郝爽雨, 畢紅軍, 梁 坤,3

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044；2.浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院,浙江 杭州 310018；3.中國計量科學(xué)研究院 時間頻率計量科學(xué)研究所,北京 100029)

1 引 言

時間頻率傳遞通過時間頻率源之間的比對,進(jìn)行時間和頻率量值的傳遞,是各時間頻率基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和終端用戶內(nèi)部比對及相互聯(lián)系的橋梁。時間頻率傳遞可通過多種技術(shù)實現(xiàn)[1～4],其中GNSS(global navigation satellite system)時間頻率傳遞技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[5～8]。

為統(tǒng)一GNSS時間頻率傳遞的數(shù)據(jù)格式,GPS(global positioning system,全球定位系統(tǒng))時間傳遞標(biāo)準(zhǔn)組GGTTS(the group on GPS time transfer standards)發(fā)布了GPS共視法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式[9],規(guī)定了接收機的數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)格式、跟蹤時刻表的排列等。該標(biāo)準(zhǔn)僅支持GPS衛(wèi)星系統(tǒng),之后又制定了兼容GPS及GLONASS(global navigation satellite system,格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))系統(tǒng)的CGGTTS(common generic GNSS time transfer standard,全球衛(wèi)星導(dǎo)航時間傳遞標(biāo)準(zhǔn))V02版本[10],截至目前已擴展為支持多衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS通用時間傳遞標(biāo)準(zhǔn)版本2E(CGGTTS V2E)[11～13]。在不同版本中,數(shù)據(jù)周期均規(guī)定為16 min。每個周期內(nèi)的前2 min用于捕捉衛(wèi)星,最后1 min等待,中間13 min跟蹤衛(wèi)星。即每16 min里有3 min不生成測量數(shù)據(jù),一天有超過4 h不生成測量數(shù)據(jù),在長時間的時間頻率傳遞實驗中,該數(shù)據(jù)量相當(dāng)可觀,既浪費了時間又降低了測量效率。因此可以對CGGTTS算法進(jìn)行改進(jìn)以節(jié)省時間、提高測量效率[14]。

本文將原CGGTTS數(shù)據(jù)周期中的捕捉衛(wèi)星及等待的過程省略,將全部16 min時間用于測量數(shù)據(jù)生成單站時間傳遞結(jié)果。實驗證明,將測量數(shù)據(jù)使用率提高后,鏈路噪聲減小。同時,為了提高數(shù)據(jù)的實時性,對數(shù)據(jù)周期進(jìn)行縮短,分別生成不同間隔的數(shù)據(jù)文件,最終通過實驗確定最優(yōu)的數(shù)據(jù)間隔。

2 CGGTTS算法改進(jìn)原理

2.1 CGGTTS算法介紹

以V02版本的CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)為例,如圖1所示,算法規(guī)定時刻表的數(shù)據(jù)周期為16 min。每16 min中13 min為跟蹤時間,2 min捕捉衛(wèi)星時間及1 min等待。在13 min的跟蹤時間內(nèi),將1 s間隔的偽距測量數(shù)據(jù)分組為15 s的數(shù)據(jù)塊,使用二次曲線擬合對每個15 s的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行平滑處理及延遲修正,得到52組擬合的二次曲線。再對52個二次曲線的中點進(jìn)行線性擬合,曲線中點為該周期的時差結(jié)果[15]。

圖1 CGGTTS數(shù)據(jù)處理

目前的CGGTTS算法數(shù)據(jù)使用率僅為81%,且數(shù)據(jù)間隔固定,無法根據(jù)用戶需求調(diào)整數(shù)據(jù)間隔以滿足時間傳遞用戶對于實時性更高的要求,因此需要對算法進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

2.2 改進(jìn)的CGGTTS算法

改進(jìn)的CGGTTS算法將原本鎖定衛(wèi)星及等待時間的過程省略,將整個16 min周期用于測量數(shù)據(jù)。同時縮短數(shù)據(jù)間隔,提高數(shù)據(jù)的實時性,如5、8、10 min等。具體算法如圖2所示,其中n代表根據(jù)用戶需求選定的數(shù)據(jù)周期。整段數(shù)據(jù)時長為n×60 s,每15 s分為一個數(shù)據(jù)塊,分別根據(jù)最小二乘法進(jìn)行二次曲線擬合如式(1):

圖2 改進(jìn)的CGGTTS算法

y=ax2+bx+c

(1)

取每個數(shù)據(jù)塊二次擬合曲線的中點得到n×4個擬合數(shù)據(jù)。對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法一次曲線擬合得到最終的REFSYS時差值,如式(2):

y=ax+b

(2)

