楊元喜，陸明泉，韓春好

1. 西安測繪研究所地理空間工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 清華大學電子工程系，北京100084； 3. 北京衛(wèi)星導航中心，北京100094

?

GNSS互操作若干問題

楊元喜1，陸明泉2，韓春好3

1. 西安測繪研究所地理空間工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 清華大學電子工程系，北京100084； 3. 北京衛(wèi)星導航中心，北京100094

Foundation support： The National High-tech Research and Development Program of China(No.2013AA122501);The National Natural Science Foundation of China(No.41374019)

摘要：GNSS兼容與互操作是國際衛(wèi)星導航領域的熱點議題，也是用戶實現(xiàn)多系統(tǒng)融合導航必須具備的條件。本文首先介紹了兼容與互操作的基本概念；簡要分析了多GNSS系統(tǒng)互操作的基本趨勢及GNSS 4大核心系統(tǒng)信號互操作的現(xiàn)狀；分析了現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)在信號互操作方面存在的問題，指出其對用戶接收機制造商和多GNSS用戶的影響；分析了坐標基準和坐標框架在互操作方面存在的問題及其可能帶來的影響，指出坐標系統(tǒng)的實現(xiàn)、維持甚至更新策略帶來的誤差都可能給多GNSS互操作及導航定位結(jié)果帶來影響；討論了時間基準互操作存在的問題，以及可能的解決措施。最后歸納了本文的主要結(jié)論。

關鍵詞：北斗；兼容與互操作；頻率；坐標系統(tǒng)；時間基準

兼容與互操作是近十幾年來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)領域的一個研究熱點，對衛(wèi)星導航的理論研究、系統(tǒng)建設和應用推廣都具有重要意義，受到了國內(nèi)外學術界、工業(yè)界、政府主管部門乃至相關國際組織的高度重視。目前，兼容與互操作已經(jīng)成為國際衛(wèi)星導航委員會(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心議題，并專門成立了相應的工作組，兼容與互操作也是全球GNSS核心供應商雙邊談判與多邊協(xié)調(diào)的重要內(nèi)容，國內(nèi)外學術刊物和學術會議已發(fā)表了大量有關兼容與互操作的理論分析文章[1-7]。

兼容與互操作是隨著GPS和GLONASS的現(xiàn)代化、BDS和Galileo的興起而面臨的新問題，雖然迄今為止尚未給出明確的定義，但概念比較清晰[1-2,8]：兼容性是指分別或綜合使用多個GNSS及增強系統(tǒng)，不會引起不可接受的干擾，也不會傷害其他單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)的操作與服務；互操作是指綜合利用多個GNSS及其增強系統(tǒng)，能夠在用戶層面比單獨使用一個系統(tǒng)獲得更好的服務，并且不會給接收機生產(chǎn)廠商和用戶帶來額外的負擔和成本。兼容與互操作已經(jīng)成為GNSS的發(fā)展趨勢[1,9]。

目前，兼容性的分析主要集中在不同系統(tǒng)間信號的相互干擾方面，國際電聯(lián)2007年提出的干擾估計方法(ITU-RM.1831)已經(jīng)成為各GNSS兼容性評估的基本準則[10]。與兼容性有所不同，互操作涉及面更廣，不但與各GNSS的信號密切相關，而且與GNSS采用的空間和時間基準有關，對多系統(tǒng)GNSS用戶的影響也更為直接，研究工作更為復雜。

首先，互操作不僅與GNSS信號有關，也與坐標系統(tǒng)、時間基準的定義及實現(xiàn)這些定義的方法有關。更進一步，也與信號、坐標、運行時間偏差有關?？梢哉J為，互操作概念對不同GNSS供應商的影響是不同的，對不同的用戶影響也是不同的，不同的互操作要素對接收機廠商的影響也是不同的。

