GNSS互操作若干問題

楊元喜，陸明泉，韓春好

1. 西安測(cè)繪研究所地理空間工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 2. 清華大學(xué)電子工程系，北京100084； 3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094

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GNSS互操作若干問題

楊元喜1，陸明泉2，韓春好3

1. 西安測(cè)繪研究所地理空間工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 2. 清華大學(xué)電子工程系，北京100084； 3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094

Foundation support： The National High-tech Research and Development Program of China(No.2013AA122501);The National Natural Science Foundation of China(No.41374019)

摘要：GNSS兼容與互操作是國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題，也是用戶實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合導(dǎo)航必須具備的條件。本文首先介紹了兼容與互操作的基本概念；簡(jiǎn)要分析了多GNSS系統(tǒng)互操作的基本趨勢(shì)及GNSS 4大核心系統(tǒng)信號(hào)互操作的現(xiàn)狀；分析了現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)在信號(hào)互操作方面存在的問題，指出其對(duì)用戶接收機(jī)制造商和多GNSS用戶的影響；分析了坐標(biāo)基準(zhǔn)和坐標(biāo)框架在互操作方面存在的問題及其可能帶來的影響，指出坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、維持甚至更新策略帶來的誤差都可能給多GNSS互操作及導(dǎo)航定位結(jié)果帶來影響；討論了時(shí)間基準(zhǔn)互操作存在的問題，以及可能的解決措施。最后歸納了本文的主要結(jié)論。

關(guān)鍵詞：北斗；兼容與互操作；頻率；坐標(biāo)系統(tǒng)；時(shí)間基準(zhǔn)

兼容與互操作是近十幾年來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的理論研究、系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用推廣都具有重要意義，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、政府主管部門乃至相關(guān)國(guó)際組織的高度重視。目前，兼容與互操作已經(jīng)成為國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心議題，并專門成立了相應(yīng)的工作組，兼容與互操作也是全球GNSS核心供應(yīng)商雙邊談判與多邊協(xié)調(diào)的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議已發(fā)表了大量有關(guān)兼容與互操作的理論分析文章[1-7]。

兼容與互操作是隨著GPS和GLONASS的現(xiàn)代化、BDS和Galileo的興起而面臨的新問題，雖然迄今為止尚未給出明確的定義，但概念比較清晰[1-2,8]：兼容性是指分別或綜合使用多個(gè)GNSS及增強(qiáng)系統(tǒng)，不會(huì)引起不可接受的干擾，也不會(huì)傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的操作與服務(wù)；互操作是指綜合利用多個(gè)GNSS及其增強(qiáng)系統(tǒng)，能夠在用戶層面比單獨(dú)使用一個(gè)系統(tǒng)獲得更好的服務(wù)，并且不會(huì)給接收機(jī)生產(chǎn)廠商和用戶帶來額外的負(fù)擔(dān)和成本。兼容與互操作已經(jīng)成為GNSS的發(fā)展趨勢(shì)[1,9]。

目前，兼容性的分析主要集中在不同系統(tǒng)間信號(hào)的相互干擾方面，國(guó)際電聯(lián)2007年提出的干擾估計(jì)方法(ITU-RM.1831)已經(jīng)成為各GNSS兼容性評(píng)估的基本準(zhǔn)則[10]。與兼容性有所不同，互操作涉及面更廣，不但與各GNSS的信號(hào)密切相關(guān)，而且與GNSS采用的空間和時(shí)間基準(zhǔn)有關(guān)，對(duì)多系統(tǒng)GNSS用戶的影響也更為直接，研究工作更為復(fù)雜。

首先，互操作不僅與GNSS信號(hào)有關(guān)，也與坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間基準(zhǔn)的定義及實(shí)現(xiàn)這些定義的方法有關(guān)。更進(jìn)一步，也與信號(hào)、坐標(biāo)、運(yùn)行時(shí)間偏差有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，互操作概念對(duì)不同GNSS供應(yīng)商的影響是不同的，對(duì)不同的用戶影響也是不同的，不同的互操作要素對(duì)接收機(jī)廠商的影響也是不同的。

