基于多GNSS 融合的遠(yuǎn)程時(shí)頻源馴服控制方法研究

遲文波,寇瓊月

(92228部隊(duì),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(hào)產(chǎn)生技術(shù),在時(shí)頻計(jì)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(shí)方式,通過利用GPS 接收模塊輸出秒脈沖(PPS,Pulse Per Second)信號(hào)作為鎖定參考源,得到準(zhǔn)確的頻率信號(hào),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(dá)到10-12量級(jí),接收模塊輸出秒脈沖信號(hào)的抖動(dòng)相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC,Universal Time Coordinated)可達(dá)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(hào)與原子鐘輸出信號(hào)進(jìn)行比對(duì),對(duì)比對(duì)參數(shù)進(jìn)行建模和最小二乘擬合,精細(xì)估計(jì)原子鐘的參數(shù),進(jìn)而對(duì)其實(shí)施馴服控制。GNSS 單向授時(shí)頻率源馴服設(shè)備相對(duì)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(shí)頻信號(hào)溯源到采用的GNSS 系統(tǒng),不能實(shí)現(xiàn)向期望的參考基準(zhǔn)溯源;

3)設(shè)備時(shí)間獲取依賴于單向授時(shí),時(shí)間同步精度不高[2]。

1 GNSS 遠(yuǎn)程馴服時(shí)頻源原理

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)共視時(shí)頻傳遞方法,是應(yīng)用地面兩個(gè)觀測站在同一時(shí)間,利用各自的GNSS 時(shí)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(shí)間信息,計(jì)算時(shí)間偏差,完成本地時(shí)間頻率源的修正[3]。GNSS 遠(yuǎn)程馴服時(shí)頻源原理如圖1所示。

圖1 GNSS 遠(yuǎn)程馴服時(shí)頻源原理圖Fig.1 Schematic diagram of GNSS remote domestication time-frequency source

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

以GNSST 為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間差即為遠(yuǎn)程參考時(shí)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(hào)在大氣中傳播時(shí),會(huì)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(hào)傳輸?shù)竭_(dá)地面后,一部分直接被接收機(jī)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(jī)接收,不同路徑的信號(hào)疊加后,導(dǎo)致接收機(jī)接收的信號(hào)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(shí),GNSS 信號(hào)直接傳遞到接收機(jī)的信號(hào)會(huì)明顯增多,相反,信號(hào)更可能受高山、樓宇等物體阻擋,會(huì)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(yàn)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(jì)

結(jié)合時(shí)差與仰角的對(duì)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(shí)施方案如下:

1)分析同一仰角i下不同衛(wèi)星時(shí)差數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)差σi(由兩臺(tái)參考時(shí)鐘相同的接收機(jī)長時(shí)間共視比對(duì));

2)選取兩臺(tái)接收機(jī)同一時(shí)所有衛(wèi)星仰角值i,計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差σi,將時(shí)刻內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差倒數(shù)求和∑1/σi,該時(shí)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(jī)在該時(shí)間點(diǎn)的時(shí)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(yàn)證

選擇兩臺(tái)接收機(jī)IM1 及IM2,時(shí)間參考源為同一UTC,分析由兩臺(tái)接收機(jī)北斗共視比對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的結(jié)果,統(tǒng)計(jì)分析仰角對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)北斗仰角融合方案對(duì)比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,融合后的結(jié)果如圖2 所示。“等權(quán)融合”(藍(lán)色曲線)代表等權(quán)平均算法計(jì)算的數(shù)據(jù)時(shí)差值,計(jì)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(shí)間不同時(shí)時(shí)間偏差統(tǒng)計(jì)情況[7]如表1 所示。

