig.1 Diagram of time difference monitoring

偽距觀測方程如式(1)所示

P=ρ+cdtt-cdts+dorb+dtrop+dion+

dmult+dcha+dode+ε

(1)

式中，P是偽碼距觀測值，ρ是測站與衛星距離，cdtr是接收機鐘差改正，cdts是衛星鐘鐘差改正，dorb是衛星軌道誤差，dtrop是對流層誤差，dion是電離層誤差，dmult是多路徑時延，dcha是接收機通道時延，dode是電纜參考時延，?是偽距測量噪聲。通過偽距觀測量和導航電文可計算獲取接收機鐘差，如式(2)

(2)

假設GPS、GLONASS、BDS的導航電文和偽距觀測量獲得接收機鐘差分別為REFG、REFR、REFC，由此可用式(3)計算兩系統的時差：

(3)

其中，TCG、TCR、TRG分別為BDT與GPST的時差、BDT與GLONASST的時差、GLONASST與GPST的時差。

2 誤差模型

GNSS系統時差監測中主要誤差項有：衛星鐘差、衛星星歷誤差、相對論效應、地球自轉效應、電離層時延、對流層時延、電纜時延和多路徑效應。

(1)衛星鐘差

以BDS系統為例， BDT在t時刻的衛星鐘差[6]為式(4)

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2

(4)

式中，a0是初始時刻衛星時鐘相位偏差，a1是初始時刻衛星時鐘頻率偏差，a2是衛星時鐘頻率漂移，t是信號發射時刻的BDT，由信號發射時刻的衛星測距碼相位時間代替，toc是衛星鐘數據的參考時間。

對于B1I信號的用戶，還需要使用進一步修正，如式(5)所示

(Δtsv)B1I=Δtsv-Tgd1

(5)

式中，Tgd1為星上設備時延差，可由衛星導航電文獲得。

(2)衛星星歷誤差

與衛星鐘誤差修正相同，通過主控站對衛星位置最佳預測值進行擬合，上傳至衛星,以導航電文的形式播發給用戶[7]。

(3)相對論效應

由于衛星鐘和地面鐘所處的運動狀態和受力不同，會使衛星鐘和地面鐘產生相對偏差，對相對論效應修正的計算公式如式(6)所示

本實驗確定了超聲波輔助提取紅枸杞多糖的最佳工藝條件為：料液比為1∶50、超聲溫度：60℃、萃取時間3min、超聲次數：1，在此條件下紅枸杞多糖的提取率為5.12%。

(6)

(4)地球自轉效應

由于地球自轉會引起接收時刻和發射時刻衛星位置的相對論誤差，考慮Sagnac效應。衛星坐標改正公式為式(7)

(7)

式中，[xyz]表示修正后的衛星位置，ω表示地球自轉角速率，τ表示衛星信號在空間中的傳播時間。

(5)電離層時延改正

電離層時延改正采用雙頻偽距觀測量的組合消除電離層時延，計算公式如式(8)

(8)

(6)對流層時延改正

通常利用包含氣象參數的模型來估算對流層延遲。常用的改正模型有Hopfield和Saastamoinen模型，本文采用Hopfield模型進行修正。

3 實驗結果分析

3.1 2016年時差波形

本文利用天寶R9多模接收機獲取三系統的相關測試數據，接收機外接參考主鐘的1pps/10MHz信號，選取接收機接收到的2016年10個月的BDS、GPS、GLONASS三系統相關數據，采用第3節中的各種誤差模型進行修正，利用導航電文、偽距通過式(3)可獲取GPST、GLONASST和BDT的系統間時差，實測時差數據間隔為15min，通過中位數法剔除時差數據的粗差，最后應用vondrak進行濾波[10]。時差波形如圖2～圖4所示，為2016年1月～10月GNSS導航系統時差數據波形圖，其中圖2為BDT與GPST的時差波形，圖3為GLONASST與BDT的時差波形，圖4為GLONASST與GPST的時差波形，圖中紅色部分為濾波后的曲線圖。

圖2 2016年1月-10月BDT與GPST時差波形Fig.2 Curve of BDT and GPST time difference in 2016.01 to 2016.10

圖3 2016年1月-10月BDT與GLONASST時差波形Fig.3 Curve of BDT and GLONASST time difference in 2016.01 to 2016.10

圖4 2016年1月-10月GLONASST與GPST時差波形Fig.4 Curve of GLONASST and GPST time difference in 2016.01 to 2016.10

從圖2中可以看出，測試數據中BDT-GPST時差在-60ns～60ns之間變化，圖3和圖4中可以看出2016年1月～10月GLONASST-GPST、GLONASST-BDT波形在-150ns～100ns上下浮動，在9月份波形出現跳變。

3.2 統計結果分析

測試數據的統計結果如表1所示，表1中RG表示GLONASST-GPST，CG表示BDT-GPST，RC表示GLONASST-BDT，統計了2016年1月～10月BDT、GLONASST、GPST兩兩系統時差的最大值(MAX)、最小值(MIN)、平均值(MEAN)、標準差(STD)、均方根誤差(RMS)和95%置信度(Upper)。

