基于数据融合的增强系统参考站外频标的设计①

瞿稳科,邹本杰,陈天立

(北京市5136信箱,北京100094)

0 引 言

美国的GPS是目前正在成功运行的全球导航卫星系统,基于GPS的广域增强系统(wide Area Argument system WAAS)是美国联邦航空局(FederalAviation Administration FAA)在WADGPS的基础上开发的一种覆盖整个北美洲的广域增强系统。建成后WAAS不仅极大的提高了GPS系统的定位精度,尤为重要的是WAAS能为授权用户提供GPS系统SPS服务的完好性和可用性信息,这些信息进一步加速拓展了GPS的应用范围和领域,提升了GPS系统的服务性能和服务质量[1]。参考站网络是WAAS在服务区域内实现其增强功能的基础,由于定位、导航、授时(DNT)的主要核心是高精度时频的保障,针对WAAS参考站的设备组成,通过对现有设备输出信息的融合设计,极大地提高了参考站接收机外频标的指标性能,保障了参考站观测数据的质量,在参考站工程化建设应用中具有较高的性价比和广阔的市场前景[2-3]。

1 参考站设备组成和传统的使用方案

图1 参考站主要设备组成示意图

参考站设备由铷原子钟、GPS接收机、数据处理计算机以及外围辅助设备,例如电源、气象、空调、消防等设备组成,主要设备组成示意图见图1。在传统的参考站上,铷原子钟输出的10 MHz信号作为接收机的外频标,接收机实时输出可视区域内导航星座的伪距、载波相位等原始观测量到数据处理计算机,数据处理计算机对观测数据进行处理、打包和发送工作,从而与数据处理中心同步实现导航系统的增强。

2 基于数据融合的参考站外频标方案设计

在传统参考站设备的使用模式下,接收机输出的1 PPS秒信号信息没有参与到系统中来,但GPS授时技术成熟,精度可靠性高,可以提供相当好的长期时间精度等优点,以及铷原子钟作为二级频率标准,存在的频率稳定度和老化等影响参考站观测数据质量的内在因素。考虑到参考站长期运行,无人值守管理的特点,为了提高参考站的性能,保障参考站提供的原始观测伪距和载波相位数据的质量更加稳定和可靠,把参考站铷原子钟和接收机输出的1 PPS秒信号进行数据融合处理,融合处理后的时频作为接收机的外频标,进而提升参考站的长期运行性能。参考站使用的GPS接收机输出的1 PPS信号长期特性好,短期特性差,其抖动指标在20 ns以内,即20 ns/1s=20×1E-9=2E-8。如果想要获得1E-12的频率精度,就需要将GPS的1 PPS信号20,000次平均,经过两万次的平滑处理,GPS秒的抖动就可以忽略不计。基于数据融合的参考站铷原子钟频标结构示意图见图2。

图2 参考站铷原子钟频标结构示意图

3 数据融合的参考站铷原子钟频标的测量

3.1 测量方法[4]

测量采用误差倍增技术基础上的计数器法,即把融合后的铷原子钟输出的10 MHz信号通过相关倍增技术送给计数器一个输入端口,标准信号送给计数器另一个输入端口,通过设置采样数据的组合,计算机实时读取计数器测量值,根据计算公式计算数据融合后的铷原子钟各项指标,测量框图见图3。

图3 测量框图

3.2 测量结果

图4是10 MHz的相位噪声情况,由图中可看出,在1 Hz、10 Hz、100 Hz和1 kHz处,其对应点的相位噪声分别在-100 dBc、-130 dBc、-140 dBc、-150 dBc以下,显著的改善了铷原子钟的原始相位噪声精度水平。图5和图6分别是10 MHz信号的日漂移率和短稳数据图,可以看出数据融合后的频率准确度达到了E-13量级,其频率准确度和稳定度长期跟踪GPS系统授时精度。基于数据融合的参考站外频标大大地提高了铷钟在自由运行状态时的频标性能。由于参考站环境较好,始终有多于5颗的可视卫星,所以,在通常情况下数据融合后铷原子钟输出的10MHz频率准确度可以保持在｜A｜<1×10-12,若老化率为｜D｜=1×10-13/天,根据式(1)可计算出铷钟的性能为:0.1 μ s/天,0.5 ms/年,较自由运行状态时的4 μ s～9 μ s/天、4 ms～9 ms/年有数量级上的提高。

4 结 论

利用参考站上现有设备的输出数据的融合,显著提升了参考站外频标的指标性能,改善了1000 s以上的稳定度,使得数据信息融合后铷原子钟的输出指标性能达到0.1 μ s/天,1 ms/年,接近小铯钟的水平,在参考站网络长远建设中具有重要的现实意义。

图6 频率稳定度短稳测试结果

[1] Andy A.Far-Field monitoring of a ground based augmentation system[D].The University of Oklahoma,2007:76-79.

[2] Clark B,DeCleene B.Alert Limits:Do we need them for CAT III deriving GBAS requirements for consistency with CAT III operations[C]∥Proceedings of Institute of Navigation GNSS 2006 Meeting,Fort Worth,TX,2006:157-162.

[3] Federal Aviation Administration.WAAS implementation strategy and planning(ISP)[R].2007:63-69.

[4] 计量测试技术手册编写组.《计量测试技术手册》第11卷(时间与频率)[M].北京:中国计量出版社,1996:234-244.