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1、 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 1 1 GNSS 系统时间偏差监测与预报* 张慧君1,2,3 李孝辉1,2 许龙霞1，2，3 (中国科学院国家授时中心，西安 710600 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600 中国科学院研究生院，北京 100039) 摘 要：本论文首先介绍了各个 GNSS 系统的系统时间概况，在解决各 GNSS 互操作问题上，精确确定它们间的系统时间差是个关键。讨论了 GNSS 系统时间偏差(以下简称时差)测量原理。在此基础上，讨论了 GNSS 系统时差测量的方法。给出了 GNSS 系统时差监测与预报的总休设计方案。在此基础上建立了一个
2、GNSS 系统时差测量试验平台，给出了初步的软件试运行界面以及数据平滑处理结果。最后讨论了有待于进一步做的工作。 关键词：GNSS；系统时间偏差；测量；预报 Monitoring and Prediction of GNSS System Time difference Huijun Zhang 1,2,3, Xiaohui Li 1,2, Longxia Xu 1,2,3 （1 National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xian 710600,China 2 Key Laboratory of Time and Fr
3、equency Primary Standards,Chinese Academy of Sciences, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xian 710600,China 3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China） Abstract：This paper gives an analysis of system time summary of each GNSS system. Referring
4、 to the resolvent of interoperability, the key is the precise determination of system time difference among the GNSSs. On this basis, The principle of system time difference measurement is discussed and a general scheme of GNSS system time difference monitoring is given. According to this scheme, a
5、primary trial system time difference monitoring platform is set up. The running user interface of software and data smoothing processing and prediction results are given. Finally, the work needed to further is discussed. Key words：GNSS system time difference；measurement；prediction 1 引言 GNSS(Global N
6、avigation Satellite System)全球导航卫星系统，是所有在轨工作的卫星导航系统的总称。目前主要包括 GPS 全球定位系统、GLONASS 全球导航卫星系统、在建的 Galileo 卫星导航定位系统、区域性导航系统、COMPASS 系统以及 QZSS 准天顶卫星系统等。GNSS 系统是基于时间差测量的系统，因此，每一个 GNSS 系统都有自己专门的系统时间，准确稳定的系统时间是卫星导航系统工作的保障条件之一。 随着 GNSS 系统的逐渐增多和日益完善，对每一个 GNSS 的组成部分（GPS、Galileo、GLONASS 等）在设计、 构建和互操作性方面， 使他们不互相“阻
7、塞”并且组合使用他们的信号时提供更佳的导航服务，这包含一系列复杂的问题，其中之一就是时间参考问题1。该问题的解决可以通过将两个 GNSS 系统时间参考到同一个时间尺度上， 比如 TAI， 用这样的方法来确定两个 GNSS 系统时间的差。 目前， 由于 GLONASS等许多系统的不完善以及正在建立等原因，谈到互操作性主要是指 GPS 和 Gelileo 系统，这两个系统的系统时间差称为 GGTO， 多模导航时间问题的焦点主要集中在 GGTO 的确定以及 GGTO 对于定位准确度的影响。 *资助课题：国家 863 项目“多遮挡环境中系统时差辅助多模导航信息融合技术研究” ，编号 2007AA12Z
8、300 GNSS 系统时间偏差监测与预报 2 2 我国的卫星导航系统 COMPASS 正在建设之中，地面部分包括一个主控站，一个注入站，和一个监测站。用户段包括 COMPASS 用户终端。COMPASS 的系统时间称为 BDT，同样，COMPASS 在建设中也将会考虑它和其它 GNSS 在时间方面的互操作问题，它和其它 GNSS 系统的系统时间差将被测量，然后在导航信息中广播2。 GNSS 系统时间差是卫星导航系统之间互操作性的一个重要方面。正如前面所讲，各个 GNSS 系统都有着相互独立的系统时间，两个 GNSS 系统时间尺度之间的偏差将在组合导航设备的测量之间引起偏差，从而引起组合接收机定
