偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的頻率與時(shí)間統(tǒng)一

張 濤,徐亞明,黃勁松

(武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢430072)

0 引 言

衛(wèi)星定位系統(tǒng)中,頻率的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度以及時(shí)間的統(tǒng)一問題非常重要。在真實(shí)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中(例如GPS,GLONAS,GALILEO,北斗等),由于星載的時(shí)鐘源都是數(shù)臺精確度和穩(wěn)定度很高的原子鐘,在運(yùn)行過程中還不斷被地面站監(jiān)測、修正,才能保證每顆星的時(shí)鐘高度精確與同步。而偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中,一般的偽衛(wèi)星信號發(fā)生器僅采用OCXO,有些甚至是只用了TCXO做時(shí)鐘源,因此很難保證系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間同步。一個(gè)頻率與時(shí)間未統(tǒng)一的系統(tǒng),存在即使用雙差也無法消除的time-tag誤差,同時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)單站定位。本文通過對GSG-L1偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間的研究,實(shí)現(xiàn)了一種可以使偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間統(tǒng)一的方法。

1 頻率和時(shí)間未統(tǒng)一的情況

在本文討論的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中,偽衛(wèi)星采用的是Pendulum公司的GSG-L1偽衛(wèi)星信號發(fā)生器,一共4顆。發(fā)射天線采用Patch天線,接收機(jī)采用的是Novatel Propak-V3接收機(jī),接收天線是Novatel GPS-703天線。

GSG-L1偽衛(wèi)星采用的是OCXO作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源,標(biāo)稱的精度為1 ppb(日穩(wěn))。Propak-V3則使用的是TXVCXO。

在未經(jīng)過頻率和時(shí)間統(tǒng)一之前,接收機(jī)初始化完成(這里的初始化含義是成功跟蹤4顆衛(wèi)星,可以開始測量)的時(shí)間大約為3 min。

為檢驗(yàn)GSG-L1上所配OCXO頻率源的性能,用一臺銣原子頻標(biāo)做Propak-V3的外接時(shí)鐘源,對GSG-L1進(jìn)行測試。

將銣原子頻標(biāo)的輸出接到Propak-V3的外接時(shí)鐘源接口上(標(biāo)注了OSC的BNC接口),然后對Propak-V3發(fā)出以下命令:

externalclock RUBIDIUM 10 MHz

clockadjust disable

設(shè)定其使用外接時(shí)鐘源,類型為銣原子頻標(biāo),頻率為10 MHz,并禁止其對時(shí)鐘的校正。

然后再用以下命令對觀測結(jié)果做記錄:

log rangegpsl1 ontime 1

得到類似如下的結(jié)果:

其中包含了衛(wèi)星PRN編號、C/A碼偽距、相位觀測量以及多普勒值。

按照理想狀況,由于偽衛(wèi)星和接收機(jī)都處于靜止?fàn)顟B(tài),因此,多普勒觀測值應(yīng)該都為0,然而實(shí)際觀測結(jié)果是每顆偽衛(wèi)星的多普勒觀測值都不為零,而且互不相等,這說明,每顆偽衛(wèi)星所配置的OCXO存在初始頻率誤差。

進(jìn)一步連續(xù)取得觀測值,發(fā)現(xiàn)每顆偽衛(wèi)星的多普勒觀測值都隨著時(shí)間震蕩(圖1),與使用GPS接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘的觀測值對比(圖2),可以發(fā)現(xiàn),其漂移趨勢不明顯,因此,一旦將系統(tǒng)中的時(shí)鐘和頻率進(jìn)行同步后,調(diào)整頻率可以很低。

2 偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中頻率與時(shí)間統(tǒng)一的方法

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的頻率與時(shí)間統(tǒng)一分為兩個(gè)部分:頻率統(tǒng)一和時(shí)間同步。

頻率統(tǒng)一,就是讓每個(gè)偽衛(wèi)星的時(shí)鐘頻率一致或接近一致,最終表現(xiàn)是每刻衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機(jī)碼速率(C/A碼是10.23 MHz)基本一致,發(fā)射頻率(1.57542 GHz)基本一致,在接收機(jī)看來,就是多普勒觀測值在0 Hz附近。

