系統(tǒng)時間偏差數(shù)據(jù)對四系統(tǒng)定位性能的改善評估

王歡，張慧君，李孝輝,4

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系統(tǒng)時間偏差數(shù)據(jù)對四系統(tǒng)定位性能的改善評估

王歡1,2,3，張慧君1,2，李孝輝1,2,4

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600； 2. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4. 中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS，GLONASS，Galileo以及BDS的快速發(fā)展，多GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）聯(lián)合定位因其有諸多優(yōu)點而越來越受到關(guān)注。然而，系統(tǒng)之間的時間偏差是多系統(tǒng)聯(lián)合定位導(dǎo)航時需要重點解決的問題之一。研究了多系統(tǒng)組合定位中系統(tǒng)時間偏差的處理算法。在此基礎(chǔ)上，利用四系統(tǒng)測地型接收機的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合中國科學(xué)院國家授時中心的GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步研究并分析了四系統(tǒng)的定位性能，詳細比較分析了不同截止高度角情況下，使用先驗的系統(tǒng)時差以及用戶端解算系統(tǒng)時差的多系統(tǒng)組合定位精度。試驗結(jié)果表明：利用系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多系統(tǒng)組合定位可以有效的改善定位精度。此外，在截止高度角大于30°的環(huán)境下，由于可見衛(wèi)星數(shù)目不多導(dǎo)致單系統(tǒng)無法連續(xù)定位，而多系統(tǒng)仍可以連續(xù)定位并且達到較高的精度，這對半城市化、城市峽谷等環(huán)境具有一定的應(yīng)用價值。

GNSS系統(tǒng)時差；多GNSS；組合定位；定位精度；DOP

0 引言

目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）已經(jīng)步入新的發(fā)展時代。GPS系統(tǒng)擁有30顆在軌衛(wèi)星，已經(jīng)進入GPSIII的現(xiàn)代化發(fā)展階段。GLONASS將來計劃擁有30顆衛(wèi)星，其中包括24顆運行衛(wèi)星，6顆冗余衛(wèi)星。Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前擁有12顆在軌衛(wèi)星，其中包括4顆IOV（在軌認證）衛(wèi)星和8顆FOC（全運行能力）衛(wèi)星。期望在2020年實現(xiàn)完整的全運行能力的Galileo系統(tǒng)。而我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）于2012年10月完成了北斗全球系統(tǒng)一期的建設(shè)工作，擁有5顆GEO（靜止軌道）衛(wèi)星、5顆IGSO（傾斜同步軌道）衛(wèi)星以及4顆MEO（中軌道）衛(wèi)星。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)進入了北斗全球系統(tǒng)的二期發(fā)展階段，北斗全球系統(tǒng)星座將由5顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星以及27顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成。

隨著GPS，GLONASS，Galileo以及BDS的不斷發(fā)展，多GNSS接收機以及定位終端的應(yīng)用需求也日益增加，接收機終端制造商以及用戶都期望從使用多GNSS測距信號中受益。這是由于附加的測距源可以改善衛(wèi)星幾何布局，提高定位導(dǎo)航的準(zhǔn)確度、完好性、連續(xù)性以及有效性等方面。

當(dāng)使用多GNSS測距信號時，接收機所遇到的其中一個問題就是GNSS系統(tǒng)間的時間偏差的處理。每一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都擁有自己獨立穩(wěn)定的系統(tǒng)時間。GPS的系統(tǒng)時間是GPST，GLONASS的系統(tǒng)時間是GLONASST，BDS的系統(tǒng)時間是BDT，Galileo的系統(tǒng)時間是GST[1]。而多系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位需要將偽距測量改正到一個統(tǒng)一的時間參考上，這就需要精確地確定系統(tǒng)間的時間偏差。為了使GNSS系統(tǒng)時間具有互操作性，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供者也都已經(jīng)或者計劃去測量與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間之間的偏差，然后廣播系統(tǒng)時間偏差預(yù)報模型參數(shù)。例如，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在廣播GLONASS系統(tǒng)時間與GPS系統(tǒng)時間之間的偏差，Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也在進行Galileo系統(tǒng)時間與GPS系統(tǒng)時間偏差的廣播試驗。再者，用戶也可以采用第三方組織或者機構(gòu)所公開發(fā)布的系統(tǒng)時間偏差值進行定位后處理，這二者均稱為系統(tǒng)級時間偏差處理方法。中國科學(xué)院國家授時中心已經(jīng)建立了GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)以UTC（NTSC）為參考時間尺度，監(jiān)測GPST，GLONASST，BDT，GST相對于UTC（NTSC）的時間偏差[2-3]，通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布監(jiān)測與預(yù)報結(jié)果，并且通過通信衛(wèi)星廣播預(yù)報模型參數(shù)。用戶可以根據(jù)監(jiān)測值獲得GNSS系統(tǒng)時間之間的偏差。

