劉裔文,劉承禹

(1.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107;2.火箭軍裝備研究院,北京102206)

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一種利用信號(hào)模擬器測(cè)定GNSS接收機(jī)硬件時(shí)延的方法

劉裔文1,劉承禹2

(1.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107;2.火箭軍裝備研究院,北京102206)

硬件時(shí)延是利用GNSS雙頻信標(biāo)測(cè)量電離層總電子含量過(guò)程中非常重要的誤差源,本文提出一種基于GNSS信號(hào)模擬器模擬TEC測(cè)量來(lái)間接測(cè)定接收機(jī)硬件時(shí)延的方法。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本方法可以有效測(cè)定GNSS接收機(jī)硬件時(shí)延,且可以準(zhǔn)確獲得各通道的硬件時(shí)延信息。對(duì)某GNSS接收機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示,其GPS接收通道平均硬件時(shí)延為16.067 ns,估計(jì)精度約0.14 ns。本方法對(duì)GNSS接收機(jī)性能評(píng)估、硬件時(shí)延標(biāo)定等具有重要意義。

GNSS;硬件時(shí)延;模擬器

0 引 言

GNSS硬件時(shí)延(即差分碼偏差(DCB))主要包含發(fā)射端硬件時(shí)延(TGD)和接收端硬件時(shí)延(又稱儀器偏差(IFB))兩部分[1]。GNSSDCB是利用GNSS雙頻信標(biāo)測(cè)量電離層總電子含量(TEC)的重要的誤差源,其最大影響可達(dá)百TECU量級(jí)。目前,求解硬件時(shí)延最常用的方法是借助電離層模型將發(fā)射端和接收端硬件時(shí)延偏差當(dāng)作一個(gè)未知數(shù)進(jìn)行求解,但是,這種方法受估計(jì)中采用的電離層模型精度限制,當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)量不足或存在電離層擾動(dòng)時(shí),接收機(jī)DCB的解算精度會(huì)嚴(yán)重降低[2]。而且,這種方法得到的衛(wèi)星和接收機(jī)硬件時(shí)延均存在一個(gè)未知偏差,難以將兩者做到絕對(duì)分離。本文基于GNSS信號(hào)模擬器和導(dǎo)航星歷中播發(fā)的TGD值,探討了一種精確測(cè)定接收機(jī)硬件時(shí)延的方法,并開(kāi)展了半實(shí)物仿真模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 測(cè)定方法

利用GNSS雙頻信標(biāo)測(cè)量TEC主要有兩種技術(shù)手段,一種是基于差分載波相位技術(shù),這種方法測(cè)量TEC的靈敏度或分辨率很高,但是測(cè)量不出TEC的絕對(duì)值,因此稱為相對(duì)TEC測(cè)量;另一種是通過(guò)差分群時(shí)延技術(shù),這種方法靈敏度較差,但是可以測(cè)量TEC的絕對(duì)值,因此稱為絕對(duì)TEC測(cè)量,DCB對(duì)電離層TEC測(cè)量的影響主要體現(xiàn)在絕對(duì)TEC測(cè)量中。

本文提出一種基于模擬TEC測(cè)量間接測(cè)定接收機(jī)硬件時(shí)延的方法。GNSS信號(hào)模擬器內(nèi)置電離層模型,在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以給出模擬TEC,本方法將這一模擬TEC作為參考值,將接收機(jī)接收模擬信號(hào)獲取的TEC測(cè)量值作為帶偏差的實(shí)測(cè)值,偏差主要由衛(wèi)星TGD和接收機(jī)IFB構(gòu)成;而衛(wèi)星TGD在作為模擬器輸入的星歷文件中可以準(zhǔn)確讀取出來(lái),廣播的TGD值由實(shí)際接收的星歷或后處理結(jié)果提供(如IGS提供的衛(wèi)星TGD結(jié)果)[3-4]。因此,根據(jù)模型參考TEC和星歷中的TGD,可以獨(dú)立求解接收機(jī)IFB值,其計(jì)算式為

(TECmeasure-TECref)-TGD,

(1)

式中：m1=154、m2=120;f0為基準(zhǔn)載波頻率;c為光速;TECmeasure為實(shí)測(cè)TEC;TECref為參考TEC;IFB為接收機(jī)硬件時(shí)延;TGD為衛(wèi)星硬件時(shí)延。需要注意的是,為了避免偽距測(cè)量誤差對(duì)絕對(duì)TEC測(cè)量的影響,本文采用相位平滑偽距方法獲取TECmeasure值,這一處理可將偽距誤差引起的TEC測(cè)量誤差降低至0.01TECU,可忽略不計(jì)。