不得不承認，互操作設計對業(yè)已建成的GPS幾乎沒有任何影響。因為：①GPS系統(tǒng)發(fā)展歷史比較悠久，技術相對成熟，用戶極其廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹立起了行業(yè)領導者的地位；②GPS用戶涉及的領域非常廣泛，已經(jīng)嵌入到飛機、艦船與武器平臺、陸地車輛等各類移動載體，并已滲透到了交通運輸、電力系統(tǒng)、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)以及其他穿戴設備，改變GPS的互操作設計困難太大；③國際民用航空組織和國際海事組織已經(jīng)以GPS和GLONASS導航信號為飛機和艦船活動的標準導航藍本；④以GPS為主建立的廣域和局域差分增強系統(tǒng)(WAAS and LAAS)已經(jīng)廣泛用于航空精密進近，而且這些增強系統(tǒng)之間大多數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了互操作，為民用航空提供了近于無縫的精密導航服務；⑤全球所有GNSS接收機芯片和天線廠商都搭建了GPS接收機生產(chǎn)線，排斥或改建這種產(chǎn)品生產(chǎn)架構(gòu)都將付出代價；⑥GPS坐標參考系WGS-84盡管與國際大地測量協(xié)會(IAG)確定的國際地球參考框架(ITRF)有差別，但是差別較小，而且，近幾年GPS所用的WGS-84不斷更新，對于大多數(shù)用戶可以忽略不計，于是不影響GPS在衛(wèi)星導航定位中的主導地位；⑦GPS的時間系統(tǒng)雖然與國際計量局確定的世界協(xié)調(diào)時(UTC)有差別，但是美國海軍天文臺控制的鐘組在UTC中具有絕對主導地位，而由美國海軍天文臺確定的時間系統(tǒng)也是GPS時間的基礎。

可以說，盡管衛(wèi)星導航定位進入GNSS百花齊放時代，但不得不承認GPS已經(jīng)被廣大用戶接受，已經(jīng)占據(jù)全球衛(wèi)星導航市場的主導地位，也已經(jīng)占據(jù)各類導航標準政策的主導地位。于是，其他GNSS不得不與GPS實施兼容與互操作。而且GPS和Galileo已先行一步，已就兼容和互操作達成一致[11]，這給BDS帶來了更多的挑戰(zhàn)。

任何其他GNSS供應商要想占領部分市場，就必須具備如下條件：①提供更高質(zhì)量的定位、導航和授時(PNT)服務(包括精度、可靠性、操作便捷性、價格等)；②必須與GPS實行兼容與互操作；③提供與GPS不同的特色服務。

即使其他GNSS供應商具備這些條件，用戶依然會十分挑剔地審視使用其他GNSS導航信號帶來的成本和效益；如果使用多GNSS信號給用戶增加過多額外成本，用戶仍然會放棄與GPS不能實施互操作的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

1GNSS信號不一致性的影響

互操作對GNSS的基本要求是，不同系統(tǒng)的信號應該盡可能相似，特別是與信號頻率相關的特征應該高度相似。導航信號的中心頻點不一致和帶寬不一致，不僅影響系統(tǒng)間的兼容性，實際上對互操作性的影響更大。

衛(wèi)星導航信號的主要特征包括載波頻率、調(diào)制方式、信號帶寬、信號功率、極化方式、多址方式、擴頻碼、電文格式、電文糾錯碼等。從用戶終端的角度看，為了研制性能好、功耗低、體積小、成本低的多系統(tǒng)接收設備，總是希望上述參數(shù)盡可能相似，以便更多地共享接收機中的硬件和軟件。特別是載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式、多址方式等與信號頻譜特征密切相關的主要特性，最好應該完全一致，這也是ICG所倡導的發(fā)展方向，即GNSS的互操作。

典型的，以GPS L1 C/A信號和BDS B1 I信號為例，由于這兩個信號在載波、帶寬(擴頻碼速率)、擴頻碼、電文格式、糾錯編碼等方面的差異，目前L1 C/A和B1 I雙系統(tǒng)接收機實際上就是安裝在同一機箱內(nèi)的兩臺不同的接收機(當然，供電、晶振等外圍部件是共用的)，基本上等同于體制完全不同的雙系統(tǒng)接收機，難以開發(fā)出低成本、低功耗的接收機產(chǎn)品(包括芯片和整機)。

不同的信號特征給接收機帶來的主要影響有：

(1) 由于頻點不同，不利于天線的小型化和低成本。如GPS的L1 C/A和BDS的B1 I雙系統(tǒng)接收機需要寬帶接收天線來覆蓋兩個頻點，顯然減小天線的尺寸變得相當困難，而且也不利于提高駐波比、增益等關鍵指標。如果這兩個信號還需要與其他信號(如L2、B2 I等)一起構(gòu)成雙頻或者多頻高精度測量接收機，則更不利于天線相位中心等重要指標的提高。

