基于多GNSS 融合的遠程時頻源馴服控制方法研究

遲文波,寇瓊月

(92228部隊,北京 100072)

0 引言

GNSS 馴服頻率源技術(shù)是一種低成本、高性能頻率信號產(chǎn)生技術(shù),在時頻計量、通信、電力等方面具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前,GNSS 馴服頻率源主要采用GPS 單向授時方式,通過利用GPS 接收模塊輸出秒脈沖(PPS,Pulse Per Second)信號作為鎖定參考源,得到準(zhǔn)確的頻率信號,即GPS 馴服振蕩器(GPSDO,GPS Disciplined Oscillator),其頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均可達到10-12量級,接收模塊輸出秒脈沖信號的抖動相對于協(xié)調(diào)世界時(UTC,Universal Time Coordinated)可達20ns[1]。為了提升馴服頻率源的性能,可利用GPS 接收模塊輸出的秒脈沖信號與原子鐘輸出信號進行比對,對比對參數(shù)進行建模和最小二乘擬合,精細(xì)估計原子鐘的參數(shù),進而對其實施馴服控制。GNSS 單向授時頻率源馴服設(shè)備相對簡單,但也存在一些不足:

1)受各類誤差影響較大,頻率準(zhǔn)確度等性能指標(biāo)不高;

2)時頻信號溯源到采用的GNSS 系統(tǒng),不能實現(xiàn)向期望的參考基準(zhǔn)溯源;

3)設(shè)備時間獲取依賴于單向授時,時間同步精度不高[2]。

1 GNSS 遠程馴服時頻源原理

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)共視時頻傳遞方法,是應(yīng)用地面兩個觀測站在同一時間,利用各自的GNSS 時頻傳遞設(shè)備共視同一GNSS 衛(wèi)星,通過交換兩觀測站解析的GNSS 時間信息,計算時間偏差,完成本地時間頻率源的修正[3]。GNSS 遠程馴服時頻源原理如圖1所示。

圖1 GNSS 遠程馴服時頻源原理圖Fig.1 Schematic diagram of GNSS remote domestication time-frequency source

在兩地實驗室的時頻傳遞設(shè)備(TR1和TR2)接入頻率源(REF1和REF2),兩地時頻傳遞設(shè)備在同一時刻同時觀測同一顆GNSS 系統(tǒng)星座,計算外部參考與GNSST(GNSS 內(nèi)部時鐘通過地面主控站與協(xié)調(diào)世界時(UTC)同步值)的差值ΔT1 和ΔT2,如式(1)和式(2)所示,GNSST 為時間基準(zhǔn)的時間差如式(3)所示

以GNSST 為時間基準(zhǔn)的時間差即為遠程參考時間頻率標(biāo)準(zhǔn)源和本地頻率標(biāo)準(zhǔn)源的鐘差值。

2 衛(wèi)星觀測仰角融合

受折射影響,GNSS 信號在大氣中傳播時,會引起傳播路徑變化,產(chǎn)生延遲誤差,大氣折射誤差與衛(wèi)星仰角大小有直接關(guān)系,衛(wèi)星仰角越小,大氣折射引入的誤差就越大[4]。GNSS 信號傳輸?shù)竭_地面后,一部分直接被接收機接收,還有一部分經(jīng)過地球表面房屋、河流等介質(zhì)發(fā)射后被接收機接收,不同路徑的信號疊加后,導(dǎo)致接收機接收的信號變形,這就是多徑效應(yīng)。這種效應(yīng)的產(chǎn)生與衛(wèi)星仰角有關(guān),仰角高時,GNSS 信號直接傳遞到接收機的信號會明顯增多,相反,信號更可能受高山、樓宇等物體阻擋,會產(chǎn)生更多多徑效應(yīng)[5]。為此,提出一種基于衛(wèi)星觀測仰角的融合及驗證方案,降低多徑效應(yīng)帶來的誤差。

2.1 衛(wèi)星觀測仰角融合方案設(shè)計

結(jié)合時差與仰角的對應(yīng)關(guān)系,通過分析衛(wèi)星不同仰角的離散度,確定衛(wèi)星權(quán)重值的大小,權(quán)重值小的衛(wèi)星其離散程度大,其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)噪聲就大,反之,離散程度小的衛(wèi)星權(quán)重大[6]。實施方案如下:

1)分析同一仰角i下不同衛(wèi)星時差數(shù)據(jù),統(tǒng)計其標(biāo)準(zhǔn)差σi(由兩臺參考時鐘相同的接收機長時間共視比對);

