遠海遠域移動平臺條件下GNSS衛星授時性能評估

朱恩慧，王治平，李國俊

（ 北京衛星導航中心, 北京 100094 ）

0 引 言

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

衛星授時一般是通過衛星發射無線電信號將標準時間廣播出去，用戶即可通過衛星接收機接收到標準時間. 衛星授時屬于廣域高精度的授時方式，動態用戶也可以使用[2]. 在遠海遠域，移動平臺需要搭載著大量電子信息設備開展相關業務，各型設備之間協同作業對時間同步的需求日益凸顯，高精度授時在保障移動平臺的信息通信、導航定位、工程操控等方面具有精度高、成本低等特點，擁有廣闊的發展前景[3-4].

信息通信方面. 精確的時間本身作為一種信息是其他各項業務活動正常開展的重要基礎之一，尤其是在高緯度遠海遠域地區，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行的衛星實現. 因此，只有精確的衛星授時信息才能保證移動平臺同外界建立正常有效地通信聯絡.

導航定位方面. 移動平臺在遠海遠域航行安全的基礎性條件就是精準可靠的位置、速度及方向服務.目前，移動平臺主要依靠衛星導航與電子海圖相結合的方式進行導航定位[5]. 其中衛星導航系統如要具備精度高、實時性、獨立性強的優勢，必須由衛星導航系統的時間分系統提供準確且統一的時間基準. 隨著衛星授時技術的發展應用，現有全球衛星導航系統(GNSS)的授時性能已達到幾十納秒量級，基本滿足大型移動目標的導航定位服務，但在小型目標的搜索、施救等方面還存在一定精度差距.

工程操作方面. 在遠海遠域的工程項目中，例如石油天然氣采集開發、隧道橋梁建設等重大工程均需要高精度的時間信息服務. 由理論分析可知，授時偏差1 ns，會導致定位偏差30 m. 目前利用GNSS衛星向遠海遠洋的移動平臺進行授時，可以獲得納秒級的授時信息，并通過移動平臺自身的網絡時間協議(NTP)授時網絡向各個子業務系統進行二級授時，可基本滿足一定的工程需求，但仍有巨大的進步空間.

目前，衛星導航系統可通過偽距測量，使用廣播電文(含廣播星歷、廣播星鐘等)[6-7]來實現標準單點定位(SPP)和授時[8-9]. 衛星搭載高精度原子鐘，用戶通過衛星發播的導航電文獲得衛星星歷、鐘差等數據，并結合偽距觀測值和時延修正值計算當前移動平臺時間與衛星系統時間的差值，進而獲得精確的時間. 早期移動平臺試驗大多基于內陸區域的監測站進行分析評估，為了進一步滿足各類場景下獲取更精確時間信息的需求，探索遠海遠域條件下GNSS衛星的授時性能，本文通過在遠海遠域移動平臺搭載時頻設備，開展實地GNSS衛星授時測試，積累了大量原始數據，驗證了在北半球遠海遠域的授時性能，具備一定的開拓性與借鑒性.

1 GNSS衛星授時技術

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

其中，GNSS衛星授時服務方式主要分為兩類，第一類為衛星無線電導航業務(RNSS)授時服務，簡稱RNSS單向授時；第二類為衛星無線電測定業務(RDSS)授時服務，簡稱RDSS授時. 其中RNSS單向授時體制是由用戶端接收衛星無線電信號，自主完成時差計算.目前國際四大全球導航衛星系統GPS/GLONASS/Galileo/北斗衛星導航系統(BDS)均具備RNSS單向授時功能，另一類RDSS授時方式主要包括RDSS單向授時方式以及RDSS雙向授時方式. 其中RDSS單向授時體制是由用戶端接收衛星轉發的無線電信號，自主完成時差計算. RDSS雙向授時為授權服務，授時無法由用戶終端獨立完成，需要RDSS地面控制中心配合進行時延和時差的計算，目前我國的BDS具備RDSS雙向授時的服務功能[16]. 本文重點開展RNSS單向授時在遠海遠域移動平臺條件下的授時性能.