不得不承認(rèn)，互操作設(shè)計(jì)對(duì)業(yè)已建成的GPS幾乎沒有任何影響。因?yàn)椋孩貵PS系統(tǒng)發(fā)展歷史比較悠久，技術(shù)相對(duì)成熟，用戶極其廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹立起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位；②GPS用戶涉及的領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)嵌入到飛機(jī)、艦船與武器平臺(tái)、陸地車輛等各類移動(dòng)載體，并已滲透到了交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)以及其他穿戴設(shè)備，改變GPS的互操作設(shè)計(jì)困難太大；③國(guó)際民用航空組織和國(guó)際海事組織已經(jīng)以GPS和GLONASS導(dǎo)航信號(hào)為飛機(jī)和艦船活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航藍(lán)本；④以GPS為主建立的廣域和局域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS and LAAS)已經(jīng)廣泛用于航空精密進(jìn)近，而且這些增強(qiáng)系統(tǒng)之間大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互操作，為民用航空提供了近于無縫的精密導(dǎo)航服務(wù)；⑤全球所有GNSS接收機(jī)芯片和天線廠商都搭建了GPS接收機(jī)生產(chǎn)線，排斥或改建這種產(chǎn)品生產(chǎn)架構(gòu)都將付出代價(jià)；⑥GPS坐標(biāo)參考系WGS-84盡管與國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)確定的國(guó)際地球參考框架(ITRF)有差別，但是差別較小，而且，近幾年GPS所用的WGS-84不斷更新，對(duì)于大多數(shù)用戶可以忽略不計(jì)，于是不影響GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的主導(dǎo)地位；⑦GPS的時(shí)間系統(tǒng)雖然與國(guó)際計(jì)量局確定的世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)有差別，但是美國(guó)海軍天文臺(tái)控制的鐘組在UTC中具有絕對(duì)主導(dǎo)地位，而由美國(guó)海軍天文臺(tái)確定的時(shí)間系統(tǒng)也是GPS時(shí)間的基礎(chǔ)。

可以說，盡管衛(wèi)星導(dǎo)航定位進(jìn)入GNSS百花齊放時(shí)代，但不得不承認(rèn)GPS已經(jīng)被廣大用戶接受，已經(jīng)占據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，也已經(jīng)占據(jù)各類導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)政策的主導(dǎo)地位。于是，其他GNSS不得不與GPS實(shí)施兼容與互操作。而且GPS和Galileo已先行一步，已就兼容和互操作達(dá)成一致[11]，這給BDS帶來了更多的挑戰(zhàn)。

任何其他GNSS供應(yīng)商要想占領(lǐng)部分市場(chǎng)，就必須具備如下條件：①提供更高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù)(包括精度、可靠性、操作便捷性、價(jià)格等)；②必須與GPS實(shí)行兼容與互操作；③提供與GPS不同的特色服務(wù)。

即使其他GNSS供應(yīng)商具備這些條件，用戶依然會(huì)十分挑剔地審視使用其他GNSS導(dǎo)航信號(hào)帶來的成本和效益；如果使用多GNSS信號(hào)給用戶增加過多額外成本，用戶仍然會(huì)放棄與GPS不能實(shí)施互操作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1GNSS信號(hào)不一致性的影響

互操作對(duì)GNSS的基本要求是，不同系統(tǒng)的信號(hào)應(yīng)該盡可能相似，特別是與信號(hào)頻率相關(guān)的特征應(yīng)該高度相似。導(dǎo)航信號(hào)的中心頻點(diǎn)不一致和帶寬不一致，不僅影響系統(tǒng)間的兼容性，實(shí)際上對(duì)互操作性的影響更大。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的主要特征包括載波頻率、調(diào)制方式、信號(hào)帶寬、信號(hào)功率、極化方式、多址方式、擴(kuò)頻碼、電文格式、電文糾錯(cuò)碼等。從用戶終端的角度看，為了研制性能好、功耗低、體積小、成本低的多系統(tǒng)接收設(shè)備，總是希望上述參數(shù)盡可能相似，以便更多地共享接收機(jī)中的硬件和軟件。特別是載波頻率、信號(hào)帶寬、調(diào)制方式、多址方式等與信號(hào)頻譜特征密切相關(guān)的主要特性，最好應(yīng)該完全一致，這也是ICG所倡導(dǎo)的發(fā)展方向，即GNSS的互操作。

