遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域移動(dòng)平臺(tái)條件下GNSS衛(wèi)星授時(shí)性能評(píng)估

朱恩慧，王治平，李國俊

（ 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心, 北京 100094 ）

0 引 言

授時(shí)是指確定、保持某種時(shí)間尺度，并通過一定方式將代表這種尺度的時(shí)間信息傳送給使用者的一系列工作[1].

衛(wèi)星授時(shí)一般是通過衛(wèi)星發(fā)射無線電信號(hào)將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間廣播出去，用戶即可通過衛(wèi)星接收機(jī)接收到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間. 衛(wèi)星授時(shí)屬于廣域高精度的授時(shí)方式，動(dòng)態(tài)用戶也可以使用[2]. 在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域，移動(dòng)平臺(tái)需要搭載著大量電子信息設(shè)備開展相關(guān)業(yè)務(wù)，各型設(shè)備之間協(xié)同作業(yè)對時(shí)間同步的需求日益凸顯，高精度授時(shí)在保障移動(dòng)平臺(tái)的信息通信、導(dǎo)航定位、工程操控等方面具有精度高、成本低等特點(diǎn)，擁有廣闊的發(fā)展前景[3-4].

信息通信方面. 精確的時(shí)間本身作為一種信息是其他各項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)正常開展的重要基礎(chǔ)之一，尤其是在高緯度遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域地區(qū)，在無其他通信手段的條件下，信息通信只能依靠在高緯度運(yùn)行的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn). 因此，只有精確的衛(wèi)星授時(shí)信息才能保證移動(dòng)平臺(tái)同外界建立正常有效地通信聯(lián)絡(luò).

導(dǎo)航定位方面. 移動(dòng)平臺(tái)在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域航行安全的基礎(chǔ)性條件就是精準(zhǔn)可靠的位置、速度及方向服務(wù).目前，移動(dòng)平臺(tái)主要依靠衛(wèi)星導(dǎo)航與電子海圖相結(jié)合的方式進(jìn)行導(dǎo)航定位[5]. 其中衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如要具備精度高、實(shí)時(shí)性、獨(dú)立性強(qiáng)的優(yōu)勢，必須由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間分系統(tǒng)提供準(zhǔn)確且統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn). 隨著衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的授時(shí)性能已達(dá)到幾十納秒量級(jí)，基本滿足大型移動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航定位服務(wù)，但在小型目標(biāo)的搜索、施救等方面還存在一定精度差距.

工程操作方面. 在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域的工程項(xiàng)目中，例如石油天然氣采集開發(fā)、隧道橋梁建設(shè)等重大工程均需要高精度的時(shí)間信息服務(wù). 由理論分析可知，授時(shí)偏差1 ns，會(huì)導(dǎo)致定位偏差30 m. 目前利用GNSS衛(wèi)星向遠(yuǎn)海遠(yuǎn)洋的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行授時(shí)，可以獲得納秒級(jí)的授時(shí)信息，并通過移動(dòng)平臺(tái)自身的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)授時(shí)網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)子業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)授時(shí)，可基本滿足一定的工程需求，但仍有巨大的進(jìn)步空間.

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可通過偽距測量，使用廣播電文(含廣播星歷、廣播星鐘等)[6-7]來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位(SPP)和授時(shí)[8-9]. 衛(wèi)星搭載高精度原子鐘，用戶通過衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文獲得衛(wèi)星星歷、鐘差等數(shù)據(jù)，并結(jié)合偽距觀測值和時(shí)延修正值計(jì)算當(dāng)前移動(dòng)平臺(tái)時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的差值，進(jìn)而獲得精確的時(shí)間. 早期移動(dòng)平臺(tái)試驗(yàn)大多基于內(nèi)陸區(qū)域的監(jiān)測站進(jìn)行分析評(píng)估，為了進(jìn)一步滿足各類場景下獲取更精確時(shí)間信息的需求，探索遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域條件下GNSS衛(wèi)星的授時(shí)性能，本文通過在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域移動(dòng)平臺(tái)搭載時(shí)頻設(shè)備，開展實(shí)地GNSS衛(wèi)星授時(shí)測試，積累了大量原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了在北半球遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域的授時(shí)性能，具備一定的開拓性與借鑒性.