1.1 RNSS單向授時原理

RNSS單向授時包括自主定位和位置保持兩種模式，由于本次實驗是在移動平臺條件下開展的，因此應當采用自主定位的授時模式. 在該模式下，GNSS導航衛星將包含整周計數、周內秒計數、衛星鐘與地面控制中心時鐘差參數、地面控制時間與協調世界時(UTC)時間同步參數信息的時間信息擴頻調制后發播，經由空間傳播到達用戶終端. 用戶接收端接收不少于4顆衛星的信號，經過調制、解調與計算處理獲得用戶位置、速度和時間信息[17-18]. 地面控制中心時間與用戶的鐘面時間，兩者存在鐘差 Δt.RNSS單向授時自主解算出本地時間和GNSS系統時間之差 Δtu，并根據GNSS時間和UTC時間差值ΔtUTC，修正本地時間使本地時間與UTC同步，授時模型與計算關系如式(1)所示：

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

圖1 RNSS單向授時測量圖示

1.2 RNSS單向授時精度

RNSS單向授時精度與用戶等效距離誤差(UERE)緊密相關. 用戶等效距離誤差由系統的空間段、控制段和用戶段的誤差分量組成. 其中空間段誤差包含衛星鐘誤差、衛星星歷誤差、電離層時延改正誤差以及對流層時延改正誤差；控制段誤差包含測控設備時延標定精度與UTC模型改正誤差；用戶段誤差包含多路徑誤差、接收機誤差. 各類誤差并不相關，可視為獨立變量，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的影響如表1所示.

表1 各項誤差對RNSS單向授時的影響

2 驗證試驗方案

本次驗證測試搭載移動平臺總計航程1.2萬余海里，歷時76天，在66°N以上區域內開展任務44天.本次驗證試驗在移動平臺上安裝GNSS衛星接收機與1臺銫原子鐘. 銫原子鐘為衛星接收機提供秒脈沖(1 PPS)與10 MHz輸入參考信號，衛星接收機接收GNSS衛星發播的導航電文，經自帶RxControl軟件處理后存儲在數據采集及存儲設備內，待返港后進行數據后處理. 主要分析遠海遠域條件下的授時時差、頻率準確度以及可見衛星數等指標.

2.1 試驗海域

以此次移動平臺遠海遠域航行計劃為基礎條件，主要驗證測試GNSS衛星在北半球重要航道以及北冰洋海域的授時精度情況. 本次試驗保持全航程全天時數據采集，試驗航線起點位于我國上海，試驗范圍覆蓋121°58′E～152°55′W、31°33′N～86°22′N區域，圖2為具體航行路線.

圖2 移動平臺航行路線

2.2 設備連接與數據采集

本次驗證試驗選擇的設備包括1臺Septentrio PolaRx4TR型GNSS衛星接收機、1臺TA1000型激光銫原子鐘與1臺數據采集存儲設備.

2.2.1 設備連接

GNSS衛星接收機用于采集衛星授時原始數據，接收機天線為圓錐型天線，底半徑20 cm，布設于移動平臺駕駛艙頂層甲板右舷固定點位，周圍對空視野良好無遮擋. 接收機饋線長60 m，沿移動平臺護欄固定.銫原子鐘為GNSS衛星接收機提供1 PPS與10 MHz基準信號，接入BNC接口信號傳輸線，將輸出的1 PPS與10 MHz連接至GNSS衛星接收機. 圖3為設備連接示意圖.

圖3 設備連接示意圖

2.2.2 數據采集軟件設置

利用RxContro軟件對GNSS接收機進行配置，在Connection Setup中設置TCP/IP網口模式通過路由器連接接收機與數據采集及存儲設備，設置觀測模式為GPS+GLONASS+Galileo+BDS模式，衛星觀測截止高度角為15°，采樣頻度為30 s. 在Post Processing選項中設置SBF文件自動轉換為CGGTTS文件與Rinex文件，并在Global選項里設置好文件保存路徑. 待試驗移動平臺進入預定航線后即開始連續采集數據.