典型的，以GPS L1 C/A信號(hào)和BDS B1 I信號(hào)為例，由于這兩個(gè)信號(hào)在載波、帶寬(擴(kuò)頻碼速率)、擴(kuò)頻碼、電文格式、糾錯(cuò)編碼等方面的差異，目前L1 C/A和B1 I雙系統(tǒng)接收機(jī)實(shí)際上就是安裝在同一機(jī)箱內(nèi)的兩臺(tái)不同的接收機(jī)(當(dāng)然，供電、晶振等外圍部件是共用的)，基本上等同于體制完全不同的雙系統(tǒng)接收機(jī)，難以開發(fā)出低成本、低功耗的接收機(jī)產(chǎn)品(包括芯片和整機(jī))。

不同的信號(hào)特征給接收機(jī)帶來的主要影響有：

(1) 由于頻點(diǎn)不同，不利于天線的小型化和低成本。如GPS的L1 C/A和BDS的B1 I雙系統(tǒng)接收機(jī)需要寬帶接收天線來覆蓋兩個(gè)頻點(diǎn)，顯然減小天線的尺寸變得相當(dāng)困難，而且也不利于提高駐波比、增益等關(guān)鍵指標(biāo)。如果這兩個(gè)信號(hào)還需要與其他信號(hào)(如L2、B2 I等)一起構(gòu)成雙頻或者多頻高精度測(cè)量接收機(jī)，則更不利于天線相位中心等重要指標(biāo)的提高。

(2) 由于頻點(diǎn)和帶寬的不同，射頻部分通常需要雙通道接收，實(shí)際上等同于需要兩個(gè)不同的射頻單元。當(dāng)然，考慮到L1 C/A和B1 I頻點(diǎn)比較接近，也可以采用一個(gè)寬帶射頻來同時(shí)接收這兩個(gè)信號(hào)，但是不利于接收機(jī)的抗干擾性能，且信噪比也有損失。于是，在民用低成本接收機(jī)中基本都不采用這種方案。如果這兩個(gè)信號(hào)還需要與其他信號(hào)(如L2、B2 I等)一起構(gòu)成雙頻或者多頻高精度測(cè)量型接收機(jī)，則更不利于射頻通道時(shí)延一致性等指標(biāo)的提高，增加了設(shè)計(jì)制造高精度測(cè)量型接收機(jī)的難度。

(3) 由于頻點(diǎn)不同，需要兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)，或者一片高速ADC，于是，必然導(dǎo)致接收機(jī)功耗和體積的增大，很難降低成本。

(4) 這兩個(gè)信號(hào)的不同帶寬(擴(kuò)頻碼速率)、擴(kuò)頻碼碼型、電文格式等，需要設(shè)計(jì)兩套不同的基帶信號(hào)處理算法，顯然需要占用更多的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。當(dāng)然，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)非常成熟，嵌入式處理器的性能已經(jīng)很強(qiáng)，對(duì)基帶信號(hào)處理帶來的影響有一定程度的降低。

(5) 對(duì)導(dǎo)航解算和自主完好性監(jiān)測(cè)等方面帶來的影響不大，基本可以忽略。

當(dāng)然，L1 C/A和B1 I不同的載波頻率給多系統(tǒng)接收機(jī)也帶來一些額外的好處，主要有：

(1) 信號(hào)間的射頻干擾較小，有利于信號(hào)的接收處理。

(2) 兩個(gè)頻點(diǎn)同時(shí)被無意干擾造成多系統(tǒng)接收機(jī)無法工作的概率較低，或者有意干擾方要同時(shí)對(duì)兩個(gè)頻點(diǎn)實(shí)施干擾而付出的代價(jià)較大，從這個(gè)角度來說，這樣的多系統(tǒng)接收機(jī)具有更好的抗干擾能力。

