2023年6月30日发(作者:)
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) 摘 要:在电磁波定位系统中,时间和频率的统一与稳定性非常重要,会直接影响系统的 可用性和精度.通过对一个伪卫星定位系统中时间和频率问题的研究,设计出了一套完整的时 频统一方案,并编写了程序实现。该方案可以有效提高系统初始化速度,并提高观测质量。 关键词:伪卫星;定位;时间;频率 中图分类号:P228.1 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2011)01-0028-05 O 引 吾 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 卫星定位系统中,频率的准确度与稳定度以及 能,用一台铷原子频标做Propak-V3的外接时钟 时间的统一问题非常重要。在真实的卫星定位系 源,对GSG—L1进行测试。 统中(例如GPS,GLONAS,GALILE0,北斗等), 将铷原子频标的输出接到Propak—V3的外接 由于星载的时钟源都是数台精确度和稳定度很高 时钟源接口上(标注了OSC的BNC接口),然后对 的原子钟,在运行过程中还不断被地面站监测、修 Propak—V3发出以下命令: 正,才能保证每颗星的时钟高度精确与同步。而伪 externalcl0ck RUBIDIUM 10 MHz 卫星定位系统中,一般的伪卫星信号发生器仅采用 clockadiust disable OCXO,有些甚至是只用了Tcxo做时钟源,因此 设定其使用外接时钟源,类型为铷原子频标, 很难保证系统中的频率和时间同步。一个频率与 频率为lO MHz,并禁止其对时钟的校正。 时间未统一的系统,存在即使用双差也无法消除的 然后再用以下命令对观测结果做记录: time-tag误差,同时也很难实现单站定位。本文通 log rangegpsll ontime 1 过对GSG—L1伪卫星定位系统中的频率和时间的 得到类似如下的结果: 研究,实现了一种可以使伪卫星定位系统中的频率 [C0M2]<RANGEGPSL1 COM2 0 15.0 和时间统一的方法。 COARSESTEERING 1512 403319.000 004c0000 1频率和时间未统一的情况 5862 4158 <4 在本文讨论的伪卫星定位系统中,伪卫星采用 <1 0 25092783.079 0.031—131863462. 的是Pendulum公司的GSG—L1伪卫星信号发生 553575 0.005 9O3.895 51.4 262.846 18009c04 器,一共4颗。发射天线采用Patch天线,接收机 <3 0 22305518.497 0.050—1l7216291. 采用的是Novatel Propak-V3接收机,接收天线是 416936 0.008 903.180 47.2 254.538 18009c44 Novatel GPS-703天线。 <6 0 20469980.189 0.043—107570469。 GS L1伪卫星采用的是OCXO作为整个系 069510 0.012 905.582 48.4 245.810 18009ca4 统的时钟源,标称的精度为1 ppb(日稳)。Propak— <8 0 189l5507.762 0.040—99401662. V3则使用的是TXVcXO。 801482 0.010 902.168 49.2 252.088 18009ce4 在未经过频率和时间统一之前,接收机初始化 18009d64 完成(这里的初始化含义是成功跟踪4颗卫星,可 r CoM 2]<RANGEGPSL 1 COM 2 0 1 6.0 收稿日期:2010—10-22 项目基金:863计划项目支持(2009AA12Z304) 联系人:张涛E-mail:tzhang@whu.edu.eft ・ 28 ・ GNSS World of China/2011.1 COARSESTEERING 1512 403320.000 004c0000 5862 4158 <4 <1 0 250926l1.078 0.031—13l862558. 678406 0.006 904.074 51.4 263.846 18O09c04 <3 0 22305346.670 0.042—1 17215388. 446058 0.008 9O2.859 48.7 255.538 18O09c44 <6 0 20469807.854 0.040—107569563. 428295 0.01l 905.813 49.2 246.810 l8009ca4 <8 0 18915336.147 0.O37—99400760. 993264 0.011 901.680 49.7 253.088 18009ce4 18109d64 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。 一PRN1...PRN3 ~PRN6 PRN8 ● 1 / 椭 职 惭 朋 《 ll t l^..H I . t h 棚 ‘ ‘ 一 — ^ … : j 一 : ‘ . . . . .. + 时间/s 图1使用外接原子钟时。各个伪卫星 的多普勒观测值 . … b . .| N 哆心 黼箍 I 簿 一 十PRN3 薅 薅 ‘PRN6 PRN8 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 时间/s 图2使用GPS内部时钟时,各个伪卫星 的多普勒观测值 2011.1/全球定位系统 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,更没提供外按时钟源的接口。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,需要对共进行较大改动。 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1/,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: externaklock rh 1 O MHz clockadj ust disable log rangegpal l ontime 1 设定其使用外接时钟源,类型为铷原子频标, ・ 29 ・ 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, 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 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GS L1 来说,可用以下命令n]: PLPRAM:<PRN>:<命令编号>:0002:< 多普勒值> 一其中,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。 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 首次同步完成后,假设目标是将频率偏离范围 动。 设为2 Hz,而时间同步差异在1 s以内,则调整间 3)当把每颗卫星的频率统一之后,以码伪距 隔大约为1500 S。 最大的一颗卫星作为基准,计算其他伪卫星的时间 同步完成后,可以把相关参数写到伪卫星内部 提前量,然后使其停止一段时间产生C/A码,从而 的非挥发记忆体内: 使得其时间与基准伪卫星对齐。 