GNSS接收機時間管理模型的設計與實現

曹士龍，劉根友，尹翔飛,2，王生亮,2，高 銘,2

(1. 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049;3. 北京和協航電信息科技有限公司, 北京 100093)

0 引言

隨著我國北斗三號全球衛星導航系統的組網建設以及全球定位系統(Global Positioning System，GPS)和GLONASS的現代化發展，極大增強了導航定位用戶的可見衛星數，使衛星的空間幾何構型更加穩定，多系統GNSS并存與發展的局面已經形成。多系統融合是全球導航衛星系統 (Global Navigation Satellite System，GNSS)發展的必然趨勢。目前正在建設的多模GNSS實驗(Multi-GNSS Experiment，MGEX)跟蹤站和國際GNSS監測評估系統(international GNSS Monitoring & Assessment System，iGMAS)跟蹤站使用的接收機大多數都同時支持GPS、GLONASS、北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和Galileo四個系統。傳統支持單個導航系統的接收機已經不能滿足高精度、高可靠性、多樣化服務的需求。未來的全球衛星導航系統一定是多系統GNSS組合定位[1]。

目前，針對多系統GNSS的組合定位算法在數學模型建立、誤差模型改正、數據預處理和參數估計等方面的研究已經比較成熟，國內外相關學者取得了豐富的研究成果。例如：蔡昌盛等研究了GPS/GLONASS組合精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)，顯著改善了PPP收斂速度[2]；李星星和樓益棟等對GPS、GLONASS、BDS和Galileo四系統組合PPP模型進行了研究，分析了四系統組合PPP的性能[3-4]；A.Khodabandeh等深入研究了多系統PPP-RTK的數學模型[5]。

但多系統GNSS組合定位不是簡單地增加觀測衛星數，還需要考慮不同系統間星座構成、時間及坐標系統、信號類型之間的差異，這也給GNSS接收機軟件設計帶來了更多的挑戰。

近年來，國內學者也在多系統GNSS接收機鐘跳和差分碼偏差(Differential Code Bias, DCB)等方面進行了大量研究，例如：鄭凱等分析了各類鐘跳與時標、載波相位觀測值之間的關系，并給出了顧及各類鐘跳的導出多普勒值構造方法[6]；O.Montenbruck等分析了DCB產生的原因，利用多系統GNSS觀測值和全球電離層格網估計GPS、Galileo和BDS三系統衛星端和接收機端的DCB[7]；袁運斌等提出了基于零基線精密估計站間單差接收機DCB的方法，并對站間單差接收機DCB的日加權平均值進了分析[8]。但是關于多系統GNSS接收機軟件中時間管理模型的研究及參考文獻有限，還有待進一步研究和完善。

在多系統GNSS接收機工作過程中，統一的時間基準是保證正常定位解算的基礎。然而由于不同衛星導航系統所采用的時間基準各不相同，多系統GNSS接收機需要兼容各個衛星系統時間[9-10]，為各類用戶提供基于不同時間基準的信息。因此，研究高效、優化的多系統GNSS接收機時間管理模型就顯得尤為重要。

1 導航衛星系統的時間基準

導航衛星系統的時間基準源于各自維持的系統時。在多系統GNSS接收機內部需要處理多個時間基準下的衛星信號和數據。由于各個時間系統是獨立的，它們之間會存在系統間偏差[11]。而這些系統偏差要么從衛星上通過導航電文播發給用戶，要么在接收機參數估計時附加一個未知參數進行估計[12]。多系統GNSS接收機既要維持各個衛星系統時間的獨立性，又要協調處理好相互之間的轉換關系，因此接收機軟件中需要建立一個高效可靠的時間管理模型來實現二者的平衡。

2 多系統GNSS接收機時間的管理模型設計

GNSS接收機的時間由三部分構成：參考時刻、開機時長和接收機鐘差。

參考時刻定義為接收機開機的起始時刻所對應的絕對衛星系統時間，也即接收機中時間間隔計數器(Time Interval Counter，TIC)等于0時的衛星系統時間。