從上面的分析可以看到，由于歷史原因，BDS區(qū)域系統(tǒng)的信號(hào)與GPS信號(hào)的差異很大，特別是載波頻率和帶寬等頻域特性的顯著差異，兩者之間的互操作性很差，導(dǎo)致了BDS和GPS雙系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)上的困難，也不利于雙系統(tǒng)接收機(jī)性能的提高和功耗、體積、成本的降低，嚴(yán)重制約BDS的應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化。

上述分析結(jié)果對(duì)我們的啟發(fā)是，正在建設(shè)中的BDS全球系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)在兼容性的基礎(chǔ)上特別重視互操作的設(shè)計(jì)，需要在保持信號(hào)自身特色和獨(dú)立性的同時(shí)，采用與GPS和Galileo相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制、相近的帶寬，在頻域特性上盡可能與GPS和Galileo保持一致，以增強(qiáng)其互操作性[13-14]。當(dāng)然，GPS未來的核心信號(hào)是L1C，BDS全球信號(hào)的互操作設(shè)計(jì)應(yīng)面向未來，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與L1C的高度互操作。

2GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的影響

從4大GNSS相應(yīng)坐標(biāo)系定義看，目前各導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)的定義基本一致。但與IERS定義的參數(shù)均有差異。各GNSS地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度見表1，參考橢球的幾何常數(shù)見表2。

表1GNSS使用的地心引力場(chǎng)數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度

Tab.1Gravitational constants and rotation rates used by GNSS

系統(tǒng)geocentricgravitationalconstants/(m3/s2)rotationrate/(rad/s)GPS3.986005×10-14 7.2921150×10-5 GLONASS3.986004418×10-147.2921150×10-5Galileo3.986004415×10-147.2921151467×10-5BDS3.986004418×10-147.2921150×10-5IERS3.986004418×10-147.2921150×10-5

從GPS、GLONASS、BDS和Galileo所使用的參考橢球常數(shù)看，使用多GNSS融合導(dǎo)航定位存在如下影響：

納西族與藏族歷史文化關(guān)系研討會(huì)在麗江舉辦 11月15日至16日，由中國(guó)社會(huì)科學(xué)院民族學(xué)與人類學(xué)研究所主辦，中國(guó)社會(huì)科學(xué)院特殊學(xué)科（絕學(xué)）納西東巴文研究學(xué)科承辦的多民族文獻(xiàn)視野中的納西族與藏族歷史文化關(guān)系研討會(huì)在麗江市舉辦，來自北京、西藏、青海等地的40多位專家學(xué)者參加研討會(huì)，共同研討納西族與藏族歷史文化關(guān)系。

表2　參考橢球常數(shù)

(1) 早期GPS地面控制系統(tǒng)曾經(jīng)采用地心引力常數(shù)值3.986 005×10-14，該值與其他GNSS系統(tǒng)存在差異，用戶接收機(jī)普遍采用了這一數(shù)值。1994年后，GPS地面控制系統(tǒng)在計(jì)算衛(wèi)星軌道時(shí)采用的地心引力常數(shù)GM為3.986 004 418×10-14，該值與IERS推薦值相同。地心引力常數(shù)的這一改變消除了地面控制系統(tǒng)軌道1.2 m的徑向偏差。為了避免GPS接收機(jī)軟件的改動(dòng)，同時(shí)確保GPS衛(wèi)星的定軌精度，GPS系統(tǒng)在廣播星歷參數(shù)擬合時(shí)仍采用原值3.986 005×10-14[15]。注意到，由于地心引力常數(shù)的差異，可導(dǎo)致衛(wèi)星廣播星歷近2 m的誤差[16]。

(2) GPS衛(wèi)星星歷采用的地球自轉(zhuǎn)角速度ω與IERS推薦值相同，為7 292 115.0×10-11rad/s，由于地球自轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間變化，考慮到赤經(jīng)歲差的影響，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)最新的推薦的ω值為7 292 115.146 7×10-11rad/s[15]。為了與衛(wèi)星應(yīng)用保持一致性，GPS地面控制系統(tǒng)在進(jìn)行廣播星歷參數(shù)擬合時(shí)采用7 292 115.146 7×10-11rad/s。如果誤用列出的地球自轉(zhuǎn)速率的差異可引起廣播星歷數(shù)十米誤差[16]。

