2019年4月7日GPS周计数将迎来第二次翻转
(2019-03-08 14:26:26)
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GPS运行之初,为了精密导航和测量的需要就建立了专用的时间系统。GPS时由整周计数(WN)和秒计数(TOW)构成。以1980年1月6日世界协调时(UTC)零点开始起算,GPS时最大时间单位是周(一周:604800秒),每1024周为一循环周期。初期在编排导航电文时,可能由于资源紧张或者考虑不够长远,只给整周计数安排了10bit(二进制数),因此周计数会在0-1023区间循环,当GPS周计数达到1024时,导航电文中的周计数数将重置为0并重新开始计数,即GPS周计数翻转。
众所周知的,GPS系统的信号调制方式采用的是码分多址(CDMA)的形式。经典的GPS L1C/A信号中,可以大致分成三个层次,即RF载波,调制伪码和数据波形。此次周计数翻转事件涉及到的电文即是数据波形中数据的汇总,具体来说此次涉及到的WN计数位就于电文中第一子帧(参考下图)。由于卫星广播的电文中将周计数定义(即WN)为10bit(0-1023),核算下来对应的大约是19.7年,而一旦这个周期数字达到1024,GPS电文中将指示周从1024更改为0周,开启下一个循环周期。历史上,上一次周期翻转发生在1999年8月21日,就曾出现过部分GPS接收机误将时间解算时间为1980年1月6日的情况;而预计再下一次的翻转会发生在2038年11月20号。
GPS L1C/A第一子帧定义
说了GPS系统的情况,其他系统的情况如何,也让我们一起来看看。通过研究各个卫星导航系统ICD文件,将全球各大卫星系统周计数翻转情况汇总如下:
GNSS系统 |
GPS |
BDS |
GLONASS |
Galileo |
编码bit数 |
10 |
13 |
基于前苏联莫斯科的协调世界时UTC(SU),并含有跳秒改正 |
12 |
WN范围 |
0-1023 |
0-8191 |
0-4095 |
|
翻转周数(年) |
19.7 |
约160 |
约80 |
|
下次翻转时间 |
2019-04-07 |
约2176年 |
约2079 |
从上表可以看出,GPS作为最早具备完全操作能力(FOC)的系统,在各方面都进行了探索,也为后人积累不少经验。后续的北斗和Galileo都借鉴了相关情况,对WN的bit数进行了扩展,延长了翻转间隔时间。
GPS在后续的信号中,包括L1C,L2C和L5等,为了改善周计数翻转的情况,在新的电文格式(CNAV)中,也将使用13比特字段来表示GPS周数。未来使用13比特字段电文的新GPS接收器在1,024周时期内将不会出现问题。
如何应对此问题,有以下建议:
1、首先,还是要了解自己的授时系统和GPS周计数翻转的影响。由于GPS系统最早投入使用,基于其绝佳的定位和授时功能,在全球范围内广泛应用。目前,在很多基础设施中,像电力,通信和银行等使用的BITS系统的主钟一般都首选GNSS信号授时,这里边估计又有些仅单独参考了GPS信号。如果这类系统在通过GPS时转换UTC时间时,没有完全参考IS-GPS-200规定的内容,那么在翻转点就有可能存在UTC时间错误的情况。
2、在了解自己系统的基础上,还是有必要查看下各个厂家的公示信息,或者直接咨询厂家设备情况。根据小编目前的了解,大部分的产品应该是不存在翻转点风险的,而且相关厂家应该都已经有了应对计划,并且针对可能出现问题的机型出了可升级的软件版本。
3、当然,还有一个更简便的方法,就是用导航模拟器直接就翻转点场景进行测试,从而验证接收机设备能否能应对GPS周翻转,做好预案。