開機時長定義為從開機上電開始的TIC計數值Ntic。

參考時刻加上開機時長的總和減去標準系統時間后的偏差值作為接收機的鐘差值。

對于多系統GNSS接收機的參考時刻來說，每一種衛星時間系統下都對應一個參考時刻，由于各個衛星系統之間的時間差值通常小于2μs，因此在多系統GNSS接收機時間模型中，取系統時間的整毫秒以上的部分作為參考時刻，毫秒以下的部分歸入接收機鐘差。多系統GNSS接收機的鐘差個數就等于衛星系統的數目，如圖1所示。

圖1 GNSS接收機時間模型示意圖

2.1 接收機時間的初始化流程設計

接收機時間的初始化過程就是確定參考時刻的過程。GNSS接收機時間初始化設計流程如圖2所示。

接收機的時間初始化分兩種情況：

1)使用RTC初始化

接收機上電后，從實時時鐘(Real-Time Clock，RTC)芯片中讀取RTC時間Tcur，并采用式(1)計算參考時刻Tref

(1)

其中，fTIC代表接收機軟件中產生TIC的頻率。從RTC中還可以讀取最后一次斷電前的時刻TFE，RTC時間的精確度σRTC可通過式(2)估計

σRTC=(TRTC-TFE)δRTC

(2)

式中，δRTC代表RTC的鐘漂值，可從芯片手冊或制造商處獲得。

2)使用衛星導航電文初始化

如果接收機上沒有安裝RTC，接收機在完成幀同步后，從導航電文中提取出交接字THOW和周計數WN(需要考慮周計數翻轉的情況)。按照式(3)計算

Tcur=WN*604800+THOW+δtemi+δtpro

(3)

其中，δtemi表示信號從衛星傳播至接收機所產生的時延(一般取信號傳播時延的平均值，如GPS信號為65ms);δtpro表示接收機內部的處理時延。經過衛星電文初始化后，本地接收機時間的偏差可控制在50ms以內。然后采用式(1)初始化接收機的參考時刻。

2.2 接收機時間的維持

接收機時間的維持需要三個參數：參考時刻、開機時長和接收機鐘差。

接收機一旦完成時間初始化，參考時刻就確定下來。

開機時長的維持依賴于接收機中驅動TIC的晶振。晶振的穩定度越高，開機時長的精度越高。一般接收機的溫補晶振的頻率準確度可達2.0×10-8[13]。由于晶振的不穩定性及測量誤差的存在，接收機軟件一方面不斷地估計出盡可能精確的鐘差值，另一方面將TIC信號周期盡可能調整到等間距，從而維持一個高精度的接收機時鐘。前者通過接收機的定位解算來實現，后者通過調整數控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)或者晶振馴服技術[14]來實現。

2.3 接收機鐘差的估計模型

通常將接收機端的硬件時延和接收機鐘差混合在一起進行估計，對于單系統單頻接收機來說，這不會影響到定位和授時的精度。然而對于多系統多頻接收機來說，硬件時延的影響不可忽略[15]。在多系統接收機中，每一種定位模式(或每一個頻點信號)均能估計出一個接收機鐘差值，而由于系統間偏差、觀測誤差及接收機硬件時延的影響，導致不同定位模式(或不同頻點信號)估計的接收機鐘差也不相同。

本節討論了顧及接收機端硬件時延的GNSS接收機鐘差估計模型[7]。以GPS(C/A)+GLONASS(L1)+BDS(B1)接收機為例，三種定位模式分別為GPS、GLONASS和BDS。三種衛星系統的觀測方程分別為

(4)

在實時單點定位解算中，由于無法區分接收機的鐘差和硬件時延值，三種定位模式估計出的接收機鐘差均不相等。

2.4 接收機鐘差的修正

由于觀測誤差和時間量化誤差的存在，接收機總是有修不盡的鐘差。接收機鐘差修正的目的是使接收機維持的本地時間與所選的系統時間盡可能保持一致。接收機根據用戶配置的參考時間來選擇相應的鐘差修正本地時間。例如：用戶要求輸出北斗時，接收機軟件中就使用北斗時間系統對應的鐘差來修正當前接收機的時間Tcur。同時對輸出的偽距Pcur、載波相位φcur按照式(5)進行修正

(5)

接收機鐘差的修正方式通常有兩種：

1)實時修正。接收機每完成一次定位解算，都要對接收機輸出的時間、偽距和載波相位觀測量進行修正，修正量為當前估計的鐘差值。這樣做是為了保證任意時刻的接收機時間和原始偽距觀測值接近于真實值，保持連續變化。