然而，使用系統(tǒng)廣播的時間偏差預(yù)報模型參數(shù)具有不準(zhǔn)確的風(fēng)險。因此，一些接收機用戶會傾向于在接收機端自己解算系統(tǒng)時間偏差。然而，用戶端解算系統(tǒng)時間偏差是以消耗每一個附加GNSS系統(tǒng)的一顆星為代價的，在開闊環(huán)境下采用用戶端解算的方式不會影響定位精度。而在遮擋環(huán)境中，尤其是在極端環(huán)境下（比如城市峽谷等）以及安全性能要求較高的航空領(lǐng)域等，由于需要一定的算法去檢測系統(tǒng)的可靠性，從而在有效衛(wèi)星數(shù)目減少的情況下進一步消耗衛(wèi)星測距信號資源，使得多GNSS系統(tǒng)的星地幾何分布惡化。因此，如何在各種復(fù)雜環(huán)境條件以及不同的應(yīng)用領(lǐng)域去靈活處理系統(tǒng)時間偏差就面臨極大的挑戰(zhàn)[4-5]。

在本論文撰寫之前，國內(nèi)外對于多系統(tǒng)組合定位的實際測試試驗主要以雙系統(tǒng)（GPS/GLONASS組合、GPS/BDS組合、GPS/Galileo）組合為主[6-9]，少量針對三系統(tǒng)組合定位（GPS/GLONASS/BDS）研究，隨著近一年來Galileo系統(tǒng)單獨定位里程碑式的發(fā)展，在中國區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)四系統(tǒng)連續(xù)組合定位測試試驗。這篇論文的目的是研究系統(tǒng)時間偏差兩種處理方法（系統(tǒng)級和用戶級），并且在國家授時中心GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對目前主要的四大GNSS系統(tǒng)（GPS，GLONASS，Galileo以及BDS）,采用四系統(tǒng)接收機的實測數(shù)據(jù)，比較分析在不同的遮擋條件下，使用系統(tǒng)時間偏差（系統(tǒng)級）和用戶端解算時間偏差（用戶級）時，單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)以及多系統(tǒng)組合定位準(zhǔn)確性、連續(xù)性以及DOP 值的變化情況。

1 多GNSS定位解算法中系統(tǒng)時間偏差處理策略

單系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法通常是基于最小平方或者濾波算法。在定位解之前，必須經(jīng)過預(yù)處理從偽距測量量中扣除電離層延遲、對流層延遲、衛(wèi)星鐘差等模型誤差。經(jīng)過預(yù)處理之后，偽距測量方程線性化表達式[10]如下：

1.1 用戶級系統(tǒng)時間偏差處理方法

1.2 系統(tǒng)級系統(tǒng)時間偏差處理方法

2 多GNSS系統(tǒng)組合定位測試試驗

2.1 試驗方案

為了評估系統(tǒng)時間偏差對多系統(tǒng)組合定位性能的影響，所采用的組合定位試驗框圖如圖1所示，試驗地點在國家授時中心（臨潼）。GNSS多系統(tǒng)組合接收機PolaRx4TR由比利時Septentrio公司生產(chǎn)，配置Novatel公司生產(chǎn)的750扼流圈天線，它可以接收目前四大GNSS系統(tǒng)（GPS，GLONASS，Galileo和BDS）的空間導(dǎo)航信號。國家授時中心的標(biāo)準(zhǔn)1 PPS時間信號以及10 MHz頻率信號提供給接收機作為時間頻率參考。數(shù)據(jù)處理計算機通過多GNSS接收機數(shù)據(jù)采集軟件進行采集四系統(tǒng)偽距、星歷等數(shù)據(jù)，并且結(jié)合國家授時中心的GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測數(shù)據(jù)進行組合定位數(shù)據(jù)分析處理。

