GNSS系統(tǒng)時間偏差的確定及其對定位結(jié)果的影響

張雪，張慧君，李孝輝

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GNSS系統(tǒng)時間偏差的確定及其對定位結(jié)果的影響

張雪1,2，張慧君1，李孝輝1

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

由于GNSS各個導(dǎo)航系統(tǒng)都有獨立的系統(tǒng)時間，在GNSS多模導(dǎo)航定位中需要對各導(dǎo)航系統(tǒng)之間的系統(tǒng)時差進(jìn)行處理。以GPS/GLONASS雙模導(dǎo)航為例，討論了系統(tǒng)時差的解決方法以及系統(tǒng)時差對定位結(jié)果的影響。實驗結(jié)果表明，在多模導(dǎo)航定位中考慮系統(tǒng)時差可以有效地提高定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，改善定位結(jié)果的精度。

GNSS；系統(tǒng)時間偏差；定位結(jié)果

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展，使用多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容定位是未來導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。對GNSS的每一個組成部分（GPS，GLONASS，COMPASS，Galileo系統(tǒng)等）在設(shè)計、構(gòu)建和操作方面貫徹互用性，使它們的信號之間不互相堵塞并且在組合使用這些信號時能夠提供最佳的導(dǎo)航服務(wù)，這就是多模導(dǎo)航的目的，這一目的的實現(xiàn)將會涉及一系列復(fù)雜的技術(shù)問題[1]?，F(xiàn)在有越來越多的GNSS觀測站配備GNSS接收機，多模接收機的應(yīng)用能夠跟蹤更多的GNSS衛(wèi)星，增加可見星的數(shù)目，從而改善觀測的幾何條件，提高定位的可靠性和精度。然而，不同的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)采用不同的系統(tǒng)時間，存在著系統(tǒng)時間偏差[2]，簡稱系統(tǒng)時差。這導(dǎo)致了多模GNSS接收機對于不同導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的觀測值存在著相應(yīng)的偏差。為了實現(xiàn)GNSS系統(tǒng)的兼容性與互操作性，各個GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)都提出了其系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測的要求[3]。

1 GNSS系統(tǒng)時間偏差產(chǎn)生的原因

為了滿足精密導(dǎo)航的需要，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立了專門的時間系統(tǒng)，并且溯源到國家的標(biāo)準(zhǔn)時間[4]。

全球定位系統(tǒng)GPS的系統(tǒng)時間稱為GPST，溯源到UTC（USNO）。GPST屬于原子時系統(tǒng)，是一個連續(xù)的時間尺度，不用閏秒來調(diào)整。

GLONASST是GLONASS系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，它溯源到俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（SU），并與UTC（SU）之間存在3 h的時差。它屬于UTC時間系統(tǒng)，采用原子時秒長，但時標(biāo)不連續(xù)，有閏秒調(diào)整。

GST是Galileo系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，是由PTF（precise time facility）產(chǎn)生的，屬于原子時系統(tǒng)。GST不實施閏秒調(diào)整。

BDS系統(tǒng)時間稱為BDT，根據(jù)BDS地面控制中心原子鐘組生成，并溯源到UTC（NTSC），BDT無閏秒調(diào)整。

下面以GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)為例（下文皆以GPS/GLONASS為例分析），分析系統(tǒng)時間偏差對組合定位產(chǎn)生的影響。

GPST溯源到UTC（USNO），GLONASST溯源到UTC（SU），它們之間存在系統(tǒng)時間偏差。利用雙模接收機同時接收GPS，GLONASS衛(wèi)星信號，使用導(dǎo)航電文中播發(fā)的鐘參數(shù)修正，測量的GPS偽距改正到GPST系統(tǒng)，而測量的GLONASS偽距改正到GLONASST系統(tǒng)。這樣，GPST與GLONASST之間的時差會引起測量誤差，導(dǎo)致用戶在解算位置信息時出現(xiàn)偏差[5]，如圖1所示。

圖1 GPS/GLONASS系統(tǒng)時間偏差導(dǎo)致測量偏差

2 GNSS系統(tǒng)時間偏差的處理方法研究

GPS/GLONASS系統(tǒng)時差的處理方法，大致分為3種，分別為系統(tǒng)級，用戶級和第三方處理方法。系統(tǒng)級方法就是將GPS，GLONASS系統(tǒng)時差測量出來，然后在各自的導(dǎo)航電文中進(jìn)行播發(fā)。用戶級方法就是將兩個導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時差作為第5個未知量，直接在用戶端解算。用戶可以通過一系列偽距方程來解算出用戶的位置坐標(biāo)和時間信息，如式（1）所示[2]：