數(shù)據(jù)周期n可靈活設(shè)定為5、8、10等任意值。

3 驗證實驗

實驗方案如圖3所示。首先采集接收機某一天內(nèi)所有衛(wèi)星的原始P3碼數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)間隔為1 s。設(shè)定衛(wèi)星號PRN初始值為1,數(shù)據(jù)文件間隔為nmin。判斷當(dāng)前衛(wèi)星號是否小于32,若衛(wèi)星號小于32,則繼續(xù)判斷該衛(wèi)星是否有數(shù)據(jù)。若該衛(wèi)星沒有數(shù)據(jù),則將衛(wèi)星號加1后,返回上一級。否則,將按照改進(jìn)的CGGTTS算法對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)以15 s為間隔進(jìn)行分組并進(jìn)行二次擬合,形成新的數(shù)據(jù)集。將二次擬合后的數(shù)據(jù)集通過一次線性擬合,得到該衛(wèi)星在該時間段的單站時差。計算結(jié)束后繼續(xù)將衛(wèi)星號加1。當(dāng)衛(wèi)星號大于32時,所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理完畢,將數(shù)據(jù)按照衛(wèi)星號及時刻表進(jìn)行排序。計算PRN、MJD、STTIME、TRKL等參數(shù),下面簡單介紹部分參數(shù)。PRN為衛(wèi)星編號,范圍為1～32。MJD為約化儒略日(Modified Julian Day),其與儒略日(Julian Day, JD)的關(guān)系為:

MJD=JD-2 400 000.5

(3)

式中JD可根據(jù)以下公式計算得到:

JD=int(364.25×Y)+int[30.6001×(m+1)]+

D+H/24+1 720 981.5

(4)

STTIME為每個周期跟蹤衛(wèi)星的起始時刻。TRKL為每個周期內(nèi)衛(wèi)星跟蹤時長。ELV為實際跟蹤時長中點所對應(yīng)的衛(wèi)星仰角。AZTH為實際跟蹤時長中點所對應(yīng)的衛(wèi)星方位角。MDTR為實際跟蹤時長中點處對流層引入的傳播延時。

將生成的時差數(shù)據(jù)及接收機相關(guān)信息等按照CGGTTS文件格式要求寫入到對應(yīng)接收機的數(shù)據(jù)文件中。按照改進(jìn)的CGGTTS算法生成的5 min間隔數(shù)據(jù)文件如圖4所示。最后使用生成的CGGTTS文件進(jìn)行時頻傳遞實驗。調(diào)整數(shù)據(jù)文件間隔n并重復(fù)上述步驟,可以驗證不同數(shù)據(jù)間隔下時頻傳遞效果。

圖4 改進(jìn)的CGGTTS文件示例

時間頻率傳遞實驗分為共鐘差(common clock difference,CCD)及非共鐘差實驗,實驗結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。共鐘差實驗中兩臺時間傳遞接收機通過分配放大器接入同一個外部時間頻率參考源,同時工作并測量本地時間頻率標(biāo)準(zhǔn)與GNSS系統(tǒng)的時差數(shù)據(jù),最后兩接收機測量的數(shù)據(jù)作差。非共鐘差實驗中兩臺接收機需分別接入不同的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)。由于共鐘差實驗中接收機的參考信號相同,消除了時間頻率源的影響,更好地反映鏈路噪聲情況,而非共鐘差實驗比對數(shù)據(jù)則既包含鏈路噪聲,又包含時間頻率源的波動特性。

圖5 實驗結(jié)構(gòu)圖

本文實驗中采用的接收機為中國計量科學(xué)研究院(NIM)自主研制的NIM-TF-GNSS-3 GNSS時間頻率傳遞接收機,可以接收GPS、BDS(beidou navigation satellite system,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、GLONASS、Galileo(伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))等多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號,生成Rinex(receiver independent exchange format,與接收機無關(guān)的交換格式)、CGGTTS等格式數(shù)據(jù)。實驗所用接收機信息如表1所示,其中“基線長度”表示各接收機與NIM(昌平院)TF11接收機之間的基線長度。

表1 接收機列表

4 實驗及結(jié)果

4.1 13/16 min數(shù)據(jù)與16/16 min數(shù)據(jù)比對

實驗選定數(shù)據(jù)周期為16 min,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件使用13 min測量數(shù)據(jù)計算時差值,而改進(jìn)的數(shù)據(jù)文件使用16 min測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,通過不同時頻傳遞實驗驗證提高測量數(shù)據(jù)使用率后的時間傳遞效果。