1 GNSS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)

衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)主要分為三類，第一類是基于通信衛(wèi)星的授時(shí)技術(shù)，主要包括轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)技術(shù)和數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)技術(shù)；第二類是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)技術(shù)[10-11]，主要包括GNSS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)、GNSS精密單點(diǎn)定位(PPP)授時(shí)技術(shù)[12-13]、基于共視(CV)原理的衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)和基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密授時(shí)技術(shù)；第三類是國際計(jì)量局(BIPM)用于國際時(shí)間比對的高精度時(shí)間傳遞技術(shù)，主要包括共視時(shí)間頻率傳遞技術(shù)和雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)技術(shù)[14-15].

其中，GNSS衛(wèi)星授時(shí)服務(wù)方式主要分為兩類，第一類為衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)授時(shí)服務(wù)，簡稱RNSS單向授時(shí)；第二類為衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)授時(shí)服務(wù)，簡稱RDSS授時(shí). 其中RNSS單向授時(shí)體制是由用戶端接收衛(wèi)星無線電信號(hào)，自主完成時(shí)差計(jì)算.目前國際四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS/GLONASS/Galileo/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)均具備RNSS單向授時(shí)功能，另一類RDSS授時(shí)方式主要包括RDSS單向授時(shí)方式以及RDSS雙向授時(shí)方式. 其中RDSS單向授時(shí)體制是由用戶端接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的無線電信號(hào)，自主完成時(shí)差計(jì)算. RDSS雙向授時(shí)為授權(quán)服務(wù)，授時(shí)無法由用戶終端獨(dú)立完成，需要RDSS地面控制中心配合進(jìn)行時(shí)延和時(shí)差的計(jì)算，目前我國的BDS具備RDSS雙向授時(shí)的服務(wù)功能[16]. 本文重點(diǎn)開展RNSS單向授時(shí)在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域移動(dòng)平臺(tái)條件下的授時(shí)性能.

1.1 RNSS單向授時(shí)原理

RNSS單向授時(shí)包括自主定位和位置保持兩種模式，由于本次實(shí)驗(yàn)是在移動(dòng)平臺(tái)條件下開展的，因此應(yīng)當(dāng)采用自主定位的授時(shí)模式. 在該模式下，GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星將包含整周計(jì)數(shù)、周內(nèi)秒計(jì)數(shù)、衛(wèi)星鐘與地面控制中心時(shí)鐘差參數(shù)、地面控制時(shí)間與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)時(shí)間同步參數(shù)信息的時(shí)間信息擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)播，經(jīng)由空間傳播到達(dá)用戶終端. 用戶接收端接收不少于4顆衛(wèi)星的信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制、解調(diào)與計(jì)算處理獲得用戶位置、速度和時(shí)間信息[17-18]. 地面控制中心時(shí)間與用戶的鐘面時(shí)間，兩者存在鐘差 Δt.RNSS單向授時(shí)自主解算出本地時(shí)間和GNSS系統(tǒng)時(shí)間之差 Δtu，并根據(jù)GNSS時(shí)間和UTC時(shí)間差值ΔtUTC，修正本地時(shí)間使本地時(shí)間與UTC同步，授時(shí)模型與計(jì)算關(guān)系如式(1)所示：

式中：用戶終端得到的本地時(shí)間與UTC時(shí)間差值為Δt； τdelay表示星地偽距(時(shí)延量)，由用戶端測量獲得；τdown為GNSS衛(wèi)星到用戶終端的空間幾何傳播時(shí)延；τother為其他附加時(shí)延，包括空間段、用戶段與控制段時(shí)延等； ΔtUTC為GNSS時(shí)間和UTC時(shí)間之差[5].圖1為RNSS單向授時(shí)測量圖.