2.2 試驗設(shè)計

本文設(shè)計了截止高度角10°，20°和30°情況下8種定位模式。分析了這8種模型下的可視衛(wèi)星數(shù)目、定位性能及DOP值的變化情況，重點研究使用先驗的系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測結(jié)果給多系統(tǒng)組合定位帶來的影響。8種定位模式如下：

① GPS系統(tǒng)單獨定位；

② GLONASS系統(tǒng)單獨定位；

③ BDS系統(tǒng)單獨定位；

④ GPS/GLONASS組合定位（系統(tǒng)級和用戶級）；

⑤ GPS/Galileo組合定位（系統(tǒng)級和用戶級）；

⑥ GPS/BDS組合定位（系統(tǒng)級和用戶級）；

⑦ GPS/Galileo/BDS組合定位（系統(tǒng)級和用戶級）；

⑧ GPS/GLONASS /Galileo/BDS組合定位（系統(tǒng)級和用戶級）。

3 試驗結(jié)果分析

試驗選取了國家授時中心（臨潼）2016年5月18日1d的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔60s，為了減少偽距測量噪聲和多徑影響，進行載波相位平滑偽距的處理。分別對單系統(tǒng)或者多系統(tǒng)組合的可見星、定位結(jié)果以及DOP值進行分析。

3.1 可見星分析

采用試驗數(shù)據(jù)，圖2給出了1 d內(nèi)不同截止高度角（10°，20°和30°）下，單系統(tǒng)（G，R，C）、雙系統(tǒng)（GR，GE，GC），三系統(tǒng)（GEC），四系統(tǒng)（GREC）共8種導(dǎo)航模式的可見衛(wèi)星數(shù)目的平均值。

圖1 多GNSS系統(tǒng)組合定位試驗原理圖

注：G、R、E和C分別代表導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，GLONASS，Galileo和BDS。

由圖2可得，隨截止高度角的增加，單系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目降至較低的范圍，甚至不能滿足定位條件，而多系統(tǒng)組合，尤其是四系統(tǒng)組合從截至高度角10°~30°時可見衛(wèi)星數(shù)目始終平均保持在17顆以上，這對于在半城市化、城市峽谷等極端環(huán)境有望提高導(dǎo)航定位能力。

3.2 多系統(tǒng)組合定位解分析

采用數(shù)據(jù)處理算法和試驗數(shù)據(jù)，對西安臨潼站點分析1 d內(nèi)不同截止高度角（10°，20°和30°）下，單系統(tǒng)（G，R，C）、雙系統(tǒng)組合（GR，GE，GC）、三系統(tǒng)組合（GEC）、四系統(tǒng)組合（GREC）共8種導(dǎo)航模式的定位誤差的RMS值。圖3和圖4分別給出了8種導(dǎo)航模式用戶級處理算法、系統(tǒng)級處理算法的定位誤差RMS值，表1給出了10°，20°和30°截止高度角下四系統(tǒng)對于單系統(tǒng)GPS定位誤差RMS的改善率。

注：G、R、E和C分別代表導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，GLONASS，Galileo和BDS。

注：G、R、E和C分別代表導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，GLONASS，Galileo和BDS。

表1 不同截止高度角的單GPS（G）和四系統(tǒng)（GREC）的定位誤差RMS改善率

從圖3可以看出，在相同截止高度角下，多系統(tǒng)組合定位精度明顯要優(yōu)于單系統(tǒng)，尤其在截止高度角30°時，單GPS（G）衛(wèi)星數(shù)目不多，定位誤差RMS值7.35 m，其他導(dǎo)航系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，三系統(tǒng)（GEC）定位誤差RMS值5.03 m，而四系統(tǒng)（GREC）定位誤差RMS值4.34 m，對單GPS（G）系統(tǒng)明顯改善；從圖4可以得出，隨截止高度角的增大，單系統(tǒng)和多系統(tǒng)的定位誤差RMS值都在增大，但單系統(tǒng)的增大速度大于多系統(tǒng)，說明在觀測條件不佳的環(huán)境下，多系統(tǒng)定位有明顯優(yōu)勢；從圖3和圖4可以得出，在多系統(tǒng)組合定位中，系統(tǒng)級處理相比用戶級解算處理能有效的改善定位精度；從表1可以看出，四系統(tǒng)（GREC）組合定位相比單GPS（G）定位最優(yōu)改善47.68%和46.67%，系統(tǒng)級處理改善效果相比用戶級解算處理改善更為顯著。