時(shí)間統(tǒng)一,就是讓每顆衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文包含相同的GPS時(shí)間,而且,他們發(fā)射每個(gè)C/A碼的時(shí)刻基本相同。

可以看出,如果僅僅使其時(shí)間統(tǒng)一而頻率不統(tǒng)一,則這種時(shí)間統(tǒng)一的狀態(tài)很快就被破壞,需要再次調(diào)整,實(shí)際上就是需要提高調(diào)整頻度。而每次的調(diào)整都可能帶來衛(wèi)星的失鎖,降低系統(tǒng)的可用性。

GSG-L1采用了一個(gè)密閉性比較高的鋁盒封裝,外部只有天線(SMA接口),電源和數(shù)據(jù)通訊口(都為LEMO)三個(gè)接口,甚至連一個(gè)電源或工作指示燈都沒有,更沒提供外接時(shí)鐘源的接口。因此如果想直接對其改進(jìn),將其時(shí)鐘源升級為更精密的原子頻標(biāo),是比較麻煩的,需要對其進(jìn)行較大改動。因此用軟件動態(tài)校正的辦法更簡單可行而且靈活方便。

基本的思路是:

1)用原子頻標(biāo)做接收機(jī)的時(shí)鐘源。

2)根據(jù)接收機(jī)測量到的各個(gè)偽衛(wèi)星的多普勒值,用指令調(diào)整偽衛(wèi)星的時(shí)鐘頻率,直到多普勒觀測值接近0。此時(shí),相當(dāng)于用原子頻標(biāo)來校正偽衛(wèi)星的時(shí)鐘頻率和發(fā)射頻率。

3)根據(jù)接收機(jī)測量到的每顆衛(wèi)星的偽距,計(jì)算出衛(wèi)星之間的時(shí)間差,然后,以最慢的偽衛(wèi)星為基準(zhǔn),調(diào)整其他偽衛(wèi)星的時(shí)間,直到每顆星之間的時(shí)間差小于預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值(例如1μ s)。

4)定時(shí)觀測,重復(fù)步驟2～3。

對于GSG-L1的具體實(shí)施辦法:

1)將銣原子頻標(biāo)的輸出接到Propak-V3的外接時(shí)鐘源接口上(標(biāo)注了OSC的BNC接口),然后對Propak-V3發(fā)以下命令:

externalclock rb 10 MHz

clockadjust disable

log rangegpal1 ontime 1

設(shè)定其使用外接時(shí)鐘源,類型為銣原子頻標(biāo),頻率為10 MHz,并禁止其對時(shí)鐘的校正,然后對觀測結(jié)果做記錄,每秒一次。

2)首先對每顆偽衛(wèi)星的多普勒值進(jìn)行判斷,如果其偏離值大于預(yù)先設(shè)定的門限(例如2 Hz),則對該顆偽衛(wèi)星的多普勒進(jìn)行調(diào)整,對于GSG-L1來說,可用以下命令[1]:

PLPRAM:＜PRN＞:＜命令編號＞:0002:＜多普勒值＞

一般來說 ,可以一次將偽衛(wèi)星的頻率偏離糾正到0 Hz附近,然后該觀測值在±1 Hz附近跳動。

3)當(dāng)把每顆衛(wèi)星的頻率統(tǒng)一之后,以碼偽距最大的一顆衛(wèi)星作為基準(zhǔn),計(jì)算其他偽衛(wèi)星的時(shí)間提前量,然后使其停止一段時(shí)間產(chǎn)生C/A碼,從而使得其時(shí)間與基準(zhǔn)偽衛(wèi)星對齊。

對于GSG-L1偽衛(wèi)星來說,可以使用如下命令:

PLDELY:＜PRN＞:＜命令編號＞:＜延遲滴答數(shù)＞

延遲滴答數(shù)是0.1個(gè)C/A碼片的時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中,該數(shù)值與實(shí)際延遲時(shí)間有較大差異,經(jīng)驗(yàn)值是:

ticks=PRdif/1.53

其中,ticks為延遲滴答數(shù);PRdif為偽距差,單位是m。

為避免調(diào)整過度而導(dǎo)致基準(zhǔn)星的頻繁改變,通常時(shí)間同步不可能在一個(gè)調(diào)整動作后完成,而是采用逐次逼近的方法。