圖1 RNSS單向授時(shí)測量圖示

1.2 RNSS單向授時(shí)精度

RNSS單向授時(shí)精度與用戶等效距離誤差(UERE)緊密相關(guān). 用戶等效距離誤差由系統(tǒng)的空間段、控制段和用戶段的誤差分量組成. 其中空間段誤差包含衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層時(shí)延改正誤差以及對流層時(shí)延改正誤差；控制段誤差包含測控設(shè)備時(shí)延標(biāo)定精度與UTC模型改正誤差；用戶段誤差包含多路徑誤差、接收機(jī)誤差. 各類誤差并不相關(guān)，可視為獨(dú)立變量，這些誤差分量取平方和的平方根得到UERE.

以GPS為例，用戶等效距離誤差對授時(shí)的影響如表1所示.

表1 各項(xiàng)誤差對RNSS單向授時(shí)的影響

2 驗(yàn)證試驗(yàn)方案

本次驗(yàn)證測試搭載移動(dòng)平臺(tái)總計(jì)航程1.2萬余海里，歷時(shí)76天，在66°N以上區(qū)域內(nèi)開展任務(wù)44天.本次驗(yàn)證試驗(yàn)在移動(dòng)平臺(tái)上安裝GNSS衛(wèi)星接收機(jī)與1臺(tái)銫原子鐘. 銫原子鐘為衛(wèi)星接收機(jī)提供秒脈沖(1 PPS)與10 MHz輸入?yún)⒖夹盘?hào)，衛(wèi)星接收機(jī)接收GNSS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文，經(jīng)自帶RxControl軟件處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，待返港后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理. 主要分析遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域條件下的授時(shí)時(shí)差、頻率準(zhǔn)確度以及可見衛(wèi)星數(shù)等指標(biāo).

2.1 試驗(yàn)海域

以此次移動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域航行計(jì)劃為基礎(chǔ)條件，主要驗(yàn)證測試GNSS衛(wèi)星在北半球重要航道以及北冰洋海域的授時(shí)精度情況. 本次試驗(yàn)保持全航程全天時(shí)數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)航線起點(diǎn)位于我國上海，試驗(yàn)范圍覆蓋121°58′E～152°55′W、31°33′N～86°22′N區(qū)域，圖2為具體航行路線.

圖2 移動(dòng)平臺(tái)航行路線

2.2 設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集

本次驗(yàn)證試驗(yàn)選擇的設(shè)備包括1臺(tái)Septentrio PolaRx4TR型GNSS衛(wèi)星接收機(jī)、1臺(tái)TA1000型激光銫原子鐘與1臺(tái)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備.

2.2.1 設(shè)備連接

GNSS衛(wèi)星接收機(jī)用于采集衛(wèi)星授時(shí)原始數(shù)據(jù)，接收機(jī)天線為圓錐型天線，底半徑20 cm，布設(shè)于移動(dòng)平臺(tái)駕駛艙頂層甲板右舷固定點(diǎn)位，周圍對空視野良好無遮擋. 接收機(jī)饋線長60 m，沿移動(dòng)平臺(tái)護(hù)欄固定.銫原子鐘為GNSS衛(wèi)星接收機(jī)提供1 PPS與10 MHz基準(zhǔn)信號(hào)，接入BNC接口信號(hào)傳輸線，將輸出的1 PPS與10 MHz連接至GNSS衛(wèi)星接收機(jī). 圖3為設(shè)備連接示意圖.

圖3 設(shè)備連接示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置

利用RxContro軟件對GNSS接收機(jī)進(jìn)行配置，在Connection Setup中設(shè)置TCP/IP網(wǎng)口模式通過路由器連接接收機(jī)與數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)設(shè)備，設(shè)置觀測模式為GPS+GLONASS+Galileo+BDS模式，衛(wèi)星觀測截止高度角為15°，采樣頻度為30 s. 在Post Processing選項(xiàng)中設(shè)置SBF文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CGGTTS文件與Rinex文件，并在Global選項(xiàng)里設(shè)置好文件保存路徑. 待試驗(yàn)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)入預(yù)定航線后即開始連續(xù)采集數(shù)據(jù).