雙模導(dǎo)航情況下5個DOP參數(shù)用以下公式計算:

第三方處理方法是指通過第三方權(quán)威機構(gòu)監(jiān)測GPS/GLONASS系統(tǒng)時差，并向用戶預(yù)報。

2.1 系統(tǒng)級處理方法

2.2 用戶級處理方法

2.3 第三方處理方法

第三方處理方法是指通過第三方權(quán)威機構(gòu)監(jiān)測GPS/GLONASS系統(tǒng)時差，并向用戶預(yù)報。用戶可利用預(yù)報值參與定位解算，其具體處理方法與系統(tǒng)級處理方法相同。

3 系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測方法研究

當(dāng)前系統(tǒng)時間與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時差監(jiān)測方案主要有2種：1）建立時間系統(tǒng)之間的時間比對鏈路；2）接收其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間信號。

中國科學(xué)院國家授時中心是我國標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生和保持單位，從2005年至今，國家授時中心產(chǎn)生并保持的協(xié)調(diào)世界時（UTC（NTSC））與國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)世界時（UTC）的偏差始終保持在20 ns內(nèi)，利用此優(yōu)勢采用GNSS定時接收機，測量（UTC（NTSC））與各導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時差，并以此為中介得到各導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時差。

國家授時中心采用第2種監(jiān)測方案搭建GNSS時差監(jiān)測平臺，原理如圖2所示。一方面，定時接收機接收GNSS空間信號，利用導(dǎo)航電文等解算出接收機與導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時間差；另一方面，時間間隔計數(shù)器輸出UTC（NTSC）1 PPS與接收機1 PPS定時信息的時間差，根據(jù)接收機輸出的測量信息和IGS精密星歷信息，對接收機輸出的1PPS定時信息進(jìn)行修正，可以分別得到UTC（NTSC）與GPS系統(tǒng)的時差以及UTC（NTSC）與GLONASS系統(tǒng)之間的時差[6]，二者相減就可以得到GPS與GLONASS之間的系統(tǒng)時差。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和誤差分析，利用此監(jiān)測系統(tǒng)得到的系統(tǒng)時差精度可達(dá)到5 ns[7]。

圖2 GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

采用2012年7月的實測數(shù)據(jù)，用上述監(jiān)測系統(tǒng)與用戶級解算2種方法確定GPS/GLONASS的時差，并與BIPM公布的GPS/GLONASS時差數(shù)據(jù)作對比，以BIPM公布的時差數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別計算時差監(jiān)測結(jié)果和用戶級解算時差結(jié)果相對于標(biāo)準(zhǔn)值差的均方根（RMS），對比結(jié)果如圖3所示，可以看出：由這2種方法確定的系統(tǒng)時差結(jié)果與BIPM公布值走勢基本相同，有較好的一致性，監(jiān)測系統(tǒng)的時差監(jiān)測結(jié)果（＝2.97 ns）準(zhǔn)確性略優(yōu)于用戶級解算時差結(jié)果（＝3.15 ns）。

圖3 GPS/GLONASS系統(tǒng)時差計算結(jié)果比對圖（2012年7月）

4 GNSS系統(tǒng)時間偏差對定位結(jié)果的影響

盡管GLONASS與GPS在坐標(biāo)系統(tǒng)，時間系統(tǒng)，信號結(jié)構(gòu)等多方面存在諸多的差異，但是GPS的24顆衛(wèi)星覆蓋并不能保證在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)用戶的自主完備性監(jiān)測（RAIM）[8]。所以將兩者結(jié)合起來定位具有重要的現(xiàn)實意義。

選取臨潼站點進(jìn)行定位實驗，接收機位置坐標(biāo)已知，使用以下4種導(dǎo)航方式的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算對比研究，分析系統(tǒng)時間偏差給導(dǎo)航定位結(jié)果帶來的影響。1）GPS系統(tǒng)單獨定位；2）GLONASS單獨定位；3）GPS/GLONASS組合定位，引入系統(tǒng)時間偏差（用戶級解算）；4）GPS/GLONASS組合定位，引入系統(tǒng)時間偏差（由上述監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，其監(jiān)測精度為5 ns）。雖然GPS采用WGS84坐標(biāo)，而GLONASS采用PZ90坐標(biāo)，存在坐標(biāo)差異，但雙模接收機內(nèi)部會將所有坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換統(tǒng)一到WGS84坐標(biāo)（下文所涉及的三維位置均指在WGS84坐標(biāo)中的位置）。

