GNSS互操作若干問題

楊元喜，陸明泉，韓春好

摘要：目的：介紹兼容與互操作的基本概念；分析多GNSS系統(tǒng)互操作的基本趨勢及GNSS四大核心系統(tǒng)信號(hào)互操作的現(xiàn)狀；分析現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）在信號(hào)互操作方面存在的問題；分析坐標(biāo)基準(zhǔn)和坐標(biāo)框架在互操作方面存在的問題及其可能帶來的影響；討論時(shí)間基準(zhǔn)互操作存在的問題，以及可能的解決措施。為GNSS終端研制和多GNSS集成應(yīng)用提供參考。方法：嚴(yán)格采用國際衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)（International Committee on Global Navigation Satellite Systems，ICG）關(guān)于兼容與互操作的定義，即：兼容性是指分別或綜合使用多個(gè)GNSS及增強(qiáng)系統(tǒng)，不會(huì)引起不可接受的干擾，也不會(huì)傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的操作與服務(wù)；互操作是指綜合利用多個(gè)GNSS及其增強(qiáng)系統(tǒng)，能夠在用戶層面比單獨(dú)使用一個(gè)系統(tǒng)獲得更好的服務(wù)，并且不會(huì)給接收機(jī)生產(chǎn)廠商和用戶帶來額外的負(fù)擔(dān)和成本。首先，分析了GNSS信號(hào)互操作性問題?；ゲ僮鲗?duì)不同GNSS系統(tǒng)的信號(hào)的要求是，信號(hào)盡可能地相似，特別是與信號(hào)頻率相關(guān)的特征應(yīng)該高度相似。導(dǎo)航信號(hào)的中心頻點(diǎn)不一致和帶寬不一致，不僅影響系統(tǒng)間的兼容性，實(shí)際上對(duì)互操作性的影響更大。為了研制性能好、功耗低、體積小、成本低的多系統(tǒng)接收設(shè)備，根據(jù)互操作概念，導(dǎo)航信號(hào)參數(shù)應(yīng)盡可能相似，以便更多地共享接收機(jī)中的硬件和軟件。特別是載波頻率、信號(hào)帶寬、調(diào)制方式、多址方式等與信號(hào)頻譜特征密切相關(guān)的主要特性，最好應(yīng)該完全一致。其次，分析了GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)的互操作及其影響。我們將坐標(biāo)系統(tǒng)互操作影響分解成坐標(biāo)系定義的影響、參考橢球場常數(shù)不一致的影響、坐標(biāo)系統(tǒng)更新周期不一致帶來的影響。GNSS的互操作與坐標(biāo)系統(tǒng)的定義有關(guān)，其實(shí)與坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑也有關(guān)，因?yàn)椴煌膶?shí)現(xiàn)方法會(huì)帶來不同的坐標(biāo)誤差；坐標(biāo)系統(tǒng)的互操作與坐標(biāo)系統(tǒng)的更新周期不一致也有關(guān)，因?yàn)榈貧ぷ冃斡绊憛⒖伎蚣茳c(diǎn)坐標(biāo)。此外，我們從各GNSS采用的橢球幾何參數(shù)和物理參數(shù)的差異分析了坐標(biāo)系統(tǒng)不一致產(chǎn)生的影響，尤其是，地球橢球的引力常數(shù)和地球旋轉(zhuǎn)參數(shù)的不一致容易導(dǎo)致衛(wèi)星軌道計(jì)算的差異。最后，分析了GNSS時(shí)間系統(tǒng)的互操作問題。GNSS時(shí)間系統(tǒng)的互操作參數(shù)的影響可根據(jù)誤差性質(zhì)和來源分別進(jìn)行處理。（1）整秒偏差在授時(shí)時(shí)可以直接消除；（2）對(duì)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(shí)，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(shí)間變化，需要通過實(shí)時(shí)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(dǎo)航電文中獲取，或由用戶自身解算，或在雙系統(tǒng)時(shí)差解算中，增加 1個(gè)關(guān)于時(shí)差的未知參數(shù)。結(jié)論：討論了信號(hào)、坐標(biāo)系和時(shí)間系統(tǒng)的不一致對(duì)GNSS互操作的影響。可以看到，在信號(hào)的不一致方面，特使是其頻域特性的差異給多系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，不利于多系統(tǒng)接收機(jī)性能的提高，也不利于功耗、體積、成本的降低。在坐標(biāo)系的不一致方面，多GNSS坐標(biāo)基準(zhǔn)定義相近，但選用的參考橢球常數(shù)存在差異，坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)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(dǎo)致衛(wèi)星廣播星歷 2到數(shù)十米偏差，而坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)誤差、更新周期等差異將首先影響衛(wèi)星軌道，進(jìn)而對(duì)多GNSS用戶產(chǎn)生影響。時(shí)間系統(tǒng)的不一致直接影響多GNSS導(dǎo)航定位和授時(shí)結(jié)果。對(duì)于整數(shù)時(shí)差可以按照系統(tǒng)時(shí)間的基本定義直接改正；對(duì)時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行誤差，則可以在函數(shù)模型中增加待定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)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(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測、評(píng)估，并向用戶發(fā)播改正信息。

來源出版物：測繪學(xué)報(bào), 2016, 45(3): 253-259

入選年份：2016