選擇接收機IM15和TF11進(jìn)行共鐘差實驗,實驗時間為MJD 59012-MJD 59022。實驗結(jié)果如圖6所示,圖中“13/16 min”代表采用周期為16 min,測量數(shù)據(jù)時長為13 min的數(shù)據(jù)文件實驗結(jié)果,同樣地,“16/16 min”代表采用周期與測量數(shù)據(jù)時長均為16 min的數(shù)據(jù)文件實驗結(jié)果。為了便于觀察,對時差曲線進(jìn)行了平移,“+2 ns”代表將曲線向上平移2 ns。當(dāng)數(shù)據(jù)周期為16 min,測量數(shù)據(jù)時長為13 min時,數(shù)據(jù)使用效率僅為81%。而改進(jìn)后的數(shù)據(jù)文件測量時長與數(shù)據(jù)周期相等,數(shù)據(jù)使用率為100%,相比原始算法提高19%。由時差圖可以看出測量數(shù)據(jù)時長為16 min的比對結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差比13 min的比對結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差減小6%,比對數(shù)據(jù)噪聲降低；從時間穩(wěn)定度曲線可以看到采用16 min測量數(shù)據(jù)的比對結(jié)果在不同采樣時間均有所提高。

圖6 IM15-TF11比對結(jié)果

選擇接收機IM07與IM14進(jìn)行超短基線非共鐘差實驗,將其分別接入不同的參考時鐘,時間為MJD 58905-MJD 58919。比對結(jié)果中除鏈路噪聲外,還包含鐘的噪聲。為了便于觀察采用16 min測量數(shù)據(jù)對GNSS鏈路噪聲的改善情況,需要將比對結(jié)果中本地時間頻率源的影響進(jìn)行消除。相比碼時間傳遞,載波相位時間傳遞頻率具有更高的測量精度[16],因此可將GNSS共視法比對結(jié)果與載波相位時間傳遞結(jié)果相減,從而減小參考源的影響。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 IM07-IM14比對結(jié)果

從圖7中可以看到采用16 min測量數(shù)據(jù)后,標(biāo)準(zhǔn)差減小3%,比對數(shù)據(jù)噪聲降低；從TDEV(Time Deviation, 時間偏差)曲線可以看到當(dāng)采樣時間小于30 000 s及大于60 000 s時,采用16 min測量數(shù)據(jù)的比對結(jié)果穩(wěn)定度優(yōu)于13 min。

選擇接收機TS13與TF11進(jìn)行長基線實驗,實驗時間為MJD 59100-MJD 59110。同樣,將GNSS共視法比對結(jié)果與載波相位時間傳遞結(jié)果相減。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 TS13-TF11比對結(jié)果

從圖中可以看到采用16 min測量數(shù)據(jù)后,標(biāo)準(zhǔn)差減小5%；從TDEV曲線可以看到當(dāng)采樣時間小于20 000 s,采用16 min測量數(shù)據(jù)的比對結(jié)果穩(wěn)定度略微優(yōu)于13 min。

4.2 不同間隔CGGTTS文件時間傳遞實驗

縮短數(shù)據(jù)周期可以增加比對結(jié)果的實時性,便于用戶更快地監(jiān)測到數(shù)據(jù)的異常情況。但是數(shù)據(jù)間隔減小時,數(shù)據(jù)平滑時間減小,導(dǎo)致比對結(jié)果的噪聲性能變差,因此需要通過實驗選取合適的數(shù)據(jù)間隔。

使用IM15、TF11及TS13站點原始測量數(shù)據(jù)分別生成數(shù)據(jù)周期為5 min、8 min、10 min、13 min及16 min的CGGTTS文件,測量數(shù)據(jù)時長與數(shù)據(jù)周期相等。使用不同間隔的數(shù)據(jù)文件的分別進(jìn)行IM15-TF11共鐘差實驗及基線長度為1 832 km 的TS13-TF11長基線實驗,結(jié)果如圖9及表2所示。其中,TS13-TF11比對處理與上一節(jié)類似,將不同間隔GNSS比對結(jié)果與載波相位時間傳遞結(jié)果相減。為選取合適的數(shù)據(jù)間隔,繪制不同間隔數(shù)據(jù)文件實時性、噪聲性能、數(shù)據(jù)量變化情況如圖10所示,并在表2中列出這些關(guān)鍵參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。圖10中使用的數(shù)據(jù)文件為數(shù)據(jù)使用率為100%的改進(jìn)的CGGTTS文件。

圖9 不同間隔CGGTTS文件時間傳遞結(jié)果

結(jié)合圖10及表2可以看到,實時性變化情況圖反映了不同數(shù)據(jù)間隔文件相比于13/16 min標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件的實時性提高率,計算公式如下:

圖10 關(guān)鍵參數(shù)變化情況

表2 關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計

提高率=(數(shù)據(jù)間隔-16)/16

(5)