2)毫秒級修正。當接收機鐘差累積到一定門限(如1ms)后才對接收機時間、偽距和載波相位觀測量做一次修正[16-18]。這樣做是為了使一段時間內的偽距和載波相位的數值變化只受多普勒和接收機鐘漂的影響。此過程中偽距和載波相位觀測值中所包含的接收機鐘差越來越大，當接收機鐘差累積到一定門限(如1ms)時才對接收機時間、偽距和載波相位值進行調整。經過上述調整后，接收機時間、偽距和載波相位原始觀測值都會出現與1ms對應的鐘跳。這種變化會破壞原始載波相位觀測值的連續性，在周跳探測時應注意鐘跳的影響。載波相位觀測量中的周跳與鐘跳現象相似，但二者產生的機理不同，不應將鐘跳當作周跳進行修復。鐘跳在星間單差或雙差處理時可以被消除，因此可以采用星間單差或雙差診斷周跳，從而避免對定位結果產生影響[19-20]。

3 實現與驗證

筆者基于DSP6671平臺對GNSS接收機時間管理模型進行了軟件實現和實驗驗證。在接收機軟件中同時維持了GPS、GLONASS和BDS(B1)三種定位模式，并對三個接收機鐘差進行估計。分別采用兩種鐘差調整方式，按照10Hz頻度輸出GPS、GLONASS和BDS的原始偽距和載波相位觀測量，分析和驗證模型的正確性。

3.1 接收機鐘差估計

GPS、GLONASS和BDS三種定位模式下分別估計的接收機鐘差結果如表1和圖3所示。

表1 不同定位模式下的接收機鐘差

圖3 不同定位模式下接收機鐘差

從實驗數據可以看出，GPS、GLONASS、BDS三種模式解算的接收機鐘差均值分別為-30.70ns、-72.59ns和-109.09ns。由于三個頻率的衛星信號受到的硬件時延不同，導致三個接收機鐘差相互之間存在系統偏差，GPS與GLONASS鐘差的偏差值為41.9ns，GPS與BDS鐘差的偏差值為78.3ns。鐘差偏差值的變化在短時間內比較穩定，說明接收機端的硬件時延在短時間內是穩定的。實驗數據中，GLONASS和BDS解算的鐘差均方根大于GPS模式的鐘差均方根，其原因與GLONASS和BDS定位精度有關；由于GLONASS和BDS收星狀況不如GPS好，導致GLONASS和BDS模式解算的接收機鐘差精度略差。

3.2 接收機鐘差的修正

采用實時鐘差修正時，偽距和載波相位觀測值是連續變化的，如圖4所示。

(a)偽距

采用毫秒修正方式時，所有衛星的偽距和載波相位在同一時刻發生跳躍，如圖5所示。

(a)偽距

毫秒跳變對于雙差觀測值沒有影響，載波相位雙差值的統計如圖6所示。

圖6 GPS載波相位雙差值

載波相位雙差值前后歷元作差的殘差值統計如圖7所示。

圖7 GPS載波相位雙差殘差值

通過分析前后歷元間的載波相位雙差殘差值的變化量可以看出，盡管毫秒級鐘差跳變使得原始偽距和載波相位觀測量產生了跳變，但對雙差載波相位觀測值沒有影響。

4 結論

本文針對多系統GNSS接收機設計了一種時間管理模型，實驗結果表明：

1)該模型實現了GNSS接收機內部對多個系統時的統一管理。

2)模型顧及了接收機端的硬件時延，可以同時估計GPS、GLONASS和BDS對應的接收機鐘差。由于同一系統中不同頻點(如B1、B2和B3)的硬件時延也可能不相同，不同頻點解算出的接收機鐘差之間也會存在系統偏差(部分接收機廠商會在出廠前做偏差校正)，因此該模型也適用于同一系統中的不同頻點信號聯合解算時的情況。

3)提供了兩種不同的接收機鐘差調整方式，以實現對不同鐘差調整方式的控制，使得接收機輸出的時間和原始觀測量滿足不同場景的應用需求。

4)兩種鐘差調整方式對載波相位雙差值無影響。