圖1示出了利用GNSS信號(hào)模擬器進(jìn)行接收機(jī)硬件時(shí)延測(cè)定的流程。首先,向GNSS信號(hào)模擬器輸入星歷、接收點(diǎn)坐標(biāo)、時(shí)間、電離層參數(shù)等信息。模擬器根據(jù)輸入文件和參數(shù)產(chǎn)生模擬信號(hào),該信號(hào)雙頻偽碼信息中已疊加電離層延時(shí)和衛(wèi)星TGD.其中,電離層時(shí)延由內(nèi)置電離層模型得到,體現(xiàn)在TECref中。然后,接收機(jī)接收模擬器發(fā)射的模擬信號(hào),雙頻偽距信息將進(jìn)一步疊加接收機(jī)硬件時(shí)延。最后,從實(shí)測(cè)帶偏差的TEC中扣除內(nèi)置模型給出的電離層延時(shí)和衛(wèi)星TGD信息,即可獲取接收機(jī)硬件時(shí)延信息。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述方法,基于2015年12月16日GPS星歷文件,對(duì)某GNSS接收機(jī)中的硬件時(shí)延進(jìn)行了測(cè)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。測(cè)試結(jié)果顯示,該接收機(jī)各通道的硬件時(shí)延總體上差別不大,但11、12通道的IFB值比其它通道IFB值低約0.2～0.3 ns,各通道的平均硬件時(shí)延為16.067 ns,對(duì)應(yīng)的TEC測(cè)量誤差約為46 TECU?？梢钥闯?通過(guò)本方法不僅可以獨(dú)立測(cè)得接收機(jī)硬件時(shí)延,還可以得到各通道的硬件時(shí)延信息。

基于圖2測(cè)定的該型GNSS接收機(jī)接收通道硬件時(shí)延信息,選取2016年05月29日GPS星歷作為模擬器輸入,進(jìn)一步開(kāi)展了半實(shí)物仿真模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)本測(cè)定方法的效果進(jìn)行檢驗(yàn)及精度評(píng)估。

圖3和圖4分別示出了模擬器輸出的各衛(wèi)星信號(hào)路徑上的參考STEC及接收機(jī)輸出的帶偏差的STEC曲線,可以看出,衛(wèi)星TGD和接收機(jī)IFB引起的TEC測(cè)量誤差最大可達(dá)約80 TECU,且不同衛(wèi)星偏差存在明顯差異,若不修正將無(wú)法進(jìn)一步獲取垂直TEC等信息。

對(duì)圖4結(jié)果進(jìn)一步處理,基于圖2中測(cè)定的接收機(jī)各通道硬件時(shí)延,以及從2016年5月29日GPS星歷中獲取的準(zhǔn)確已知的各衛(wèi)星硬件時(shí)延,可以扣除STEC測(cè)量中的主要偏差,從而得到修正后的STEC,修正效果如圖5所示。從圖5可以看出,兩組曲線非常吻合,表明本方法測(cè)定的接收機(jī)硬件時(shí)延可靠性較好,精度較高。

利用圖5中的兩組曲線,可以進(jìn)一步估計(jì)得到本次實(shí)驗(yàn)對(duì)該型接收機(jī)硬件時(shí)延的測(cè)定精度。對(duì)于接收機(jī)某一通道而言,在同一天可能接收不同衛(wèi)星的信號(hào),因此估計(jì)中需要將該通道測(cè)得的所有衛(wèi)星的TEC均參與精度估計(jì),最后得到該通道均方偏差值,結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示,估計(jì)得到的接收機(jī)各通道硬件時(shí)延均方偏差最大值約0.17 ns,所有通道平均均方偏差為0.14 ns,對(duì)應(yīng)的TEC誤差從約46 TECU降至約為0.4 TECU。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于信號(hào)模擬器模擬TEC測(cè)量來(lái)間接測(cè)定GNSS接收機(jī)硬件時(shí)延的方法,該方法可以對(duì)接收機(jī)硬件時(shí)延進(jìn)行獨(dú)立精確測(cè)量,且可以得到不同通道的硬件時(shí)延信息。通過(guò)半實(shí)物仿真模擬實(shí)驗(yàn)表明,本方法測(cè)量的接收機(jī)硬件時(shí)延精度較高,對(duì)本文所選的GNSS接收機(jī)接收通道硬件時(shí)延的平均硬件時(shí)延為16.067 ns,估計(jì)精度約0.14 ns.本文方法可用于GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估、以及硬件時(shí)延標(biāo)定等,對(duì)提升GNSS電離層測(cè)量精度具有重要意義。

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A Method of Estimating DCB of the GNSS Receiver by Using the Signal Simulator

LIU Yiwen1,LIU Chengyu2

(1.ChinaResearchInstituteofRadioWavePropagation,Qingdao266107,China; 2.RocketArmamentResearchInstitute,Beijing102206,China)

DCB is the main error term while measuring the total electron content of the ionosphere based on the GNSS dual-frequency beacons. A method is proposed in this paper to estimate the GNSS receiver DCB by measuring the simulated TEC from GNSS simulator. Hardware-in-the-loop experiment has been carried out to test the validity of the proposed method. The results show that the average DCB of the tested GNSS receiver was about 16.067ns with the accuracy of about 0.14ns. It proves the effectiveness of the presented method, which could be a useful way in GNSS receiver performance evaluation and calibration.

GNSS; receiver DCB; simulator

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.015

2017-02-27

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0074-04

劉裔文 (1986-),男,江西豐城人,工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層電波傳播。

劉承禹 (1983-),男,遼寧人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、電子對(duì)抗應(yīng)用等。

聯(lián)系人: 劉裔文E-mail:dun.l@163.com