PLSTOR 对于GSG-L1伪卫星来说,可以使用如下命 以减少下次同步时间。 令: 根据以上思路,编写伪卫星时钟与频率统一程 PLDELY:<PRN>:<命令编号>:<延迟 序,图3、4是用该程序对系统进行同步前与同步后 滴答数> 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 3频率与时间统一后的系统性能与 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 后期工作 时间等各种因素,造成伪卫星之间的时钟不同步, 在频率与时间统一后,由于伪卫星的多普勒值 差异大概在几十微秒到几十毫秒之间。 在可控制范围内,因此为加速系统初始化,可以在 经过同步后,可以保证各个卫星的频率偏差在 接收机上限定捕获卫星阶段的多普勒中心值和搜 1 Hz以内,时钟偏差在1 s以内。 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 ・ 3O ・ GNSS World of China/2011.1 测数据质量对比。该实验使用零基线,记录相位观 小(大约提高~个数量级)。同时,对200 S的观测 测的双差结果。采样率为0.5 Hz。可以看出,时 值进行统计,RMS值由0.0043减小到0.00365。 间和频率统一之后,观测值随时间的变化率明显减 图4同步成功后的情形 一时间和频率统一后的测量数据 2)测量数据的质量有明显提高:随时间的漂 捏0.02 一时问和频率统一前的测量数据 移量大幅减小(统一前的观测值一时间关系为y一6 观 0.01 *1O +0.0076,统一后的观测值一时间关系为y 问0 一4×10 t一0.0012,提高一个数量级。RMS值 双 善一o.0. 也明显减小。 因此,本文该方法对伪卫星定位系统的时间频 11 21 31 41 51 61 71 81 91 历元(0 5Hz) 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、 图5时频统一前后观测数据质量对比 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! 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 参考文献 路径效应引起,如果要有效提高测量质量,还有许 [1]Pendulum Instruments Inc.Pendulum GSG-L1 User— 多工作要做。 manual[EB/OL].2009—02—02,http://www.gem— 4结 论 snav.com/UploadFiles/GSG-L1.pdf. 通过实验,使用该方法可以实现伪卫星定位系 作者简介 统的时间和频率进行有效快速统一,统一后,与没 张 涛 (1972一),男,硕士学位,研究方向为 有进行时问与频率统一之前比较,有以下作用: 网络、通讯与信息安全。 1)可以明显加速系统的初始化:由3~1O (下转第37页) arin左右提高到1 rain以内; 2011.1/全球定位系统 ・ 31 ・ 作者简介 陈澍(1985一),女,硕士生,主要研究方向 为GPS理论与应用。 Application of GPS Water Vapor Inversion Technology in Sichuan Area CHEN Shu.XIONG Yong—liang,ZHANG Xu-feng,HUANG Ding-fa (De nr£men£。f Surveying and Geo—informatics,Southwest Jiaot。ng University, Chengdu Sichuan 610031,China) Abstract:The zenith hydrostatic delay was calculated’ according tO the Pressure and temDerature near the GPS sites of Sichuan network.The zenith hydrostatic delay model which is the best one in Sichuan was obtained with comprehensive analysis・The weighted average temperature caiculation formula suitable for Sichuan was established,and its validity was analyzed. G10bal Pressure and Temperature model was used tO make water Vapor mVer— sion instead of the meteorological data measured,and we obtained some conelusiOns thrOugh comparing globa1 pressure and temperature model precipitable water with mete。r。log ca data measured precipitable water,radiosonde precipitable water and actual preetp tat on- Kev wOrds:Zenith hydrostatic delay model;weighted average temperature;G T model; measured meteorologica1 data (上接第31页) Time-frequency Uniform in a Pseudolites Positioning System ZHANG Tao,XU Ya-ming,HUANG Jin-song (Wuh&礼Unit,ers £ ,Sc九0o£of Geodesy and Geomatics,Wuhan Hubei 430072,China) Abstract:The time and frequency unity and stability problem is very important in the e— lectromagnetic wave positioning system. It will directly affect the system availability and Drecision.This article has studied the time and the frequency problem in a Pseudol tes Pos卜 tioning system,designed a set of complete time frequency unification plan,and has cOmp Ied the Drocedure realization.This plan might shorten the system initialization time e{fect Vely, and improved the observation quality. Kev w0rds:Pseudolites;position;time;frequency 2011.1/全球定位系统 ・ 37 ・
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