基于數據融合的增強系統參考站外頻標的設計①

瞿穩科,鄒本杰,陳天立

(北京市5136信箱,北京100094)

0 引 言

美國的GPS是目前正在成功運行的全球導航衛星系統,基于GPS的廣域增強系統(wide Area Argument system WAAS)是美國聯邦航空局(FederalAviation Administration FAA)在WADGPS的基礎上開發的一種覆蓋整個北美洲的廣域增強系統。建成后WAAS不僅極大的提高了GPS系統的定位精度,尤為重要的是WAAS能為授權用戶提供GPS系統SPS服務的完好性和可用性信息,這些信息進一步加速拓展了GPS的應用范圍和領域,提升了GPS系統的服務性能和服務質量[1]。參考站網絡是WAAS在服務區域內實現其增強功能的基礎,由于定位、導航、授時(DNT)的主要核心是高精度時頻的保障,針對WAAS參考站的設備組成,通過對現有設備輸出信息的融合設計,極大地提高了參考站接收機外頻標的指標性能,保障了參考站觀測數據的質量,在參考站工程化建設應用中具有較高的性價比和廣闊的市場前景[2-3]。

1 參考站設備組成和傳統的使用方案

圖1 參考站主要設備組成示意圖

參考站設備由銣原子鐘、GPS接收機、數據處理計算機以及外圍輔助設備,例如電源、氣象、空調、消防等設備組成,主要設備組成示意圖見圖1。在傳統的參考站上,銣原子鐘輸出的10 MHz信號作為接收機的外頻標,接收機實時輸出可視區域內導航星座的偽距、載波相位等原始觀測量到數據處理計算機,數據處理計算機對觀測數據進行處理、打包和發送工作,從而與數據處理中心同步實現導航系統的增強。

2 基于數據融合的參考站外頻標方案設計

在傳統參考站設備的使用模式下,接收機輸出的1 PPS秒信號信息沒有參與到系統中來,但GPS授時技術成熟,精度可靠性高,可以提供相當好的長期時間精度等優點,以及銣原子鐘作為二級頻率標準,存在的頻率穩定度和老化等影響參考站觀測數據質量的內在因素?？紤]到參考站長期運行,無人值守管理的特點,為了提高參考站的性能,保障參考站提供的原始觀測偽距和載波相位數據的質量更加穩定和可靠,把參考站銣原子鐘和接收機輸出的1 PPS秒信號進行數據融合處理,融合處理后的時頻作為接收機的外頻標,進而提升參考站的長期運行性能。參考站使用的GPS接收機輸出的1 PPS信號長期特性好,短期特性差,其抖動指標在20 ns以內,即20 ns/1s=20×1E-9=2E-8。如果想要獲得1E-12的頻率精度,就需要將GPS的1 PPS信號20,000次平均,經過兩萬次的平滑處理,GPS秒的抖動就可以忽略不計?；跀祿诤系膮⒖颊俱溤隅婎l標結構示意圖見圖2。

圖2 參考站銣原子鐘頻標結構示意圖

3 數據融合的參考站銣原子鐘頻標的測量

3.1 測量方法[4]

測量采用誤差倍增技術基礎上的計數器法,即把融合后的銣原子鐘輸出的10 MHz信號通過相關倍增技術送給計數器一個輸入端口,標準信號送給計數器另一個輸入端口,通過設置采樣數據的組合,計算機實時讀取計數器測量值,根據計算公式計算數據融合后的銣原子鐘各項指標,測量框圖見圖3。

圖3 測量框圖

3.2 測量結果

圖4是10 MHz的相位噪聲情況,由圖中可看出,在1 Hz、10 Hz、100 Hz和1 kHz處,其對應點的相位噪聲分別在-100 dBc、-130 dBc、-140 dBc、-150 dBc以下,顯著的改善了銣原子鐘的原始相位噪聲精度水平。圖5和圖6分別是10 MHz信號的日漂移率和短穩數據圖,可以看出數據融合后的頻率準確度達到了E-13量級,其頻率準確度和穩定度長期跟蹤GPS系統授時精度?；跀祿诤系膮⒖颊就忸l標大大地提高了銣鐘在自由運行狀態時的頻標性能。由于參考站環境較好,始終有多于5顆的可視衛星,所以,在通常情況下數據融合后銣原子鐘輸出的10MHz頻率準確度可以保持在｜A｜<1×10-12,若老化率為｜D｜=1×10-13/天,根據式(1)可計算出銣鐘的性能為:0.1 μ s/天,0.5 ms/年,較自由運行狀態時的4 μ s～9 μ s/天、4 ms～9 ms/年有數量級上的提高。

4 結 論

利用參考站上現有設備的輸出數據的融合,顯著提升了參考站外頻標的指標性能,改善了1000 s以上的穩定度,使得數據信息融合后銣原子鐘的輸出指標性能達到0.1 μ s/天,1 ms/年,接近小銫鐘的水平,在參考站網絡長遠建設中具有重要的現實意義。

圖6 頻率穩定度短穩測試結果

[1] Andy A.Far-Field monitoring of a ground based augmentation system[D].The University of Oklahoma,2007:76-79.

[2] Clark B,DeCleene B.Alert Limits:Do we need them for CAT III deriving GBAS requirements for consistency with CAT III operations[C]∥Proceedings of Institute of Navigation GNSS 2006 Meeting,Fort Worth,TX,2006:157-162.

[3] Federal Aviation Administration.WAAS implementation strategy and planning(ISP)[R].2007:63-69.

[4] 計量測試技術手冊編寫組.《計量測試技術手冊》第11卷(時間與頻率)[M].北京:中國計量出版社,1996:234-244.