(3) 各GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)采用的參考橢球長(zhǎng)半軸幾乎都不相同，而且均與IERS推薦值存在差異，相對(duì)于IERS推薦的參考橢球長(zhǎng)半軸a=6 378 136.6 m，GPS和BDS參考橢球差了0.4 m，GLONASS參考橢球差了-0.6 m，Galileo參考橢球差了-1.1 m，GPS和BDS與Galileo參考橢球差了1.5 m。但是參考橢球的長(zhǎng)半軸和扁率的差異一般不會(huì)影響用戶的定位結(jié)果。因?yàn)橛脩粲尚l(wèi)星廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)時(shí)，不涉及參考橢球的幾何參數(shù)。

(4) BDS、GPS、GLONASS采用的地球橢球扁率也與IERS規(guī)定值不同，但這些常數(shù)差對(duì)衛(wèi)星星歷影響不大。對(duì)地圖投影的影響一般在毫米量級(jí)，不影響用戶使用[17]。

(5) 特別強(qiáng)調(diào)，盡管各GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)的定義差不明顯影響融合導(dǎo)航定位結(jié)果，但是，各坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的差別對(duì)導(dǎo)航定位結(jié)果影響明顯。因?yàn)镚NSS坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和維持所帶來的誤差直接影響衛(wèi)星軌道精度，而衛(wèi)星軌道誤差對(duì)用戶單點(diǎn)定位結(jié)果的影響是系統(tǒng)性的。

(6) 此外，現(xiàn)有BDS跟蹤站利用GPS進(jìn)行坐標(biāo)聯(lián)測(cè)，容易帶來聯(lián)測(cè)誤差；而且僅采用GPS觀測(cè)進(jìn)行BDS坐標(biāo)系統(tǒng)的更新，不利于BDS與其他GNSS坐標(biāo)系互操作參數(shù)的測(cè)定與預(yù)報(bào)。

(7) BDS坐標(biāo)系更新周期與GPS有相當(dāng)大的差距。為保持衛(wèi)星軌道及用戶坐標(biāo)參數(shù)反映實(shí)際地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，GPS控制系統(tǒng)每年更新一次坐標(biāo)框架的坐標(biāo)值；而北斗系統(tǒng)的跟蹤站坐標(biāo)數(shù)年更新一次，其板塊運(yùn)動(dòng)及其他系統(tǒng)誤差將影響跟蹤站的坐標(biāo)精度，進(jìn)而影響衛(wèi)星軌道的測(cè)定精度和衛(wèi)星星歷的精度。

為了控制坐標(biāo)基準(zhǔn)差異對(duì)多GNSS融合導(dǎo)航定位互操作的影響，可采用如下措施：

(1) 由于現(xiàn)有4大核心衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了不同的坐標(biāo)框架，于是坐標(biāo)框架的相對(duì)偏差將影響各衛(wèi)星星座的互操作。解決這類互操作有兩種策略：對(duì)于單點(diǎn)定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航，可以在觀測(cè)模型中設(shè)置互操作參數(shù)，并在融合定位時(shí)估計(jì)這類參數(shù)[18]；對(duì)于事后處理的高精度定位用戶，可以采用相對(duì)定位方式削弱這類互操作參數(shù)的影響。但是必須注意，各GNSS系統(tǒng)必須選擇各自的參考衛(wèi)星進(jìn)行差分，才能消除坐標(biāo)互操作參數(shù)的影響。

(2) 利用多GNSS進(jìn)行融合定位時(shí)，用戶一般由衛(wèi)星廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)，于是只使用參考橢球常數(shù)中的地心引力常數(shù)GM和地球自轉(zhuǎn)角速度ω，這兩個(gè)參數(shù)必須保持與相應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的ICD文件中的數(shù)值一致，由此得到的地面站位置即為相應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的位置。