2)選取兩臺接收機同一時所有衛(wèi)星仰角值i,計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差σi,將時刻內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差倒數(shù)求和∑1/σi,該時間段衛(wèi)星仰角為i的權(quán)重w為(1/σi)/(∑1/σi),將不同權(quán)重分析融合,獲取接收機在該時間點的時差。也可以用方差表征離散程度。

2.2 衛(wèi)星觀測仰角融合方案驗證

選擇兩臺接收機IM1 及IM2,時間參考源為同一UTC,分析由兩臺接收機北斗共視比對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的結(jié)果,統(tǒng)計分析仰角對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)北斗仰角融合方案對比對數(shù)據(jù)進行融合,融合后的結(jié)果如圖2 所示。“等權(quán)融合”(藍色曲線)代表等權(quán)平均算法計算的數(shù)據(jù)時差值,計算結(jié)果為12 ns,標(biāo)準(zhǔn)差為1.01 ns;“標(biāo)準(zhǔn)差融合”(紅色曲線)代表由數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差確定衛(wèi)星權(quán)重值,結(jié)果為6 ns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.95 ns;“方差融合”(黃色曲線)代表由數(shù)據(jù)方差確定衛(wèi)星權(quán)重值,標(biāo)準(zhǔn)差為0.98 ns。平均時間不同時時間偏差統(tǒng)計情況[7]如表1 所示。

表1 不同仰角融合方案TDEV 統(tǒng)計表Tab.1 TDEV statistics of different elevation fusion schemes單位:s

圖2 衛(wèi)星仰角融合時差曲線圖Fig.2 Curves of satellite elevation fusion time difference

從衛(wèi)星仰角融合時差曲線圖以及不同仰角融合方案TDEV 統(tǒng)計表能夠分析出,標(biāo)準(zhǔn)差融合和方差融合相比于等權(quán)融合,數(shù)據(jù)噪聲有減小,穩(wěn)定度也有提高。

3 多GNSS 系統(tǒng)融合方法

3.1 融合馴服控制算法

融合馴服控制的數(shù)據(jù)基于GNSS 共視測量數(shù)據(jù)Rfile 文件,文件符合國際標(biāo)準(zhǔn)CGGTTS 格式,其數(shù)據(jù)如圖3 所示。一個Rfile 的生成周期為16 min,其中包含2 min 跟蹤時間,13 min 采樣時間以及1 min等待時間。就北斗及GPS 系統(tǒng)而言,其B1I、L3B 和L1C、L3P 頻點分別對應(yīng)了CM、CZ、GM、GZ 四類Rfile[7]。鏈路對應(yīng)接入的時間頻率源及GNSS 系統(tǒng)時間GNSST 之間的鐘差信息將以REFSYS 類型數(shù)據(jù)存儲,單位為0.1 ns,它具體表示對采樣時間中點時間點對應(yīng)鐘差的擬合。分別從遠端時間傳遞鏈路控制計算機文件夾和FTP 服務(wù)器提取同一時刻,同一類型的Rfile,待馴服時間頻率源及參考時間頻率源的衛(wèi)星共視鐘差如式(4)所示

圖3 Rfile 實時數(shù)據(jù)文件圖Fig.3 Picture of Rfile real-time date file

式中:REFSYSi(A)——遠端時間頻率源與第i顆共視衛(wèi)星時差;REFSYSi(B)——參考時間頻率源與第i顆共視衛(wèi)星時差;N——該時刻共視衛(wèi)星數(shù)量。

在利用CM、CZ、GM、GZ 四類Rfile 得到第i個周期的共視時差后,記錄N顆衛(wèi)星鐘差標(biāo)準(zhǔn)差,綜合式(5)和式(6)計算融合權(quán)值,由式(7)可得第i個Rfile 生成周期對應(yīng)融合時差Δi。

將式Δti代入式(7),即可預(yù)測推算調(diào)整時刻待馴服時間頻率源及參考時間頻率源鐘差,作為銣原子振蕩器相位粗調(diào)依據(jù)。其中,PRS-10 型振蕩器的相頻調(diào)整表現(xiàn)為串口指令,通過運行在Linux系統(tǒng)控制計算機上的Python 代碼配合RS-232 串口通信實現(xiàn)實時控制[8]。