(2) 由于頻點和帶寬的不同，射頻部分通常需要雙通道接收，實際上等同于需要兩個不同的射頻單元。當然，考慮到L1 C/A和B1 I頻點比較接近，也可以采用一個寬帶射頻來同時接收這兩個信號，但是不利于接收機的抗干擾性能，且信噪比也有損失。于是，在民用低成本接收機中基本都不采用這種方案。如果這兩個信號還需要與其他信號(如L2、B2 I等)一起構(gòu)成雙頻或者多頻高精度測量型接收機，則更不利于射頻通道時延一致性等指標的提高，增加了設計制造高精度測量型接收機的難度。

(3) 由于頻點不同，需要兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)，或者一片高速ADC，于是，必然導致接收機功耗和體積的增大，很難降低成本。

(4) 這兩個信號的不同帶寬(擴頻碼速率)、擴頻碼碼型、電文格式等，需要設計兩套不同的基帶信號處理算法，顯然需要占用更多的計算和存儲資源。當然，由于數(shù)字信號處理技術已經(jīng)非常成熟，嵌入式處理器的性能已經(jīng)很強，對基帶信號處理帶來的影響有一定程度的降低。

(5) 對導航解算和自主完好性監(jiān)測等方面帶來的影響不大，基本可以忽略。

當然，L1 C/A和B1 I不同的載波頻率給多系統(tǒng)接收機也帶來一些額外的好處，主要有：

(1) 信號間的射頻干擾較小，有利于信號的接收處理。

(2) 兩個頻點同時被無意干擾造成多系統(tǒng)接收機無法工作的概率較低，或者有意干擾方要同時對兩個頻點實施干擾而付出的代價較大，從這個角度來說，這樣的多系統(tǒng)接收機具有更好的抗干擾能力。

從上面的分析可以看到，由于歷史原因，BDS區(qū)域系統(tǒng)的信號與GPS信號的差異很大，特別是載波頻率和帶寬等頻域特性的顯著差異，兩者之間的互操作性很差，導致了BDS和GPS雙系統(tǒng)接收機設計上的困難，也不利于雙系統(tǒng)接收機性能的提高和功耗、體積、成本的降低，嚴重制約BDS的應用推廣和產(chǎn)業(yè)化。

上述分析結(jié)果對我們的啟發(fā)是，正在建設中的BDS全球系統(tǒng)信號設計應在兼容性的基礎上特別重視互操作的設計，需要在保持信號自身特色和獨立性的同時，采用與GPS和Galileo相同的頻點、類似的調(diào)制、相近的帶寬，在頻域特性上盡可能與GPS和Galileo保持一致，以增強其互操作性[13-14]。當然，GPS未來的核心信號是L1C，BDS全球信號的互操作設計應面向未來，重點實現(xiàn)與L1C的高度互操作。

2GNSS坐標系統(tǒng)不一致的影響

從4大GNSS相應坐標系定義看，目前各導航衛(wèi)星系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)的定義基本一致。但與IERS定義的參數(shù)均有差異。各GNSS地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度見表1，參考橢球的幾何常數(shù)見表2。

表1GNSS使用的地心引力場數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度

Tab.1Gravitational constants and rotation rates used by GNSS

系統(tǒng)geocentricgravitationalconstants/(m3/s2)rotationrate/(rad/s)GPS3.986005×10-14 7.2921150×10-5 GLONASS3.986004418×10-147.2921150×10-5Galileo3.986004415×10-147.2921151467×10-5BDS3.986004418×10-147.2921150×10-5IERS3.986004418×10-147.2921150×10-5

從GPS、GLONASS、BDS和Galileo所使用的參考橢球常數(shù)看，使用多GNSS融合導航定位存在如下影響：

納西族與藏族歷史文化關系研討會在麗江舉辦 11月15日至16日，由中國社會科學院民族學與人類學研究所主辦，中國社會科學院特殊學科（絕學）納西東巴文研究學科承辦的多民族文獻視野中的納西族與藏族歷史文化關系研討會在麗江市舉辦，來自北京、西藏、青海等地的40多位專家學者參加研討會，共同研討納西族與藏族歷史文化關系。

表2　參考橢球常數(shù)