(3) 實(shí)踐中，應(yīng)該采用多GNSS接收機(jī)同時(shí)接收GPS、GLONASS、BDS和Galileo等衛(wèi)星信號(hào)，綜合測(cè)定跟蹤站的地心坐標(biāo)，計(jì)算各GNSS系統(tǒng)存在的坐標(biāo)系統(tǒng)誤差，并發(fā)播給用戶作為先驗(yàn)參數(shù)，供用戶在多模融合導(dǎo)航定位時(shí)參考。

(4) 采用多模GNSS跟蹤信息，并聯(lián)合ITRF跟蹤站和IGS跟蹤站板塊運(yùn)動(dòng)信息，可以求解BDS各衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站或跟蹤站地殼運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為每年北斗跟蹤站的坐標(biāo)更新提供基礎(chǔ)，同樣也為測(cè)定各衛(wèi)星坐標(biāo)系的互操作參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5) 必須注意，如果將不同GNSS測(cè)定的地面點(diǎn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地經(jīng)緯度和大地高，則使用不同的參考橢球參數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯差異。所以在我國(guó)若要求將多GNSS測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)時(shí)，則一定要采用CGCS 2000橢球參數(shù)，而不是使用各GNSS所對(duì)應(yīng)的其他參考橢球參數(shù)，如此才能確保不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位結(jié)果的坐標(biāo)系統(tǒng)一致性。

(6) 如果各GNSS均采用相同的坐標(biāo)系定義，采用相同的跟蹤站進(jìn)行衛(wèi)星軌道測(cè)定和衛(wèi)星星歷擬合，采用相同的ICD文件格式，則4大核心供應(yīng)商的衛(wèi)星星座將是一個(gè)整體星座，用戶將不再需要考慮坐標(biāo)系統(tǒng)的互操作問題。實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位也將不再需要互操作參數(shù)，差分定位將不再需要各GNSS系統(tǒng)分別選用各自的參考星組成差分觀測(cè)方程，但是，實(shí)現(xiàn)這一步十分艱難，基本不可行。

3GNSS時(shí)間系統(tǒng)不一致的影響

GPS、GLONASS、BDS、Galileo 4大系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系統(tǒng)定義差別較大，具體情況的比較分析見表3。

表3　GNSS系統(tǒng)時(shí)間定義說明

表3所列的各GNSS系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)定義差異，將直接影響用戶采用多GNSS聯(lián)合導(dǎo)航定位授時(shí)的結(jié)果[21-22]。

(1) GPS、Galileo、BDS 3大系統(tǒng)都采用連續(xù)的原子時(shí)標(biāo)，無閏秒，系統(tǒng)間的偏差包括兩部分：①各系統(tǒng)在不同的UTC時(shí)間定義起點(diǎn)時(shí)間，而導(dǎo)致整秒偏差，BDT與GPST、GST的整秒差為14秒，而GST與GPST不存在整秒差[20]；②由于各系統(tǒng)時(shí)間由各自的原子鐘組生成，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生微小的偏差，一般稱之為“秒內(nèi)偏差”，通常為幾十納秒量級(jí)。這里僅給出2015年11月BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差，見圖1。BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差達(dá)十多納秒甚至更大，會(huì)直接將影響授時(shí)和導(dǎo)航定位，也會(huì)影響衛(wèi)星軌道測(cè)定。

(2) GLONASS系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間(GLNT)與UTC(SU)+3h同步，而且與UTC一起進(jìn)行動(dòng)態(tài)閏秒，因此，GLONASS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)時(shí)間的偏差存在3方面的影響，即：①由于GLNT與UTC同步，而且考慮俄羅斯與UTC的時(shí)差，于是產(chǎn)生整小時(shí)偏差，GLNT與GPST、GST和BDT系統(tǒng)時(shí)間的整小時(shí)偏差為3 h；②整秒偏差部分：由于GLNT與UTC同步閏秒，而且整秒偏差不是一個(gè)固定常數(shù)，需根據(jù)BIPM發(fā)布的閏秒公告具體計(jì)算，截至2015年，GLNT包含的閏秒數(shù)為36，與BDT的整秒差為3 s，與GPST、GST的整秒差為17 s；③秒內(nèi)偏差部分，GLNT系統(tǒng)鐘組運(yùn)行產(chǎn)生的誤差，該偏差需要通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鏈路來實(shí)時(shí)獲取。這3類偏差有的直接影響授時(shí)，有的影響時(shí)間同步，有的影響多GNSS聯(lián)合導(dǎo)航定位[23-24]。