提高率與數(shù)據(jù)間隔呈線性關(guān)系,數(shù)據(jù)間隔越小,實時性越強。在數(shù)據(jù)間隔為5 min時,實時性提高率最大可達(dá)到近70%。

噪聲變化情況主要通過比對結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的變化體現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)差越大,噪聲性能越差。共鐘差實驗的標(biāo)準(zhǔn)差在(5～8)min、(8～13)min及(13～16)min區(qū)間時,標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度分別為0.03 ns·min-1、0.02 ns·min-1、0.01 ns·min-1。而長基線實驗在(5～10)min、(10～16)min間隔內(nèi)時,標(biāo)準(zhǔn)差增速分別為0.02 ns·min-1、0.01 ns·min-1。因此,考慮噪聲變化情況,選擇數(shù)據(jù)間隔為8～16 min合適。

數(shù)據(jù)量變化情況圖為平均每日數(shù)據(jù)量變化情況,數(shù)據(jù)量與文件所占用內(nèi)存數(shù)量密切相關(guān),數(shù)據(jù)間隔太小會導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件占用內(nèi)存過多,給用戶帶來額外的負(fù)擔(dān)。從圖中可以看到,數(shù)據(jù)間隔從16 min減小到8 min時,數(shù)據(jù)量增加約為600～800個,從8 min減小到5 min數(shù)據(jù)量增加800～1000個點。5、8、10、13、16 min間隔所對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件大小分別為258、160、127、97、77 kB。因此,考慮數(shù)據(jù)量變化情況,8～16 min間隔合適。

運算量變化情況為生成一天特定間隔的數(shù)據(jù)文件所需運算量的統(tǒng)計,包括從原始數(shù)據(jù)文件中讀取原始1 s間隔衛(wèi)星數(shù)據(jù)、對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合運算及一次擬合運算及將最終的時差數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)文件的過程,數(shù)據(jù)間隔與運算量近似指數(shù)關(guān)系。與數(shù)據(jù)量變化情況相似,數(shù)據(jù)間隔從16 min減小到8 min時運算量增加量約1500次。而從8 min縮減為5 min時,運算量增加超1700次。改進(jìn)的CGGTTS文件運算量相比原始接收機數(shù)據(jù)量增加約15萬次,主要是由于改進(jìn)的CGGTTS算法中原始測量數(shù)據(jù)量增加,讀取數(shù)據(jù)次數(shù)增加。因此,考慮運算量變化情況,選擇8～16 min間隔合適。

綜合考慮以上因素,當(dāng)數(shù)據(jù)間隔為5 min時,雖然實時性提高率達(dá)69%,但噪聲均達(dá)到最大值0.89 ns,數(shù)據(jù)量為13/16 min標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)量的3.3倍,運算量增加15.2萬次,會給用戶計算機數(shù)據(jù)處理及存儲帶來挑戰(zhàn)。在8～13 min間隔內(nèi),實時性提高18%以上,共鐘差實驗噪聲水平保持在(0.71～0.81)ns,長基線實驗噪聲水平保持在(0.75～0.84)ns,數(shù)據(jù)量最大為標(biāo)準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)量的2倍,運算量增量約15萬次。因此,相較而言8至13 min間隔是一種比較折中的考慮。

5 結(jié) 論

本文簡單介紹了CGGTTS算法原理。為了避免算法中的數(shù)據(jù)浪費、提高實時性,對CGGTTS算法進(jìn)行改進(jìn)。將數(shù)據(jù)周期內(nèi)全部測量數(shù)據(jù)用于計算時差值,同時縮短數(shù)據(jù)間隔,提高實時性。實驗證明,改進(jìn)的CGGTTS算法數(shù)據(jù)使用率提高至100%,相比原始算法提高19%,噪聲性能最大可改善6%。由于短期數(shù)據(jù)量增加,鏈路噪聲平均效果提高,因此比對數(shù)據(jù)短期穩(wěn)定度提高。分別生成5、8、10、13、16 min數(shù)據(jù)文件進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn),縮短數(shù)據(jù)間隔后,數(shù)據(jù)平滑時間減小,數(shù)據(jù)噪聲隨之增加。數(shù)據(jù)間隔縮減為5 min時,相比與標(biāo)準(zhǔn)CGGTTS文件,實時性提高69%,噪聲性能在共鐘差實驗中惡化27%,長基線實驗中惡化17%。最后綜合分析不同間隔數(shù)據(jù)文件實時性、標(biāo)準(zhǔn)差、數(shù)據(jù)量及運算量變化情況,得到8～13 min間隔是一種折中的選擇,改進(jìn)的CGGTTS算法共鐘差實驗噪聲水平保持在(0.70～0.80)ns,非長基線實驗噪聲水平保持在(0.75～0.83)ns。