(1) 早期GPS地面控制系統(tǒng)曾經(jīng)采用地心引力常數(shù)值3.986 005×10-14，該值與其他GNSS系統(tǒng)存在差異，用戶接收機普遍采用了這一數(shù)值。1994年后，GPS地面控制系統(tǒng)在計算衛(wèi)星軌道時采用的地心引力常數(shù)GM為3.986 004 418×10-14，該值與IERS推薦值相同。地心引力常數(shù)的這一改變消除了地面控制系統(tǒng)軌道1.2 m的徑向偏差。為了避免GPS接收機軟件的改動，同時確保GPS衛(wèi)星的定軌精度，GPS系統(tǒng)在廣播星歷參數(shù)擬合時仍采用原值3.986 005×10-14[15]。注意到，由于地心引力常數(shù)的差異，可導致衛(wèi)星廣播星歷近2 m的誤差[16]。

(2) GPS衛(wèi)星星歷采用的地球自轉(zhuǎn)角速度ω與IERS推薦值相同，為7 292 115.0×10-11rad/s，由于地球自轉(zhuǎn)角速度隨時間變化，考慮到赤經(jīng)歲差的影響，國際天文學聯(lián)合會最新的推薦的ω值為7 292 115.146 7×10-11rad/s[15]。為了與衛(wèi)星應用保持一致性，GPS地面控制系統(tǒng)在進行廣播星歷參數(shù)擬合時采用7 292 115.146 7×10-11rad/s。如果誤用列出的地球自轉(zhuǎn)速率的差異可引起廣播星歷數(shù)十米誤差[16]。

(3) 各GNSS坐標系統(tǒng)采用的參考橢球長半軸幾乎都不相同，而且均與IERS推薦值存在差異，相對于IERS推薦的參考橢球長半軸a=6 378 136.6 m，GPS和BDS參考橢球差了0.4 m，GLONASS參考橢球差了-0.6 m，Galileo參考橢球差了-1.1 m，GPS和BDS與Galileo參考橢球差了1.5 m。但是參考橢球的長半軸和扁率的差異一般不會影響用戶的定位結(jié)果。因為用戶由衛(wèi)星廣播星歷計算衛(wèi)星坐標時，不涉及參考橢球的幾何參數(shù)。

(4) BDS、GPS、GLONASS采用的地球橢球扁率也與IERS規(guī)定值不同，但這些常數(shù)差對衛(wèi)星星歷影響不大。對地圖投影的影響一般在毫米量級，不影響用戶使用[17]。

(5) 特別強調(diào)，盡管各GNSS坐標系統(tǒng)的定義差不明顯影響融合導航定位結(jié)果，但是，各坐標系統(tǒng)實現(xiàn)的差別對導航定位結(jié)果影響明顯。因為GNSS坐標系統(tǒng)實現(xiàn)和維持所帶來的誤差直接影響衛(wèi)星軌道精度，而衛(wèi)星軌道誤差對用戶單點定位結(jié)果的影響是系統(tǒng)性的。

(6) 此外，現(xiàn)有BDS跟蹤站利用GPS進行坐標聯(lián)測，容易帶來聯(lián)測誤差；而且僅采用GPS觀測進行BDS坐標系統(tǒng)的更新，不利于BDS與其他GNSS坐標系互操作參數(shù)的測定與預報。

(7) BDS坐標系更新周期與GPS有相當大的差距。為保持衛(wèi)星軌道及用戶坐標參數(shù)反映實際地球動力學效應，GPS控制系統(tǒng)每年更新一次坐標框架的坐標值；而北斗系統(tǒng)的跟蹤站坐標數(shù)年更新一次，其板塊運動及其他系統(tǒng)誤差將影響跟蹤站的坐標精度，進而影響衛(wèi)星軌道的測定精度和衛(wèi)星星歷的精度。

為了控制坐標基準差異對多GNSS融合導航定位互操作的影響，可采用如下措施：

(1) 由于現(xiàn)有4大核心衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用了不同的坐標框架，于是坐標框架的相對偏差將影響各衛(wèi)星星座的互操作。解決這類互操作有兩種策略：對于單點定位和實時導航，可以在觀測模型中設置互操作參數(shù)，并在融合定位時估計這類參數(shù)[18]；對于事后處理的高精度定位用戶，可以采用相對定位方式削弱這類互操作參數(shù)的影響。但是必須注意，各GNSS系統(tǒng)必須選擇各自的參考衛(wèi)星進行差分，才能消除坐標互操作參數(shù)的影響。