馴服控制軟件運行流程如圖4 所示。

圖4 馴服控制程序運行流程圖Fig.4 Flow chart of taming control program run

一個完整的馴服流程包含三步:初始輪將僅獲取遠端及參考端融合時差值,不做任何相頻控制調(diào)整;第二輪完成時差獲取后,將利用上一輪歷史數(shù)據(jù)對調(diào)整時刻時差進行預(yù)測,從中計算相位調(diào)整量,通過串口指令實現(xiàn)相位粗調(diào)。以上兩輪流程被稱作初始化過程,該過程可使遠端銣原子振蕩器相位快速靠近參考端,后進入頻率調(diào)整過程。調(diào)整輪除了完成融合時差的獲取及調(diào)整時刻時差預(yù)測外,會根據(jù)上一輪歷史預(yù)測數(shù)據(jù)推算調(diào)整時刻兩時間頻率源頻差,通過串口指令實現(xiàn)頻率細(xì)調(diào)。此外,為了保證銣原子振蕩器長期穩(wěn)定運行,馴服控制程序會根據(jù)計算頻差情況適當(dāng)延長調(diào)整周期。

3.2 多GNSS 系統(tǒng)融合驗證

在此選用標(biāo)準(zhǔn)差以最終刻畫融合性能,融合結(jié)果如圖5 所示。其中藍色叉號符代表遍歷權(quán)值組合融合結(jié)果,深藍色圓點表示標(biāo)準(zhǔn)差融合結(jié)果,紅色圓點表示960 s TDEV 融合結(jié)果。可以看出,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差及960 s TDEV 賦權(quán)融合的時差標(biāo)準(zhǔn)差水平幾乎位于圖像最低點,相較于單GPS 系統(tǒng)共鐘差(CCD,Common Clock Difference) 結(jié)果提升了約19.8%,相較北斗/GPS 雙系統(tǒng)等權(quán)平均融合提升了約3.4%。這證明了利用標(biāo)準(zhǔn)差進行多GNSS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的可行性。

圖5 雙GNSS 系統(tǒng)融合結(jié)果圖Fig.5 Fusion result of two GNSS systems

在此基礎(chǔ)上,基于MJD 59772-59785 的14 天觀測數(shù)據(jù),加入北斗L3B 及GPS L1C 頻點展開標(biāo)準(zhǔn)差融合試驗,其結(jié)果如圖6 所示。其中藍色圓圈,橙色方塊,黃色菱形及紫色星形分別表示GPS L1C、GPS L3P、BDS B1I 及BDS L3B 四種單頻CCD結(jié)果,綠色上三角表示基于上述四頻點的標(biāo)準(zhǔn)差融合時差結(jié)果。可以觀察到融合結(jié)果穩(wěn)定度的明顯改善,這證明了利用標(biāo)準(zhǔn)差進行多頻點數(shù)據(jù)融合的可行性。

圖6 四GNSS 頻點融合結(jié)果圖Fig.6 Results of four GNSS frequency fusion

選定傳遞時差數(shù)據(jù)的融合方案后,還需研究自由振蕩時間頻率源的馴服控制方法。選用的馴服原理如下:通過實時獲取的融合時差計算頻差,通過一次線性擬合預(yù)測待馴服時頻源在調(diào)整時刻。同時需要考慮測量時間間隔、比對鏈路中網(wǎng)絡(luò)時延等因素[9]。實時時差調(diào)整值可由式(8)估計

式中:ΔTi——在第i個調(diào)整時刻時差預(yù)測值;Δti——GNSS 時間傳遞比對融合時差結(jié)果;Δti-1——第i-1個調(diào)整周期的GNSS 傳遞比對融合時差結(jié)果;ttr——采樣時間;td——網(wǎng)絡(luò)時延估計。

導(dǎo)出ΔTi后,便可對待馴服時間頻率源進行相位粗調(diào),同時計算頻差,實現(xiàn)實時頻率細(xì)調(diào)及馴服控制。對應(yīng)頻率調(diào)整值Δf可由式(9)計算

式中:fclk——待馴服時間頻率源運行頻率;fref——參考端時間頻率源標(biāo)準(zhǔn)頻率。

4 結(jié)束語

針對目前基于北斗/GPS 共視技術(shù)的時頻源馴服方法存在的穩(wěn)定度不高、噪聲大等缺點,利用實時時差標(biāo)準(zhǔn)差賦權(quán)實現(xiàn)多GNSS 系統(tǒng)、多頻點數(shù)據(jù)融合,利用預(yù)測及調(diào)整算法,實現(xiàn)遠端待同步時間頻率源馴服控制,同時結(jié)合衛(wèi)星仰角與時差關(guān)系,提出衛(wèi)星觀測仰角融合及驗證方案,降低多徑效應(yīng)帶來的誤差,實現(xiàn)遠端時間精準(zhǔn)同步,以復(fù)現(xiàn)參考端時間頻率標(biāo)準(zhǔn)。