9、位的偏差。然而各个卫星导航系统时间都可以驾驭到统一的国际原子时 TAI 上，从而在用户接收机端可以将伪距校正到公共的时间尺度，减少用户定位误差，各个卫星导航系统时间差的问题也就完整解决了。因此，GNSS 系统时间偏差的测量与预报将是一项非常重要的工作。 2 各个 GNSS 时间系统概况及其系统时间差测量方法 2.1 各个 GNSS 时间系统概况 GPS 系统时间是一种 GPS 地面测控系统建立的时间坐标，它是以 UTC(USNO)为参考基准，由所有地面钟和卫星钟组成的组合钟时间系统。通过在主控站运行卡尔曼滤波算法，对 GPS 系统内部钟组进行不等权平均，导出 GPS 系统时间 GPST，它是一
10、个纸面组合钟。GPST 是一个连续的时间尺度，不作闰秒调整。它的时间起点定义为 1980 年 1 月 6 日 0 时，即就是说，在这一时刻 GPST 与 UTC(USNO)重合，时至今日，GPST 领先 UTC(USNO)15 秒。GPS 系统时中的历元是从星期六/星期天午夜起所经过的秒数和 GPS星期数来辨别的。GPS 星期是依序编号的，以 1980 年 1 月 6 日 0 时作为第 0 星期的开始。 GLONASS 系统时间由地面综合控制中心的氢钟产生，卫星的时间由铯原子钟保持，综合控制中心每天比对系统时间和卫星时间两次，并将星钟改正值上传至卫星。GLONASS 的系统时间同步于俄罗斯国家
11、标准时间 UTC（SU） ，UTC（SU）由位于莫斯科附近的俄罗斯时间和频率服务的计量中心保持。GLONASS系统时间与 UTC（SU）间的改正数以及 GLONASS 卫星钟改正数在导航电文中播发，每 30 分钟一次。Galileo 系统时间简称 GST，它和 GPS 时间类似，将驾驭到国际时间尺度 TAI。它和 TAI 的估计偏差将在伽俐略导航信息中广播。Galileo 卫星导航系统采用主钟控制的方法产生基准时间。主控站装备两台主动型氢钟和 4 台高性能的铯原子钟形成时间系统（PTF） 。这样的小型系统主要利用了氢钟的稳定性能和铯钟的准确度性能。两台氢钟实时比对测量，一台作为主钟，一台热备份
12、，以便实现无缝切换。四台铯钟实时循环比对测量，形成 GST 自由时间，经与欧洲各个时间实验室的 UTC(k)比对测量后，修正氢钟时间，形成真正的 GST。各个监测站的时间通过通讯网络，以 GST 为参考实现同步3，4。 COMPASS 系统时间称为 BDT， 它和 GPS 时间相似， 采用一种连续的时间尺度， 不加闰秒。 BDT 由 COMPASS地面控制中心的原子钟组组成，它溯源到国家授时中心保持的标准时间 UTC(NTSC)上，通过 UTC(NTSC)，BDT 进一步可以溯源到 UTC 或者 TAI 上2。 2.2 各个 GNSS 系统时间偏差的测量方法 GNSS 系统时间差解决方法可以分
13、为两种5,6：1、系统级方法。2、用户级方法。系统级方法就是将两个 GNSS 系统之间的时间差测量出来，然后在导航电文中进行广播。而用户级方法就是将 GNSS 系统时间差作为一个附加（第 5 个）未知量执行一个导航算法。这篇论文主要讨论系统级的方法，采用定时接收机，将 GPS 时间与 UTC(NTSC)的标准时间之间的时间差测量出来。UTC(NTSC)为 COPASS 的时间基准，它被作为一个中介时间尺度，BDT 将通过这个时间基准进一步溯源到 TAI 或 UTC 上。 本篇论文采用的 GNSS 时间差测量方法如图 1 所示，由于中国科学院国家授时中心保持的标准时间UTC(NTSC)是由原子钟
14、组计算得到的，可以把 UTC(NTSC)的时间看作卫星导航系统时间，利用 GPST 与CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 3 3 UTC(NTSC)的时差，研究系统时间偏差的变化规律。国家授时中心主钟系统输出的标准秒信号UTC(NTSC)1PPS 输入高精度时间间隔计数器的一个通道，另一方面，GNSS 定时接收机输出的 1PPS 信号输入计数器的另一个通道。 GNSS 定时接收机输出的 1PPS 信号为 GNSS 系统时间的复现， 计数器将这两路1PPS 信号的时间差测量出来，做进一步的时间差处理及预报。 图 1 采用定时接收机在国家授时中心监测 GNSS 时间信号的原理框图
15、3 GNSS 系统时间的监测及预报 GNSS系统时差监测平台总体设计如图2所示。系统有三台GPS/GLONASS双模接收机，每台接收机的外标采用国家授时中心守时钟房的10MHz标准频率信号，接收机输出复现的GPS系统时间信号（GPST( 1pps)） 。 图 2 GNSS 系统时差监测平台总体设计框图 时差测量系统测量接收机输出的 1pps 信号与国家授时中心标准时间信号（UTC(NTSC)）的时差，数据采集系统每秒钟分别采集三台接收机复现的 1pps(GPST) 与 1pps(UTC(NTSC)的时差数据，得到原始的时差数据。这些原始的时差数据需要数据预处理，数据预处理包括：时延偏差改正，数
16、据平滑以及平均。同时，使用 IGS 精密轨道和钟差数据以及电离层改正数据对测量结果进行修正。 在未来的 GNSS 系统(比如，正在建设中的 Galileo 系统、CNSS 系统)中，如果要考虑与其它导航系统的互操作性时，需要确定两个导航系统的系统时间差并且进行广播，但是广播的系统时间差值不可能是实时的，它是一个事后处理数据，所以在时间上有一定的滞后性，所以，这就需要进行系统时间差的预报，预报值由前面的测量数据进行计算。系统时差预报广播软件根据数据采集预处理软件过去一个月的输出数据来建立一个预报模型，预报并绘图显示未来 1 天、3 天、5 天的时差数据，根据测量结果计算并显示过去 1 天的预测误差。 GNSS 系统时间偏差监测与预报 4 4 4 实验结果 目前，我们采用 Noveltel OEMV-3 双频双模接收机初步建立了一个 GNSS 系统时差监测试验平台，软件运行界面如图 3 所示， 上面的图形为 GPST-UTC(NTSC)时差的时实显示， 下半部分为系统时差预报模型及绘图显示。 图 3 GN