首次同步完成后,假設(shè)目標(biāo)是將頻率偏離范圍設(shè)為2 Hz,而時(shí)間同步差異在1 μ s以內(nèi),則調(diào)整間隔大約為1500 s。

同步完成后,可以把相關(guān)參數(shù)寫到偽衛(wèi)星內(nèi)部的非揮發(fā)記憶體內(nèi):

PLSTOR

以減少下次同步時(shí)間。

根據(jù)以上思路,編寫偽衛(wèi)星時(shí)鐘與頻率統(tǒng)一程序,圖3、4是用該程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行同步前與同步后的對比:

圖3 執(zhí)行同步中的情形

可以看到,在同步執(zhí)行前,各個(gè)偽衛(wèi)星之間存在比較大的鐘差和頻率差,實(shí)驗(yàn)證明,即使將幾個(gè)偽衛(wèi)星同時(shí)打開電源,也會因?yàn)殚_關(guān)電源的初始化時(shí)間等各種因素,造成偽衛(wèi)星之間的時(shí)鐘不同步,差異大概在幾十微秒到幾十毫秒之間。

經(jīng)過同步后,可以保證各個(gè)衛(wèi)星的頻率偏差在1 Hz以內(nèi),時(shí)鐘偏差在1 μ s以內(nèi)。

3 頻率與時(shí)間統(tǒng)一后的系統(tǒng)性能與后期工作

在頻率與時(shí)間統(tǒng)一后,由于偽衛(wèi)星的多普勒值在可控制范圍內(nèi),因此為加速系統(tǒng)初始化,可以在接收機(jī)上限定捕獲衛(wèi)星階段的多普勒中心值和搜索范圍,經(jīng)實(shí)驗(yàn),這樣可以使得初始化時(shí)間縮短到1 min以內(nèi)。

經(jīng)過時(shí)間和頻率統(tǒng)一后的系統(tǒng),觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提高。圖5是在時(shí)間和頻率統(tǒng)一前后的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比。該實(shí)驗(yàn)使用零基線,記錄相位觀測的雙差結(jié)果。采樣率為0.5 Hz?？梢钥闯?時(shí)間和頻率統(tǒng)一之后,觀測值隨時(shí)間的變化率明顯減小(大約提高一個(gè)數(shù)量級)。同時(shí),對200 s的觀測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),RMS值由0.0043減小到0.00365。

圖5 時(shí)頻統(tǒng)一前后觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

但由于實(shí)驗(yàn)中所使用的銣原子頻標(biāo)相位噪聲較大,而偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中,尤其是室內(nèi)定位系統(tǒng)中(本文所做實(shí)驗(yàn)全部在室內(nèi)),主要誤差來源是多路徑效應(yīng)引起,如果要有效提高測量質(zhì)量,還有許多工作要做。

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn),使用該方法可以實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的時(shí)間和頻率進(jìn)行有效快速統(tǒng)一,統(tǒng)一后,與沒有進(jìn)行時(shí)間與頻率統(tǒng)一之前比較,有以下作用:

1)可以明顯加速系統(tǒng)的初始化:由3～10 min左右提高到1 min以內(nèi);

2)測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量有明顯提高:隨時(shí)間的漂移量大幅減小(統(tǒng)一前的觀測值-時(shí)間關(guān)系為Y=6*10-5t+0.0076,統(tǒng)一后的觀測值-時(shí)間關(guān)系為Y=4×10-6t-0.0012,提高一個(gè)數(shù)量級。RMS值也明顯減小。

因此,本文該方法對偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的時(shí)間頻率統(tǒng)一作用是明顯有效的。

致謝:在數(shù)據(jù)采樣分析實(shí)驗(yàn)中,得到了李超、吳明魁、蔡仁瀾、邱耀東等同志的大力協(xié)助,在此表示忠心感謝!

[1] Pendulum Instruments Inc.Pendulum GSG-L1 Usermanual[EB/OL].2009-02-02,http://www.gemsnav.com/UploadFiles/GSG-L1.pdf.