(3) 在多系統(tǒng)兼容互操作中，系統(tǒng)時(shí)差將直接影響定位、測(cè)速和授時(shí)(PVT)結(jié)果。對(duì)于秒以下偏差部分，對(duì)定位誤差的影響可達(dá)10 m乃至數(shù)十米，對(duì)授時(shí)的影響可達(dá)數(shù)10 ns。在進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)差精確測(cè)定和修正后，定位誤差的影響一般可優(yōu)于1 m，授時(shí)誤差可小于3 ns。

(4) 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間用戶，需使用系統(tǒng)時(shí)間與UTC(k)之間的偏差修正參數(shù)來獲取用戶所在國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。應(yīng)注意，通過不同系統(tǒng)所獲取的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是不同的，如：通過GPS獲得的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是UTC(USNO)，通過BDS獲得的是UTC(BSNC)。

圖1　2015年11月12—30日 BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差Fig.1　Bias between BDT and GPST in Nov. 12—30, 2015

對(duì)于時(shí)間系統(tǒng)互操作參數(shù)的影響可根據(jù)誤差性質(zhì)和來源分別進(jìn)行處理：

(1) 整秒偏差在授時(shí)時(shí)可以直接消除。

(2) 對(duì)于秒內(nèi)偏差，通過系統(tǒng)內(nèi)差分可減弱秒內(nèi)偏差的影響，但在多GNSS數(shù)據(jù)融合時(shí)，必須顧及這類誤差的影響。特別需要注意的是，秒內(nèi)偏差隨時(shí)間變化，需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)才可獲取。

(3) 為保障多系統(tǒng)兼容與互操作，需要獲取精確的秒內(nèi)偏差參數(shù)，該偏差參數(shù)的獲取主要有兩種途徑：從系統(tǒng)發(fā)播的導(dǎo)航電文中獲取，或由用戶自身解算。由系統(tǒng)發(fā)播的時(shí)差參數(shù)精度和可靠性一般較高，建議優(yōu)先使用；如果由用戶自行解算，則在雙系統(tǒng)時(shí)差解算中，至少需要增加1個(gè)關(guān)于時(shí)差的未知參數(shù)，相當(dāng)于需要額外增加一顆星的觀測(cè)量，且觀測(cè)誤差、觀測(cè)模型會(huì)影響解算結(jié)果精度。當(dāng)然，采用序貫平差或Kalman濾波解算，則在多歷元數(shù)據(jù)處理后模型中增加少數(shù)待定時(shí)間參數(shù)，不會(huì)明顯影響導(dǎo)航定位參數(shù)的解算效率[18]。

(4) GPS和Galileo已經(jīng)協(xié)商建立雙方的監(jiān)測(cè)鏈路并通過導(dǎo)航電文發(fā)播。BDS、GLONASS導(dǎo)航電文中均有系統(tǒng)時(shí)差參數(shù)設(shè)計(jì)，但目前GNSS時(shí)差參數(shù)尚未正式發(fā)播。也可通過UTC/UTCr、IGS等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)差的間接換算或解算，但應(yīng)注意加強(qiáng)不確定度分析，特別是B類不確定度的評(píng)估與分析。

4結(jié)論

本文討論了信號(hào)、坐標(biāo)系和時(shí)間系統(tǒng)的不一致對(duì)GNSS互操作的影響?？梢钥吹?，在信號(hào)的不一致方面，特別是其頻域特性的差異給多系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，不利于多系統(tǒng)接收機(jī)性能的提高，也不利于功耗、體積、成本的降低。