(2) 利用多GNSS進行融合定位時，用戶一般由衛(wèi)星廣播星歷計算衛(wèi)星坐標，于是只使用參考橢球常數(shù)中的地心引力常數(shù)GM和地球自轉(zhuǎn)角速度ω，這兩個參數(shù)必須保持與相應衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的ICD文件中的數(shù)值一致，由此得到的地面站位置即為相應衛(wèi)星導航系統(tǒng)坐標系統(tǒng)下的位置。

(3) 實踐中，應該采用多GNSS接收機同時接收GPS、GLONASS、BDS和Galileo等衛(wèi)星信號，綜合測定跟蹤站的地心坐標，計算各GNSS系統(tǒng)存在的坐標系統(tǒng)誤差，并發(fā)播給用戶作為先驗參數(shù)，供用戶在多模融合導航定位時參考。

(4) 采用多模GNSS跟蹤信息，并聯(lián)合ITRF跟蹤站和IGS跟蹤站板塊運動信息，可以求解BDS各衛(wèi)星監(jiān)測站或跟蹤站地殼運動參數(shù)，為每年北斗跟蹤站的坐標更新提供基礎，同樣也為測定各衛(wèi)星坐標系的互操作參數(shù)提供基礎數(shù)據(jù)。

(5) 必須注意，如果將不同GNSS測定的地面點三維坐標轉(zhuǎn)換成大地經(jīng)緯度和大地高，則使用不同的參考橢球參數(shù)會產(chǎn)生明顯差異。所以在我國若要求將多GNSS測定的點位坐標轉(zhuǎn)換成大地坐標時，則一定要采用CGCS 2000橢球參數(shù)，而不是使用各GNSS所對應的其他參考橢球參數(shù)，如此才能確保不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位結(jié)果的坐標系統(tǒng)一致性。

(6) 如果各GNSS均采用相同的坐標系定義，采用相同的跟蹤站進行衛(wèi)星軌道測定和衛(wèi)星星歷擬合，采用相同的ICD文件格式，則4大核心供應商的衛(wèi)星星座將是一個整體星座，用戶將不再需要考慮坐標系統(tǒng)的互操作問題。實時單點定位也將不再需要互操作參數(shù)，差分定位將不再需要各GNSS系統(tǒng)分別選用各自的參考星組成差分觀測方程，但是，實現(xiàn)這一步十分艱難，基本不可行。

3GNSS時間系統(tǒng)不一致的影響

GPS、GLONASS、BDS、Galileo 4大系統(tǒng)對應的時間系統(tǒng)定義差別較大，具體情況的比較分析見表3。

表3　GNSS系統(tǒng)時間定義說明

表3所列的各GNSS系統(tǒng)時間參數(shù)定義差異，將直接影響用戶采用多GNSS聯(lián)合導航定位授時的結(jié)果[21-22]。

(1) GPS、Galileo、BDS 3大系統(tǒng)都采用連續(xù)的原子時標，無閏秒，系統(tǒng)間的偏差包括兩部分：①各系統(tǒng)在不同的UTC時間定義起點時間，而導致整秒偏差，BDT與GPST、GST的整秒差為14秒，而GST與GPST不存在整秒差[20]；②由于各系統(tǒng)時間由各自的原子鐘組生成，在長期的運行過程中會產(chǎn)生微小的偏差，一般稱之為“秒內(nèi)偏差”，通常為幾十納秒量級。這里僅給出2015年11月BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差，見圖1。BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差達十多納秒甚至更大，會直接將影響授時和導航定位，也會影響衛(wèi)星軌道測定。

(2) GLONASS系統(tǒng)的基準時間(GLNT)與UTC(SU)+3h同步，而且與UTC一起進行動態(tài)閏秒，因此，GLONASS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)時間的偏差存在3方面的影響，即：①由于GLNT與UTC同步，而且考慮俄羅斯與UTC的時差，于是產(chǎn)生整小時偏差，GLNT與GPST、GST和BDT系統(tǒng)時間的整小時偏差為3 h；②整秒偏差部分：由于GLNT與UTC同步閏秒，而且整秒偏差不是一個固定常數(shù)，需根據(jù)BIPM發(fā)布的閏秒公告具體計算，截至2015年，GLNT包含的閏秒數(shù)為36，與BDT的整秒差為3 s，與GPST、GST的整秒差為17 s；③秒內(nèi)偏差部分，GLNT系統(tǒng)鐘組運行產(chǎn)生的誤差，該偏差需要通過動態(tài)監(jiān)測鏈路來實時獲取。這3類偏差有的直接影響授時，有的影響時間同步，有的影響多GNSS聯(lián)合導航定位[23-24]。