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

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

從衛(wèi)星仰角融合時(shí)差曲線圖以及不同仰角融合方案TDEV 統(tǒng)計(jì)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(gè)Rfile 的生成周期為16 min,其中包含2 min 跟蹤時(shí)間,13 min 采樣時(shí)間以及1 min等待時(shí)間。就北斗及GPS 系統(tǒng)而言,其B1I、L3B 和L1C、L3P 頻點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)了CM、CZ、GM、GZ 四類Rfile[7]。鏈路對(duì)應(yīng)接入的時(shí)間頻率源及GNSS 系統(tǒng)時(shí)間GNSST 之間的鐘差信息將以REFSYS 類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ),單位為0.1 ns,它具體表示對(duì)采樣時(shí)間中點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)鐘差的擬合。分別從遠(yuǎn)端時(shí)間傳遞鏈路控制計(jì)算機(jī)文件夾和FTP 服務(wù)器提取同一時(shí)刻,同一類型的Rfile,待馴服時(shí)間頻率源及參考時(shí)間頻率源的衛(wèi)星共視鐘差如式(4)所示

圖3 Rfile 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件圖Fig.3 Picture of Rfile real-time date file

式中:REFSYSi(A)——遠(yuǎn)端時(shí)間頻率源與第i顆共視衛(wèi)星時(shí)差;REFSYSi(B)——參考時(shí)間頻率源與第i顆共視衛(wèi)星時(shí)差;N——該時(shí)刻共視衛(wèi)星數(shù)量。

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

將式Δti代入式(7),即可預(yù)測推算調(diào)整時(shí)刻待馴服時(shí)間頻率源及參考時(shí)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(yùn)行在Linux系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)上的Python 代碼配合RS-232 串口通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[8]。

馴服控制軟件運(yùn)行流程如圖4 所示。

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

一個(gè)完整的馴服流程包含三步:初始輪將僅獲取遠(yuǎn)端及參考端融合時(shí)差值,不做任何相頻控制調(diào)整;第二輪完成時(shí)差獲取后,將利用上一輪歷史數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)整時(shí)刻時(shí)差進(jìn)行預(yù)測,從中計(jì)算相位調(diào)整量,通過串口指令實(shí)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(yuǎn)端銣原子振蕩器相位快速靠近參考端,后進(jìn)入頻率調(diào)整過程。調(diào)整輪除了完成融合時(shí)差的獲取及調(diào)整時(shí)刻時(shí)差預(yù)測外,會(huì)根據(jù)上一輪歷史預(yù)測數(shù)據(jù)推算調(diào)整時(shí)刻兩時(shí)間頻率源頻差,通過串口指令實(shí)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(yùn)行,馴服控制程序會(huì)根據(jù)計(jì)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(yàn)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(lán)色叉號(hào)符代表遍歷權(quán)值組合融合結(jié)果,深藍(lán)色圓點(diǎn)表示標(biāo)準(zhǔn)差融合結(jié)果,紅色圓點(diǎn)表示960 s TDEV 融合結(jié)果?？梢钥闯?經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差及960 s TDEV 賦權(quán)融合的時(shí)差標(biāo)準(zhǔn)差水平幾乎位于圖像最低點(diǎn),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(jìn)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(diǎn)展開標(biāo)準(zhǔn)差融合試驗(yàn),其結(jié)果如圖6 所示。其中藍(lán)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(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差融合時(shí)差結(jié)果?？梢杂^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(jìn)行多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)融合的可行性。

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

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

式中:ΔTi——在第i個(gè)調(diào)整時(shí)刻時(shí)差預(yù)測值;Δti——GNSS 時(shí)間傳遞比對(duì)融合時(shí)差結(jié)果;Δti-1——第i-1個(gè)調(diào)整周期的GNSS 傳遞比對(duì)融合時(shí)差結(jié)果;ttr——采樣時(shí)間;td——網(wǎng)絡(luò)時(shí)延估計(jì)。

導(dǎo)出ΔTi后,便可對(duì)待馴服時(shí)間頻率源進(jìn)行相位粗調(diào),同時(shí)計(jì)算頻差,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻率細(xì)調(diào)及馴服控制。對(duì)應(yīng)頻率調(diào)整值Δf可由式(9)計(jì)算

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

4 結(jié)束語

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