在坐標(biāo)系的不一致方面，多GNSS坐標(biāo)基準(zhǔn)定義相近，但選用的參考橢球常數(shù)存在差異，坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)途徑和更新周期均存在較大差異。多GNSS參考橢球的地心引力常數(shù)差異及地球的自傳角速率差異將導(dǎo)致衛(wèi)星廣播星歷2至數(shù)十米偏差，而坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)誤差、更新周期等差異將首先影響衛(wèi)星軌道，進(jìn)而對(duì)多GNSS用戶產(chǎn)生影響。于是，未來可采用多GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)各GNSS的坐標(biāo)互操作參數(shù)，并將BDS跟蹤站的坐標(biāo)更新周期改為每年一次，以便減小地殼形變誤差對(duì)坐標(biāo)基準(zhǔn)互操作參數(shù)的影響。

時(shí)間系統(tǒng)的不一致直接影響多GNSS導(dǎo)航定位和授時(shí)結(jié)果。對(duì)于整數(shù)時(shí)差可以按照系統(tǒng)時(shí)間的基本定義直接改正；對(duì)時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行誤差，則可以在函數(shù)模型中增加待定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，或采用系統(tǒng)內(nèi)差分減弱其影響；也可以通過地面監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估，并向用戶發(fā)播改正信息。

多GNSS系統(tǒng)的兼容與互操作是未來GNSS發(fā)展的主要方向，在BDS全球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，應(yīng)進(jìn)一步重視信號(hào)的互操作設(shè)計(jì)，盡可能采用與GPS和Gaileo相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制、相近的帶寬等頻域參數(shù)，達(dá)到與GPS和Galileo系統(tǒng)的高度互操作；坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)盡可能一致，尤其是地面跟蹤站盡量保持一致，否則應(yīng)采用多模GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)其坐標(biāo)系統(tǒng)偏差，并發(fā)播給用戶進(jìn)行改正，或作為用戶導(dǎo)航定位參數(shù)估計(jì)的先驗(yàn)信息；時(shí)間系統(tǒng)的不一致，可采用多GNSS跟蹤站進(jìn)行監(jiān)測(cè)和發(fā)播，也可通過增加模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

Some Notes on Interoperability of GNSS

YANG Yuanxi1，LU Mingquan2，HAN Chunhao3

1. State Key laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China; 2. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 3. Beijing Institute of Satellite Navigation, Beijing 100094，China

Abstract：Compatibility and interoperability of GNSS are the hot research issues in international satellite navigation field. It is a requirement for integrated multi GNSS navigation and positioning. The basic concepts of the compatibility and interoperability are introduced and the trend of the interoperability among the GNSS providers is discussed. The status and problems of the frequency interoperability of GPS, BeiDou (BDS), GLONASS and Galileo are analyzed. It is pointed that the frequency interoperability problems will affect the manufacturers and multi GNSS users. The influences of the interoperability problems of the reference coordinate systems are not only resulted from the definitions and realizations of the reference coordinate systems but also from the maintenance and update strategies of the reference systems. The effects of the time datum interoperability and corresponding resolving strategies are also discussed. The influences of the interoperability problems of GNSS are summarized.

Key words：BeiDou; compatibility and interoperability; frequency; coordinate system; time datum

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃(2013AA122501)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41374019)

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)03-0253-07

作者簡(jiǎn)介：第一 楊元喜(1956—)，男，博士，研究員，中國(guó)科學(xué)院院士，主要從事動(dòng)態(tài)大地測(cè)量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理研究。E-mail： yuanxi_yang@163.com

收稿日期：2015-12-28

引文格式：楊元喜，陸明泉，韓春好.GNSS互操作若干問題[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(3)：253-259. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150653.

YANG Yuanxi，LU Mingquan，HAN Chunhao.Some Notes on Interoperability of GNSS[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(3):253-259. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150653.

修回日期： 2016-01-04

First author： YANG Yuanxi(1956—),male , PhD, research fellow,academician of Chinese Academy of Sciences, majors in dynamic geodetic data and satellite navigation date processing.