(3) 在多系統(tǒng)兼容互操作中，系統(tǒng)時差將直接影響定位、測速和授時(PVT)結(jié)果。對于秒以下偏差部分，對定位誤差的影響可達10 m乃至數(shù)十米，對授時的影響可達數(shù)10 ns。在進行系統(tǒng)時差精確測定和修正后，定位誤差的影響一般可優(yōu)于1 m，授時誤差可小于3 ns。

(4) 對于標準時間用戶，需使用系統(tǒng)時間與UTC(k)之間的偏差修正參數(shù)來獲取用戶所在國家的標準時間。應注意，通過不同系統(tǒng)所獲取的標準時間是不同的，如：通過GPS獲得的標準時間是UTC(USNO)，通過BDS獲得的是UTC(BSNC)。

圖1　2015年11月12—30日 BDT與GPST之間的秒內(nèi)偏差Fig.1　Bias between BDT and GPST in Nov. 12—30, 2015

對于時間系統(tǒng)互操作參數(shù)的影響可根據(jù)誤差性質(zhì)和來源分別進行處理：

(1) 整秒偏差在授時時可以直接消除。

(2) 對于秒內(nèi)偏差，通過系統(tǒng)內(nèi)差分可減弱秒內(nèi)偏差的影響，但在多GNSS數(shù)據(jù)融合時，必須顧及這類誤差的影響。特別需要注意的是，秒內(nèi)偏差隨時間變化，需要通過實時監(jiān)測才可獲取。

(3) 為保障多系統(tǒng)兼容與互操作，需要獲取精確的秒內(nèi)偏差參數(shù)，該偏差參數(shù)的獲取主要有兩種途徑：從系統(tǒng)發(fā)播的導航電文中獲取，或由用戶自身解算。由系統(tǒng)發(fā)播的時差參數(shù)精度和可靠性一般較高，建議優(yōu)先使用；如果由用戶自行解算，則在雙系統(tǒng)時差解算中，至少需要增加1個關于時差的未知參數(shù)，相當于需要額外增加一顆星的觀測量，且觀測誤差、觀測模型會影響解算結(jié)果精度。當然，采用序貫平差或Kalman濾波解算，則在多歷元數(shù)據(jù)處理后模型中增加少數(shù)待定時間參數(shù)，不會明顯影響導航定位參數(shù)的解算效率[18]。

(4) GPS和Galileo已經(jīng)協(xié)商建立雙方的監(jiān)測鏈路并通過導航電文發(fā)播。BDS、GLONASS導航電文中均有系統(tǒng)時差參數(shù)設計，但目前GNSS時差參數(shù)尚未正式發(fā)播。也可通過UTC/UTCr、IGS等數(shù)據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)時差的間接換算或解算，但應注意加強不確定度分析，特別是B類不確定度的評估與分析。

4結(jié)論

本文討論了信號、坐標系和時間系統(tǒng)的不一致對GNSS互操作的影響。可以看到，在信號的不一致方面，特別是其頻域特性的差異給多系統(tǒng)接收機的設計帶來了很大的困難，不利于多系統(tǒng)接收機性能的提高，也不利于功耗、體積、成本的降低。

在坐標系的不一致方面，多GNSS坐標基準定義相近，但選用的參考橢球常數(shù)存在差異，坐標基準的實現(xiàn)途徑和更新周期均存在較大差異。多GNSS參考橢球的地心引力常數(shù)差異及地球的自傳角速率差異將導致衛(wèi)星廣播星歷2至數(shù)十米偏差，而坐標基準的實現(xiàn)誤差、更新周期等差異將首先影響衛(wèi)星軌道，進而對多GNSS用戶產(chǎn)生影響。于是，未來可采用多GNSS接收機監(jiān)測各GNSS的坐標互操作參數(shù)，并將BDS跟蹤站的坐標更新周期改為每年一次，以便減小地殼形變誤差對坐標基準互操作參數(shù)的影響。