3.3 DOP值的影響分析

表2 不同導(dǎo)航模式下DOP值

4 結(jié)論

本文基于四系統(tǒng)測地型接收機的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合國家授時中心的GNSS系統(tǒng)時間偏差監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了在截止高度角10°，20°和30°情況下，單系統(tǒng)（G，R，C）、雙系統(tǒng)（GR，GE，GC）、三系統(tǒng)（GEC）和四系統(tǒng)（GREC）的可視衛(wèi)星數(shù)目、定位性能以及DOP值，以及系統(tǒng)級處理系統(tǒng)時差對多系統(tǒng)組合定位性能的影響。得到以下結(jié)論：

① 在同一導(dǎo)航模式下，隨著截止高度角的增大，衛(wèi)星可見數(shù)目減少，定位誤差和DOP值增大；

② 在相同截止高度角下，多系統(tǒng)組合定位模式的可見衛(wèi)星數(shù)目明顯多于單系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目，尤其在截止高度角大于30°的環(huán)境下，由于可見衛(wèi)星數(shù)目不足，單GLONASS（R）、單Galileo（E）系統(tǒng)無法連續(xù)定位，而三系統(tǒng)（GEC）、四系統(tǒng)（GREC）組合可見衛(wèi)星數(shù)目保持在13顆以上；

③ 在相同截止高度角情況下，多系統(tǒng)定位性能明顯優(yōu)于單系統(tǒng)，尤其在高截止高度角30°下，單GPS（G）定位結(jié)果7.35 m，而四系統(tǒng)（GREC）定位結(jié)果3.92 m，相比單GPS（G）定位改善46.7%，這對于半城市化，城市峽谷以及遮擋較為嚴重的地區(qū)有一定的應(yīng)用價值；

④ 隨著截止高度角的增大，衛(wèi)星可見數(shù)目減少，幾何分布越來越差，多系統(tǒng)組合定位（用戶級處理）比系統(tǒng)級處理需要多消耗衛(wèi)星數(shù)目，從而導(dǎo)致多系統(tǒng)組合定位（用戶級處理）DOP值惡化程度大于系統(tǒng)級處理；

⑤ 隨著截止高度角的增大，在多系統(tǒng)組合定位中，系統(tǒng)級處理相比用戶級解算處理能有效地改善定位精度。

[1] 吳海濤, 李孝輝, 盧曉春, 等. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間基礎(chǔ)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

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[3] ZHANG H, ZHU L, LI X, et al. GNSS system time offset monitoring at NTSC[C]//IEEE International Frequency Control Symposium, TaiBei: 2019 IFCS Proceedings, 2014: 1-5.

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Evaluation of positioning performance improvement of four systems based on system time offset data

WANG Huan1,2,3，ZHANG Hui-jun1,2，LI Xiao-hui1,2,4

（1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

With the rapid development of the global navigation satellite system (GPS, GLONASS, Galileo and BDS), multi-GNSS combined positioning has been paid more attention duo to its many advantages. However, one of the key problems in multi-GNSS combined positioning is the time offsets among GNSS system times, which need to be solved emphatically. The processing algorithm of the GNSS time offset in multi-GNSS combined positioning is studied in this paper. In order to analyze the multi-GNSS positioning performance, observation data of geodetic four-constellation GNSS receivers and the GNSS system time offset monitoring data in the National Time Service Center are used in this paper. The detailed comparative analysis of multi-GNSS positioning accuracy are made when using multi-GNSS signals with or without a priori system time offset in different elevation angle. The experiment results show that multi-GNSS combined positioning can effectively improve positioning performance by using the GNSS system time offset monitoring data. Further, under observation scenarios where the elevation angle is larger than 30 degrees and when single positioning system fails to carry out continuous positioning due to lack of visible satellites, the multi-GNSS system can still be available for continuous positioning and a higher positioning accuracy can be realized, this can be of application value for semi-urban, urban-canyon and other environments.

GNSS time offset; multi-GNSS; combined positioning; positioning accuracy; DOP

P228.4

A

1674-0637（2017）04-0231-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-04-0231-09

2017-04-18

國防科技創(chuàng)新基金資助項目（CXJJ-17-M110）

王歡，女，碩士，主要從事系統(tǒng)時差多系統(tǒng)組合應(yīng)用研究。