用柱狀圖描述了各導航系統測試數據每月的變化情況，縱軸為測試數據標準差。如圖5～圖7所示，從其中可以看出，GLONASST與GPST、BDT 的標準差除9月均優于17ns。由于9月以后，GLONASST數據整體出現向上跳變， GLONASST與GPST、BDT標準差增大到60ns，10月份標準差恢復到20ns以內。從圖6中可以看出，BDT與GPST的標準差測試數據各月優于17ns，標準差最好可達到4ns。

表1 2016年1月-10月GNSS時差統計結果

圖5 2016年1月-10月GLONASST與GPST時差STDFig.5 STD curve of GLONASST and GPST time difference from 2016.01 to 2016.10

圖6 2016年1月-10月BDT與GPST時差STDFig.6 STD curve of BDT and GLONASST time difference from 2016.1 to 2016.10

圖7 2016年1月-10月GLONASST與BDT時差STDFig.7 STD curve of GLONASST and GPST time difference from 2016.1 to 2016.10

3.3 與BIPM結果比較

在BIPM網站下載T公報數據，其中每天一組數據UTC-GNSST。目前，T公報缺少BDT數據，本文只對比T公報數據和實測的GLONASST-GPST時差數據，操作步驟如下。

1)T公報第五部分UTC-GLONASST與UTC-GPST兩列時差序列作差，獲得GLONASST-GPST；

2)將從T公報獲得時差序列與實測的時差序列作差，用T公報的真值來評估實測的GLONASST-GPST。

圖8所示為GLONASST-GPST與T公報真值和實測值波形圖，其中點畫紅線的為實測值，點畫黑線為T公報真值。圖9所示為T 公報真值和實測值的殘差曲線圖。表2所示為殘差結果各項具體參數。從表2中可以得出，GLONASST-GPST的監測結果與T公報結果絕對值最大值不超過13ns，標準偏差優于5ns。

圖8 GLONASST-GPST實測值和T公報對比Fig.8 Curve of GLONASST and GPST time difference, BIPM T bulletin

圖9 GLONASST-GPST T公報值與實測值殘差Fig.9 The residual curve of GLONASST and GPST time difference, BIPM T bulletin

時差類型MAX/nsMIN/nsMEAN/nsSTD/ns殘差值11.35-12.9-3.984.28

4 結論

本文介紹了GNSS時差監測的原理和各種誤差修正模型，分析了2016年1月～10月BDT、GPST、GLONASST三系統時差各項指標，分析結果顯示，由于GLONASST在9月出現跳變，BDT與GPST、GLONASST標準差除9月外，均優于17ns。用BIPM T公報時差結果對實測的GLONASST-GPST時差序列進行評定，評定結果顯示，監測結果與T公報結果絕對值最大值不超過13ns，標準差優于5ns，表明本文方法進行時差監測是可行的。

時差監測是一項非常有意義的工作，對于用戶進行多模導航具有輔助的作用[11]。本文中時差監測的算法是基于偽距的，若要提高監測結果的精度，可利用載波相位平滑偽距或非差相位數據進行時差監測。

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MonitoringandEvaluationontheSingleStation
TimeOffsetontheGNSSDataofDifference

SUN Guang， LI Shuang-qin， GUO Mei-jun， ZHAI Wei, HONG Ying-jie, ZHANG Min

(Xi’an Aerorspace Remote Sensing Data Technology Corporation, Xi’an 710054, China)

With the improvement and updating of GPS and GLONASS and the gradual establishment of GALILEO and BDS navigation system, Multi-system GNSS navigation systems have become hot spot. In order to achieve the compatibility and interoperability among the different GNSS systems, it is the key to accurately determine the time difference between different systems. Based on this, the GNSS observation data output by the Trimble R9 multi-mode dual-band receiver and the GNSS system’s navigation message are used to monitor the time difference between different GNSS. Because there is no BDS data in the BIPM T bulletin, the data of the measured time difference of GLONASS and GPS and the corresponding time difference data of BIPM T bulletin are used to be evaluated. For BDS, GPS and GLONASS, the maximum, minimum, mean, mean square error, RMSE of their time difference data are taken into account statistically. Time difference evaluation and monitoring is carried out based on time difference data from January to October 2016. The results show that the residual standard deviation between time difference of GLONASS, GPS and the results of T bulletin is 4.28ns, and the residual’ standard deviation between BDS with GPS and GLONASS can reach 4ns or 5ns in optimal conditions.

System time difference; GNSS; Monitoring and evaluation; BIPM

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.06.013

TN697.1

2095-8110(2017)06-0080-06

2017-05-10；

2017-06-22

地理信息工程國家重點實驗室開放研究基金資助項目(SKLGIE2015-M-1-4)

孫廣(1986-)，男，工程師，主要從事GNSS數據處理方面研究。E-mail：sunguang216@163.com