伪卫星定位系统中的频率与时间统一

张 涛,徐亚明,黄劲松

(武汉大学测绘学院,湖北 武汉430072)

0 引 言

卫星定位系统中,频率的准确度与稳定度以及时间的统一问题非常重要。在真实的卫星定位系统中(例如GPS,GLONAS,GALILEO,北斗等),由于星载的时钟源都是数台精确度和稳定度很高的原子钟,在运行过程中还不断被地面站监测、修正,才能保证每颗星的时钟高度精确与同步。而伪卫星定位系统中,一般的伪卫星信号发生器仅采用OCXO,有些甚至是只用了TCXO做时钟源,因此很难保证系统中的频率和时间同步。一个频率与时间未统一的系统,存在即使用双差也无法消除的time-tag误差,同时也很难实现单站定位。本文通过对GSG-L1伪卫星定位系统中的频率和时间的研究,实现了一种可以使伪卫星定位系统中的频率和时间统一的方法。

1 频率和时间未统一的情况

在本文讨论的伪卫星定位系统中,伪卫星采用的是Pendulum公司的GSG-L1伪卫星信号发生器,一共4颗。发射天线采用Patch天线,接收机采用的是Novatel Propak-V3接收机,接收天线是Novatel GPS-703天线。

GSG-L1伪卫星采用的是OCXO作为整个系统的时钟源,标称的精度为1 ppb(日稳)。Propak-V3则使用的是TXVCXO。

在未经过频率和时间统一之前,接收机初始化完成(这里的初始化含义是成功跟踪4颗卫星,可以开始测量)的时间大约为3 min。

为检验GSG-L1上所配OCXO频率源的性能,用一台铷原子频标做Propak-V3的外接时钟源,对GSG-L1进行测试。

将铷原子频标的输出接到Propak-V3的外接时钟源接口上(标注了OSC的BNC接口),然后对Propak-V3发出以下命令:

externalclock RUBIDIUM 10 MHz

clockadjust disable

设定其使用外接时钟源,类型为铷原子频标,频率为10 MHz,并禁止其对时钟的校正。

然后再用以下命令对观测结果做记录:

log rangegpsl1 ontime 1

得到类似如下的结果:

其中包含了卫星PRN编号、C/A码伪距、相位观测量以及多普勒值。

按照理想状况,由于伪卫星和接收机都处于静止状态,因此,多普勒观测值应该都为0,然而实际观测结果是每颗伪卫星的多普勒观测值都不为零,而且互不相等,这说明,每颗伪卫星所配置的OCXO存在初始频率误差。

进一步连续取得观测值,发现每颗伪卫星的多普勒观测值都随着时间震荡(图1),与使用GPS接收机内部时钟的观测值对比(图2),可以发现,其漂移趋势不明显,因此,一旦将系统中的时钟和频率进行同步后,调整频率可以很低。

2 伪卫星定位系统中频率与时间统一的方法

伪卫星定位系统中的频率与时间统一分为两个部分:频率统一和时间同步。

频率统一,就是让每个伪卫星的时钟频率一致或接近一致,最终表现是每刻卫星发射的伪随机码速率(C/A码是10.23 MHz)基本一致,发射频率(1.57542 GHz)基本一致,在接收机看来,就是多普勒观测值在0 Hz附近。

时间统一,就是让每颗卫星所发射的导航电文包含相同的GPS时间,而且,他们发射每个C/A码的时刻基本相同。

可以看出,如果仅仅使其时间统一而频率不统一,则这种时间统一的状态很快就被破坏,需要再次调整,实际上就是需要提高调整频度。而每次的调整都可能带来卫星的失锁,降低系统的可用性。

GSG-L1采用了一个密闭性比较高的铝盒封装,外部只有天线(SMA接口),电源和数据通讯口(都为LEMO)三个接口,甚至连一个电源或工作指示灯都没有,更没提供外接时钟源的接口。因此如果想直接对其改进,将其时钟源升级为更精密的原子频标,是比较麻烦的,需要对其进行较大改动。因此用软件动态校正的办法更简单可行而且灵活方便。

基本的思路是:

1)用原子频标做接收机的时钟源。

2)根据接收机测量到的各个伪卫星的多普勒值,用指令调整伪卫星的时钟频率,直到多普勒观测值接近0。此时,相当于用原子频标来校正伪卫星的时钟频率和发射频率。

3)根据接收机测量到的每颗卫星的伪距,计算出卫星之间的时间差,然后,以最慢的伪卫星为基准,调整其他伪卫星的时间,直到每颗星之间的时间差小于预先设定的目标值(例如1μ s)。