2.2.3 觀測數(shù)據(jù)處理1)授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)

使用RxControl軟件將得到的SBF文件轉(zhuǎn)換為CGGTTS文件，打開共視數(shù)據(jù)處理軟件，導(dǎo)入CGGTTS文件點(diǎn)擊共視計(jì)算可以得到GNSS發(fā)播的時(shí)間與本地銫原子鐘保持時(shí)間的時(shí)差抖動(dòng).

2)輸出頻率準(zhǔn)確度

使用sbf2asc軟件將數(shù)據(jù)采集設(shè)備里存放的SBF文件經(jīng)初步處理得到PVTGeodetic模塊. 根據(jù)rxtools manual手冊從該模塊中我們可以得到外置銫原子鐘的ClockBias信息. 利用Stable32軟件進(jìn)行分析處理后可以得到輸出頻率的準(zhǔn)確度StdDev.

3)可觀測衛(wèi)星數(shù)

使用Rxtools中的SBF Analyzer功能，選擇sky Plot選項(xiàng)可以得到在測試區(qū)域的可觀測衛(wèi)星數(shù). 可觀測衛(wèi)星編號(hào)由大寫英文首字母與兩位阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成，其中G代表美國GPS衛(wèi)星，C代表中國BDS衛(wèi)星，R代表俄羅斯GLONASS衛(wèi)星，E代表歐洲Galileo衛(wèi)星，阿拉伯?dāng)?shù)字為該衛(wèi)星的PRN號(hào).

3 試驗(yàn)方案與分析評(píng)估

2020年7月至9月移動(dòng)平臺(tái)在預(yù)定航線機(jī)動(dòng)期間，全程開啟GNSS衛(wèi)星接收機(jī)接收導(dǎo)航電文，并結(jié)合停泊計(jì)劃在特定區(qū)域進(jìn)行晝夜24 h觀測，具體測試分別為航行最北測試點(diǎn)、東西伯利亞海域測試點(diǎn)、北冰洋返航點(diǎn)、白令海測試點(diǎn)、日本海測試點(diǎn)，具體區(qū)域中心坐標(biāo)如表2所示.

表2 測試區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)

3.1 授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)

授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)測量的是銫原子鐘與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差. 本次驗(yàn)證試驗(yàn)授時(shí)時(shí)差情況分別是航行最北測試點(diǎn)保持在-10～+14 ns以內(nèi)；東西伯利亞海域測試點(diǎn)保持在-6～+10 ns；北冰洋返航點(diǎn)保持在-15～+20 ns；白令海測試點(diǎn)保持在-9～+8 ns；日本海測試點(diǎn)保持在-15～+20 ns. 從數(shù)值范圍角度分析，本次試驗(yàn)選擇的5個(gè)點(diǎn)位授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)均保持在±20 ns，與理論值基本一致. 在航行最北測試點(diǎn)由于極晝環(huán)境，大氣環(huán)境良好，因此授時(shí)時(shí)差較為穩(wěn)定. 在北冰洋返航點(diǎn)與日本海測試點(diǎn)由于受惡劣環(huán)境影響，授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)相對較差. 表3為具體測試區(qū)域時(shí)差抖動(dòng)結(jié)果，圖4為 測試區(qū)域授時(shí)時(shí)差.

