瞿穩(wěn)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),基于GPS的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wide Area Argument system WAAS)是美國聯(lián)邦航空局(FederalAviation Administration FAA)在WADGPS的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種覆蓋整個北美洲的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。建成后WAAS不僅極大的提高了GPS系統(tǒng)的定位精度,尤為重要的是WAAS能為授權(quán)用戶提供GPS系統(tǒng)SPS服務(wù)的完好性和可用性信息,這些信息進(jìn)一步加速拓展了GPS的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域,提升了GPS系統(tǒng)的服務(wù)性能和服務(wù)質(zhì)量[1]。參考站網(wǎng)絡(luò)是WAAS在服務(wù)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)其增強(qiáng)功能的基礎(chǔ),由于定位、導(dǎo)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(shè)備組成,通過對現(xiàn)有設(shè)備輸出信息的融合設(shè)計,極大地提高了參考站接收機(jī)外頻標(biāo)的指標(biāo)性能,保障了參考站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,在參考站工程化建設(shè)應(yīng)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(shè)備組成和傳統(tǒng)的使用方案

圖1 參考站主要設(shè)備組成示意圖

參考站設(shè)備由銣原子鐘、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)以及外圍輔助設(shè)備,例如電源、氣象、空調(diào)、消防等設(shè)備組成,主要設(shè)備組成示意圖見圖1。在傳統(tǒng)的參考站上,銣原子鐘輸出的10 MHz信號作為接收機(jī)的外頻標(biāo),接收機(jī)實時輸出可視區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航星座的偽距、載波相位等原始觀測量到數(shù)據(jù)處理計算機(jī),數(shù)據(jù)處理計算機(jī)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包和發(fā)送工作,從而與數(shù)據(jù)處理中心同步實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)。

2 基于數(shù)據(jù)融合的參考站外頻標(biāo)方案設(shè)計

在傳統(tǒng)參考站設(shè)備的使用模式下,接收機(jī)輸出的1 PPS秒信號信息沒有參與到系統(tǒng)中來,但GPS授時技術(shù)成熟,精度可靠性高,可以提供相當(dāng)好的長期時間精度等優(yōu)點,以及銣原子鐘作為二級頻率標(biāo)準(zhǔn),存在的頻率穩(wěn)定度和老化等影響參考站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的內(nèi)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(shù)據(jù)的質(zhì)量更加穩(wěn)定和可靠,把參考站銣原子鐘和接收機(jī)輸出的1 PPS秒信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,融合處理后的時頻作為接收機(jī)的外頻標(biāo),進(jìn)而提升參考站的長期運行性能。參考站使用的GPS接收機(jī)輸出的1 PPS信號長期特性好,短期特性差,其抖動指標(biāo)在20 ns以內(nèi),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(jīng)過兩萬次的平滑處理,GPS秒的抖動就可以忽略不計?；跀?shù)據(jù)融合的參考站銣原子鐘頻標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 參考站銣原子鐘頻標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

3 數(shù)據(jù)融合的參考站銣原子鐘頻標(biāo)的測量

3.1 測量方法[4]

測量采用誤差倍增技術(shù)基礎(chǔ)上的計數(shù)器法,即把融合后的銣原子鐘輸出的10 MHz信號通過相關(guān)倍增技術(shù)送給計數(shù)器一個輸入端口,標(biāo)準(zhǔn)信號送給計數(shù)器另一個輸入端口,通過設(shè)置采樣數(shù)據(jù)的組合,計算機(jī)實時讀取計數(shù)器測量值,根據(jù)計算公式計算數(shù)據(jù)融合后的銣原子鐘各項指標(biāo),測量框圖見圖3。

圖3 測量框圖

3.2 測量結(jié)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(yīng)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(wěn)數(shù)據(jù)圖,可以看出數(shù)據(jù)融合后的頻率準(zhǔn)確度達(dá)到了E-13量級,其頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度長期跟蹤GPS系統(tǒng)授時精度?；跀?shù)據(jù)融合的參考站外頻標(biāo)大大地提高了銣鐘在自由運行狀態(tài)時的頻標(biāo)性能。由于參考站環(huán)境較好,始終有多于5顆的可視衛(wèi)星,所以,在通常情況下數(shù)據(jù)融合后銣原子鐘輸出的10MHz頻率準(zhǔn)確度可以保持在｜A｜<1×10-12,若老化率為｜D｜=1×10-13/天,根據(jù)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(tài)時的4 μ s～9 μ s/天、4 ms～9 ms/年有數(shù)量級上的提高。

4 結(jié) 論

利用參考站上現(xiàn)有設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)的融合,顯著提升了參考站外頻標(biāo)的指標(biāo)性能,改善了1000 s以上的穩(wěn)定度,使得數(shù)據(jù)信息融合后銣原子鐘的輸出指標(biāo)性能達(dá)到0.1 μ s/天,1 ms/年,接近小銫鐘的水平,在參考站網(wǎng)絡(luò)長遠(yuǎn)建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實意義。

圖6 頻率穩(wěn)定度短穩(wěn)測試結(jié)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(shù)手冊編寫組.《計量測試技術(shù)手冊》第11卷(時間與頻率)[M].北京:中國計量出版社,1996:234-244.