4)定时观测,重复步骤2～3。

对于GSG-L1的具体实施办法:

1)将铷原子频标的输出接到Propak-V3的外接时钟源接口上(标注了OSC的BNC接口),然后对Propak-V3发以下命令:

externalclock rb 10 MHz

clockadjust disable

log rangegpal1 ontime 1

设定其使用外接时钟源,类型为铷原子频标,频率为10 MHz,并禁止其对时钟的校正,然后对观测结果做记录,每秒一次。

2)首先对每颗伪卫星的多普勒值进行判断,如果其偏离值大于预先设定的门限(例如2 Hz),则对该颗伪卫星的多普勒进行调整,对于GSG-L1来说,可用以下命令[1]:

PLPRAM:＜PRN＞:＜命令编号＞:0002:＜多普勒值＞

一般来说 ,可以一次将伪卫星的频率偏离纠正到0 Hz附近,然后该观测值在±1 Hz附近跳动。

3)当把每颗卫星的频率统一之后,以码伪距最大的一颗卫星作为基准,计算其他伪卫星的时间提前量,然后使其停止一段时间产生C/A码,从而使得其时间与基准伪卫星对齐。

对于GSG-L1伪卫星来说,可以使用如下命令:

PLDELY:＜PRN＞:＜命令编号＞:＜延迟滴答数＞

延迟滴答数是0.1个C/A码片的时间。实际应用中,该数值与实际延迟时间有较大差异,经验值是:

ticks=PRdif/1.53

其中,ticks为延迟滴答数;PRdif为伪距差,单位是m。

为避免调整过度而导致基准星的频繁改变,通常时间同步不可能在一个调整动作后完成,而是采用逐次逼近的方法。

首次同步完成后,假设目标是将频率偏离范围设为2 Hz,而时间同步差异在1 μ s以内,则调整间隔大约为1500 s。

同步完成后,可以把相关参数写到伪卫星内部的非挥发记忆体内:

PLSTOR

以减少下次同步时间。

根据以上思路,编写伪卫星时钟与频率统一程序,图3、4是用该程序对系统进行同步前与同步后的对比:

图3 执行同步中的情形

可以看到,在同步执行前,各个伪卫星之间存在比较大的钟差和频率差,实验证明,即使将几个伪卫星同时打开电源,也会因为开关电源的初始化时间等各种因素,造成伪卫星之间的时钟不同步,差异大概在几十微秒到几十毫秒之间。

经过同步后,可以保证各个卫星的频率偏差在1 Hz以内,时钟偏差在1 μ s以内。

3 频率与时间统一后的系统性能与后期工作

在频率与时间统一后,由于伪卫星的多普勒值在可控制范围内,因此为加速系统初始化,可以在接收机上限定捕获卫星阶段的多普勒中心值和搜索范围,经实验,这样可以使得初始化时间缩短到1 min以内。

经过时间和频率统一后的系统,观测数据质量有明显提高。图5是在时间和频率统一前后的观测数据质量对比。该实验使用零基线,记录相位观测的双差结果。采样率为0.5 Hz。可以看出,时间和频率统一之后,观测值随时间的变化率明显减小(大约提高一个数量级)。同时,对200 s的观测值进行统计,RMS值由0.0043减小到0.00365。

图5 时频统一前后观测数据质量对比

但由于实验中所使用的铷原子频标相位噪声较大,而伪卫星定位系统中,尤其是室内定位系统中(本文所做实验全部在室内),主要误差来源是多路径效应引起,如果要有效提高测量质量,还有许多工作要做。

4 结 论

通过实验,使用该方法可以实现伪卫星定位系统的时间和频率进行有效快速统一,统一后,与没有进行时间与频率统一之前比较,有以下作用:

1)可以明显加速系统的初始化:由3～10 min左右提高到1 min以内;

2)测量数据的质量有明显提高:随时间的漂移量大幅减小(统一前的观测值-时间关系为Y=6*10-5t+0.0076,统一后的观测值-时间关系为Y=4×10-6t-0.0012,提高一个数量级。RMS值也明显减小。

因此,本文该方法对伪卫星定位系统的时间频率统一作用是明显有效的。

致谢:在数据采样分析实验中,得到了李超、吴明魁、蔡仁澜、邱耀东等同志的大力协助,在此表示忠心感谢!

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