2.2.3 觀測數據處理1)授時時差抖動

使用RxControl軟件將得到的SBF文件轉換為CGGTTS文件，打開共視數據處理軟件，導入CGGTTS文件點擊共視計算可以得到GNSS發播的時間與本地銫原子鐘保持時間的時差抖動.

2)輸出頻率準確度

使用sbf2asc軟件將數據采集設備里存放的SBF文件經初步處理得到PVTGeodetic模塊. 根據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軟件進行分析處理后可以得到輸出頻率的準確度StdDev.

3)可觀測衛星數

使用Rxtools中的SBF Analyzer功能，選擇sky Plot選項可以得到在測試區域的可觀測衛星數. 可觀測衛星編號由大寫英文首字母與兩位阿拉伯數字構成，其中G代表美國GPS衛星，C代表中國BDS衛星，R代表俄羅斯GLONASS衛星，E代表歐洲Galileo衛星，阿拉伯數字為該衛星的PRN號.

3 試驗方案與分析評估

2020年7月至9月移動平臺在預定航線機動期間，全程開啟GNSS衛星接收機接收導航電文，并結合停泊計劃在特定區域進行晝夜24 h觀測，具體測試分別為航行最北測試點、東西伯利亞海域測試點、北冰洋返航點、白令海測試點、日本海測試點，具體區域中心坐標如表2所示.

表2 測試區域中心點坐標

3.1 授時時差抖動

授時時差抖動測量的是銫原子鐘與衛星導航系統時間的時差. 本次驗證試驗授時時差情況分別是航行最北測試點保持在-10～+14 ns以內；東西伯利亞海域測試點保持在-6～+10 ns；北冰洋返航點保持在-15～+20 ns；白令海測試點保持在-9～+8 ns；日本海測試點保持在-15～+20 ns. 從數值范圍角度分析，本次試驗選擇的5個點位授時時差抖動均保持在±20 ns，與理論值基本一致. 在航行最北測試點由于極晝環境，大氣環境良好，因此授時時差較為穩定. 在北冰洋返航點與日本海測試點由于受惡劣環境影響，授時時差抖動相對較差. 表3為具體測試區域時差抖動結果，圖4為 測試區域授時時差.

表3 測試區域GNSS系統授時時差抖動 ns

圖4 測試區域授時時差

3.2 輸出頻率準確度

通過對GNSS接收機輸出的頻率信號進行處理，得到頻率準確度. 區域具體測試點輸出頻率準確度如表4所示. 由表4可知，本次驗證試驗輸出的頻率準確度分別為：航行最北測試點可達到5.969×10-14；東西伯利亞海域測試點可達到7.036×10-14；北冰洋返航點可達到1.923×10-13；白令海測試點可達到8.553×10-14；日本海測試點可達到9.233×10-14. 從數值范圍角度分析，試驗選擇的5個區域頻率準確度均保持在10-13量級以內，在航行最北測試點、東西伯利亞海域測試點及白令海測試點等高緯度地區甚至可以達到10-14量級，結果略好于預期. 在北冰洋返航點與日本海測試點由于受惡劣環境影響，頻率準確度結果相對較差.

表4 測試區域輸出頻率準確度

3.3 可觀測衛星數

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

4 結束語

在遠海遠域移動平臺條件下，對5個典型測試區域GNSS衛星授時性能進行了分析，得到如下結論：

1)本次試驗驗證了GNSS衛星導航系統30°N～86°N區域授時時差抖動，結果均保持在±20 ns以內.由于在某些地測試區域大氣環境較為良好，時差可保持在±10 ns以內；在遭遇風暴、雨雪等強對流大氣環境等惡劣天氣的條件下，授時性能顯著下降，但可維持在±20 ns以內，仍滿足納秒級用時需求.

2) GNSS衛星導航接收機輸出頻率信號的準確度整體可達10-14量級，最優可達5.969×10-14，具備一定的自守時能力. 但在環境惡劣條件下，其準確度指標只能維持在10-13量級.

3) GNSS可見衛星觀測結果，GPS與BDS平均可觀測到的衛星數量均為12顆，GLONASS平均可觀測到的衛星數量約為9顆，Galileo平均可觀測到的衛星數量約為8顆.