表3 測試區(qū)域GNSS系統(tǒng)授時(shí)時(shí)差抖動(dòng) ns

圖4 測試區(qū)域授時(shí)時(shí)差

3.2 輸出頻率準(zhǔn)確度

通過對GNSS接收機(jī)輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，得到頻率準(zhǔn)確度. 區(qū)域具體測試點(diǎn)輸出頻率準(zhǔn)確度如表4所示. 由表4可知，本次驗(yàn)證試驗(yàn)輸出的頻率準(zhǔn)確度分別為：航行最北測試點(diǎn)可達(dá)到5.969×10-14；東西伯利亞海域測試點(diǎn)可達(dá)到7.036×10-14；北冰洋返航點(diǎn)可達(dá)到1.923×10-13；白令海測試點(diǎn)可達(dá)到8.553×10-14；日本海測試點(diǎn)可達(dá)到9.233×10-14. 從數(shù)值范圍角度分析，試驗(yàn)選擇的5個(gè)區(qū)域頻率準(zhǔn)確度均保持在10-13量級(jí)以內(nèi)，在航行最北測試點(diǎn)、東西伯利亞海域測試點(diǎn)及白令海測試點(diǎn)等高緯度地區(qū)甚至可以達(dá)到10-14量級(jí)，結(jié)果略好于預(yù)期. 在北冰洋返航點(diǎn)與日本海測試點(diǎn)由于受惡劣環(huán)境影響，頻率準(zhǔn)確度結(jié)果相對較差.

表4 測試區(qū)域輸出頻率準(zhǔn)確度

3.3 可觀測衛(wèi)星數(shù)

利用RxControl處理軟件可以得到5個(gè)測量點(diǎn)位觀測到的GNSS觀測衛(wèi)星顆數(shù)，具體測試區(qū)域可觀測衛(wèi)星如表5、圖5所示. 由表5、圖5可知，具體可觀測衛(wèi)星數(shù)量情況分別為：航行最北測試區(qū)域平均可觀測到GPS衛(wèi)星10顆、BDS衛(wèi)星10顆、GLONASS衛(wèi)星10顆、Galileo衛(wèi)星8顆；東西伯利亞海域測試區(qū)域平均可觀測到GPS衛(wèi)星12顆、BDS衛(wèi)星10顆、GLONASS衛(wèi)星10顆、Galileo衛(wèi)星8顆；北冰洋返航點(diǎn)測試區(qū)域平均觀測到GPS衛(wèi)星12顆、BDS衛(wèi)星12顆、GLONASS衛(wèi)星9顆、Galileo衛(wèi)星9顆；白令海測試區(qū)域平均觀測到GPS衛(wèi)星12顆、BDS衛(wèi)星12顆、GLONASS衛(wèi)星9顆、Galileo衛(wèi)星8顆；日本海測試區(qū)域平均觀測到GPS衛(wèi)星12顆、BDS衛(wèi)星12顆、GLONASS衛(wèi)星10顆、Galileo衛(wèi)星7顆.從觀測衛(wèi)星數(shù)量角度分析，本次試驗(yàn)選擇的5個(gè)區(qū)域平均觀測數(shù)量最多的是GPS衛(wèi)星，平均可觀測衛(wèi)星數(shù)量最少的是Galileo衛(wèi)星.

4 結(jié)束語

在遠(yuǎn)海遠(yuǎn)域移動(dòng)平臺(tái)條件下，對5個(gè)典型測試區(qū)域GNSS衛(wèi)星授時(shí)性能進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)本次試驗(yàn)驗(yàn)證了GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)30°N～86°N區(qū)域授時(shí)時(shí)差抖動(dòng)，結(jié)果均保持在±20 ns以內(nèi).由于在某些地測試區(qū)域大氣環(huán)境較為良好，時(shí)差可保持在±10 ns以內(nèi)；在遭遇風(fēng)暴、雨雪等強(qiáng)對流大氣環(huán)境等惡劣天氣的條件下，授時(shí)性能顯著下降，但可維持在±20 ns以內(nèi)，仍滿足納秒級(jí)用時(shí)需求.

2) GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度整體可達(dá)10-14量級(jí)，最優(yōu)可達(dá)5.969×10-14，具備一定的自守時(shí)能力. 但在環(huán)境惡劣條件下，其準(zhǔn)確度指標(biāo)只能維持在10-13量級(jí).

3) GNSS可見衛(wèi)星觀測結(jié)果，GPS與BDS平均可觀測到的衛(wèi)星數(shù)量均為12顆，GLONASS平均可觀測到的衛(wèi)星數(shù)量約為9顆，Galileo平均可觀測到的衛(wèi)星數(shù)量約為8顆.