時間系統(tǒng)的不一致直接影響多GNSS導航定位和授時結(jié)果。對于整數(shù)時差可以按照系統(tǒng)時間的基本定義直接改正；對時間系統(tǒng)運行誤差，則可以在函數(shù)模型中增加待定參數(shù)進行補償，或采用系統(tǒng)內(nèi)差分減弱其影響；也可以通過地面監(jiān)測站實時進行監(jiān)測、評估，并向用戶發(fā)播改正信息。

多GNSS系統(tǒng)的兼容與互操作是未來GNSS發(fā)展的主要方向，在BDS全球系統(tǒng)的設計和建設中，應進一步重視信號的互操作設計，盡可能采用與GPS和Gaileo相同的頻點、類似的調(diào)制、相近的帶寬等頻域參數(shù)，達到與GPS和Galileo系統(tǒng)的高度互操作；坐標系統(tǒng)應盡可能一致，尤其是地面跟蹤站盡量保持一致，否則應采用多模GNSS接收機監(jiān)測其坐標系統(tǒng)偏差，并發(fā)播給用戶進行改正，或作為用戶導航定位參數(shù)估計的先驗信息；時間系統(tǒng)的不一致，可采用多GNSS跟蹤站進行監(jiān)測和發(fā)播，也可通過增加模型參數(shù)進行實時估計。

參考文獻：

[1]HEIN G.GNSS Interoperability: Achieving a Global System of System or Does Everything Have to Be the Same?[J].Inside GNSS, 2006,1(1): 57-60.

[2]STUPAK G.The Russian Federation View on GNSS Compatibility and Interoperability[C]∥Proceedings of the 3rd Meeting of the International Committee on Global Navigation Satellite Systems (ICG).Pasadena: [s.n.], 2008.

[3]GIBBONS G.GNSS Interoperability[J].Inside GNSS, 2011, 6(1): 28-31.

[4]楊元喜.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[J], 測繪學報, 2010, 39(1): 1-6.

YANG Yuanxi. Progress, Contribution and Challenges of Compass/BeiDou Satellite Navigation System[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(1): 1-6.

[5]楊元喜, 李金龍,徐君毅, 等.中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對全球PNT 用戶的貢獻[J].科學通報, 2011, 56(21): 1734-1740.

YANG Yuanxi,LI Jinlong, XU Junyi, et al.Contribution of the Compass Satellite Navigation System to Global PNT Users[J]. Chinese Science Bulletin, 2011, 56(26): 2813-2819.

[6]LU Xiaochun,LU Jun,WANG Xue,et al.Interoperability Feasibility Analysis between BeiDou and GPS[C]∥Proceedings of China Satellite Navigation Conference (CSNC 2012).Berlin: Springer, 2012: 15-26.

[7]HAN Tao, LU Xiaochun, WANG Xue, et al.Differential Equation Dynamical System Based Assessment Model in GNSS Interoperability[J].Science China, Physics, Mechanics & Astronomy, 2011, 54(6): 996-1003.

[8]U.S. Space-based PNT Policy[EB/OL].(2012-08-15)[2015-12-03]. http:∥www.pnt.gov/.

[9]BETZ J.Something Old,Something New—Signal Structures for Satellite-based Navigation: Past, Present, and Future[J]. Inside GNSS, 2013, 8(4): 34-42.

[10]ITU-R.ITU R M 1831-2007 a Coordination Methodology for RNSS Inter-system Interference Estimation[S].ITU Recommendation, 2007.

[11]The GPS-galileo Agreement Working Groups.Agreement on the Promotion, Provision and Use of Galileo and GPS Satellite Based Navigation Systems and Related Applications[R]. Stockholm: [s.n.], 2004.

[12]HUANG Bin, YAO Zheng, GUO Fu, et al.Reaching for the STARx： a Software-defined All-GNSS Solution[J].Inside GNSS, 2014, 9(1): 50-60.

[13]YAO Z, LU M,FENG Z.Quadrature Multiplexed BOC Modulation for Interoperable GNSS Signals[J].Electronics Letters, 2010, 46(17): 1234-1236.

[14]YAO Zheng, LU Mingquan. ACED Multiplexing and Its Application on BeiDou B2 Band[C]∥SUN Jiadong, JIAO Wenhai, WU Haitao, et al.Lecture Notes in Electrical Engineering. Berlin: Springer,2013, 244:25-34.

