测绘科学技术

GNSS互操作若干问题

杨元喜，陆明泉，韩春好

摘要：目的：介绍兼容与互操作的基本概念；分析多GNSS系统互操作的基本趋势及GNSS四大核心系统信号互操作的现状；分析现有北斗卫星导航系统（BDS）在信号互操作方面存在的问题；分析坐标基准和坐标框架在互操作方面存在的问题及其可能带来的影响；讨论时间基准互操作存在的问题，以及可能的解决措施。为GNSS终端研制和多GNSS集成应用提供参考。方法：严格采用国际卫星导航委员会（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）关于兼容与互操作的定义，即：兼容性是指分别或综合使用多个GNSS及增强系统，不会引起不可接受的干扰，也不会伤害其他单一卫星导航系统的操作与服务；互操作是指综合利用多个GNSS及其增强系统，能够在用户层面比单独使用一个系统获得更好的服务，并且不会给接收机生产厂商和用户带来额外的负担和成本。首先，分析了GNSS信号互操作性问题。互操作对不同GNSS系统的信号的要求是，信号尽可能地相似，特别是与信号频率相关的特征应该高度相似。导航信号的中心频点不一致和带宽不一致，不仅影响系统间的兼容性，实际上对互操作性的影响更大。为了研制性能好、功耗低、体积小、成本低的多系统接收设备，根据互操作概念，导航信号参数应尽可能相似，以便更多地共享接收机中的硬件和软件。特别是载波频率、信号带宽、调制方式、多址方式等与信号频谱特征密切相关的主要特性，最好应该完全一致。其次，分析了GNSS坐标系统的互操作及其影响。我们将坐标系统互操作影响分解成坐标系定义的影响、参考椭球场常数不一致的影响、坐标系统更新周期不一致带来的影响。GNSS的互操作与坐标系统的定义有关，其实与坐标系统的实现途径也有关，因为不同的实现方法会带来不同的坐标误差；坐标系统的互操作与坐标系统的更新周期不一致也有关，因为地壳变形影响参考框架点坐标。此外，我们从各GNSS采用的椭球几何参数和物理参数的差异分析了坐标系统不一致产生的影响，尤其是，地球椭球的引力常数和地球旋转参数的不一致容易导致卫星轨道计算的差异。最后，分析了GNSS时间系统的互操作问题。GNSS时间系统的互操作参数的影响可根据误差性质和来源分别进行处理。（1）整秒偏差在授时时可以直接消除；（2）对于秒内偏差，通过系统内差分可减弱秒内偏差的影响，但在多GNSS数据融合时，必须顾及这类误差的影响。特别需要注意的是，秒内偏差随时间变化，需要通过实时监测才可获取；（3）为保障多系统兼容与互操作，需要获取精确的秒内偏差参数，该偏差参数的获取主要有两种途径：从系统发播的导航电文中获取，或由用户自身解算，或在双系统时差解算中，增加 1个关于时差的未知参数。结论：讨论了信号、坐标系和时间系统的不一致对GNSS互操作的影响。可以看到，在信号的不一致方面，特使是其频域特性的差异给多系统接收机的设计带来了很大的困难，不利于多系统接收机性能的提高，也不利于功耗、体积、成本的降低。在坐标系的不一致方面，多GNSS坐标基准定义相近，但选用的参考椭球常数存在差异，坐标基准的实现途径和更新周期均存在较大差异。多GNSS参考椭球的地心引力常数差异及地球的自传角速率差异将导致卫星广播星历 2到数十米偏差，而坐标基准的实现误差、更新周期等差异将首先影响卫星轨道，进而对多GNSS用户产生影响。时间系统的不一致直接影响多GNSS导航定位和授时结果。对于整数时差可以按照系统时间的基本定义直接改正；对时间系统运行误差，则可以在函数模型中增加待定参数进行补偿，或采用系统内差分减弱其影响；也可以通过地面监测站实时进行监测、评估，并向用户发播改正信息。

来源出版物：测绘学报, 2016, 45(3): 253-259

入选年份：2016