4.1 衛(wèi)星可見度

選取不同的仰角截止角，在臨潼站觀察在不同導(dǎo)航模式（GPS導(dǎo)航、GLONASS導(dǎo)航、GPS/GLONASS雙模導(dǎo)航）下的可見衛(wèi)星數(shù)目變化情況，表1為實驗結(jié)果。

表1 不同導(dǎo)航模式下臨潼站的不同可見衛(wèi)星數(shù)目在1d內(nèi)所占的時間百分比

由表1可以看出：相同定位模式下仰角截止角越大，可見的衛(wèi)星數(shù)目就越少；仰角截止角相同時，利用GPS/GLONASS雙模導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星可見數(shù)目多于任意一個單獨的導(dǎo)航系統(tǒng)。尤其在多遮擋的環(huán)境（城市以及多山地區(qū)）下，多模接收機的應(yīng)用能夠跟蹤更多的GNSS衛(wèi)星，更有利于多模導(dǎo)航的用戶定位計算，提高定位的可靠性和精確度。

4.2 準(zhǔn)確性

將監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的系統(tǒng)時差引入GPS/GLONASS組合定位中，即上文提到的定位解算的方式4），衛(wèi)星仰角截止角選取為10°，求出的三維位置與接收機已知坐標(biāo)的偏差大約在±2m之間，如圖4所示。采用如下面的式（8）表達(dá)的誤差的均方根（）來比較分析其定位的準(zhǔn)確性：

通過對不同導(dǎo)航模式定位解算進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)雙系統(tǒng)組合定位結(jié)果的準(zhǔn)確性明顯優(yōu)于單系統(tǒng)定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。3個方向的坐標(biāo)的計算結(jié)果表明，雙系統(tǒng)定位結(jié)果的明顯小于單系統(tǒng)定位結(jié)果的，其具體數(shù)值如表2所示。

圖4 GPS/GLONASS組合定位結(jié)果的位置偏差（仰角≥10°）

表2 不同導(dǎo)航模式下的定位值（仰角≥10°）

4.3 系統(tǒng)DOP值

不同的GNSS系統(tǒng)時差確定方法可能會對定位精度帶來不同的影響。計算不同處理方法下的系統(tǒng)DOP值，用以評價其對定位精度的影響，計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同導(dǎo)航模式下系統(tǒng)的DOP值

由表3可以看出：1）同一種導(dǎo)航模式下，隨著仰角截止角的增大，，顯著增大；2）在相同的仰角截止角下，GPS/GLONASS組合定位大大改善了可見衛(wèi)星的幾何分布，使得值較GPS或者GLONASS單模導(dǎo)航的值都有所降低，相對GPS而言，降低約20%，提高了定位的精度。

5 結(jié)語

如今，導(dǎo)航系統(tǒng)日益增多，多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合定位是未來導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，系統(tǒng)時間偏差問題成為多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位中非常重要的問題之一。本文介紹了系統(tǒng)時間偏差的解決方法，進(jìn)行了單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)（引入系統(tǒng)時間偏差）定位實驗，實驗結(jié)果的分析表明雙系統(tǒng)定位解算（引入系統(tǒng)時間偏差）可以增加可見星的數(shù)目，有效地提高定位的準(zhǔn)確性和精度，其定位結(jié)果優(yōu)于GPS系統(tǒng)定位結(jié)果。

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GNSS system time offset determination and its effect on positioning result

ZHANG Xue1,2, ZHANG Hui-jun1, LI Xiao-hui1

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In the Multi-GNSS satellite navigation application, the time offset between different navigation systems needs to be dealt with, since each navigation system has its own system timescale. Taking the combined GPS/GLONASS positioning as an example, the system time offset determination and its effect on positioning result were discussed. The experiment result shows that the positioning accuracy can be improved effectively in multi-GNSS navigation by taking the system time offset into consideration.

GNSS; system time offset; positioning result

TN967.1

A

1674-0637(2014)01-0057-08

2013-03-29

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目（Y109YR2701）

張雪，女，碩士研究生，主要從事GNSS系統(tǒng)時差監(jiān)測方法研究。