[15]National Imagery and Mapping Agency. Department of Defense World Geodetic System 1984: Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems[R]. 3rd ed. National Imagery and Mapping Agency Technical Report 8350.2,[S.l.]: NIMA, 2000.

[16]秦顯平, 楊元喜, 崔先強. 橢球參數(shù)對北斗與GPS廣播星歷計算互操作性的影響[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2015, 40(9): 1237-1241.

QIN Xianping, YANG Yuanxi, CUI Xianqiang. Influence of Ellipsoid Constants on Interoperability of Broadcast Ephemeris Computation between BeiDou and GPS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(9): 1237-1241.

[17]魏子卿. 2000中國大地坐標系及其與WGS84的比較[J]. 大地測量與地球動力學, 2008, 28(5): 1-5.

WEI Ziqing. China Geodetic Coordinate System 2000 and Its Comparison with WGS84[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2008, 28(5): 1-5.

[18]YANG Yuanxi, LI Jinlong, XU Junyi,et al.Generalised DOPs with Consideration of the Influence Function of Signal-in-space Errors[J]. Journal of Navigation, 2011, 64(S3): S3-S18.

[19]HAN Chunhao,YANG Yuanxi,CAI Zhiwu. BeiDou Navigation Satellite System and Its Time Scales[J].Metrologia, 2011, 48(4):S213-S218.

[20]DELPORTE J.The Definition and Implementation of Galileo System Time (GST)[R]. ICG-4 WG-D on GNSS Time Scales,[S.l.]: French Space Agency, 2009.

[22]張清華, 隋立芬, 賈小林, 等.利用高精度PPS測量進行GPS-GLONASS時差監(jiān)測[J].武漢大學學報(信息科學版), 2014, 39(11):1347-1351.

ZHANG Qinghua,SUI Lifen，JIA Xianling,et al.Using Precise PPS Measure for Monitoring GNSS Time offset[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2014,39(11):1347-1351.

[23]JOO J M, CHO J H, HEO M B.Analysis of GPS Galileo Time Offset Effects on Positioning[J]. The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences,2012, 37C(12):1310-1317.

[24]張小紅, 陳興漢, 郭斐. 高性能原子鐘鐘差建模及其在精密單點定位中的應用[J]. 測繪學報, 2015, 44(4): 392-398. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20140287.

ZHANG Xiaohong, CHEN Xinghan, GUO Fei. High-performance Atomic Clock Modeling and Its Application in Precise Point Positioning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(4): 392-398. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20140287.

(責任編輯：張燕燕)

Some Notes on Interoperability of GNSS

YANG Yuanxi1，LU Mingquan2，HAN Chunhao3

1. State Key laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China; 2. Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 3. Beijing Institute of Satellite Navigation, Beijing 100094，China

Abstract：Compatibility and interoperability of GNSS are the hot research issues in international satellite navigation field. It is a requirement for integrated multi GNSS navigation and positioning. The basic concepts of the compatibility and interoperability are introduced and the trend of the interoperability among the GNSS providers is discussed. The status and problems of the frequency interoperability of GPS, BeiDou (BDS), GLONASS and Galileo are analyzed. It is pointed that the frequency interoperability problems will affect the manufacturers and multi GNSS users. The influences of the interoperability problems of the reference coordinate systems are not only resulted from the definitions and realizations of the reference coordinate systems but also from the maintenance and update strategies of the reference systems. The effects of the time datum interoperability and corresponding resolving strategies are also discussed. The influences of the interoperability problems of GNSS are summarized.

Key words：BeiDou; compatibility and interoperability; frequency; coordinate system; time datum

基金項目：國家863計劃(2013AA122501)；國家自然科學基金(41374019)

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：1001-1595(2016)03-0253-07

作者簡介：第一 楊元喜(1956—)，男，博士，研究員，中國科學院院士，主要從事動態(tài)大地測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)處理研究。E-mail： yuanxi_yang@163.com

收稿日期：2015-12-28

引文格式：楊元喜，陸明泉，韓春好.GNSS互操作若干問題[J].測繪學報，2016,45(3)：253-259. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150653.

YANG Yuanxi，LU Mingquan，HAN Chunhao.Some Notes on Interoperability of GNSS[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(3):253-259. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150653.

修回日期： 2016-01-04

First author： YANG Yuanxi(1956—),male , PhD, research fellow,academician of Chinese Academy of Sciences, majors in dynamic geodetic data and satellite navigation date processing.