北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端時(shí)延標(biāo)定方法

謝維華,陳娉娉,孔敏

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端時(shí)延標(biāo)定方法

謝維華,陳娉娉,孔敏

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

摘要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端時(shí)延標(biāo)定準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到用戶終端的定時(shí)精度,因此用戶終端在出廠前和進(jìn)行定時(shí)精度測試時(shí)必須進(jìn)行整機(jī)時(shí)延標(biāo)定。本文研究分析了絕對時(shí)延和相對時(shí)延兩種衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端時(shí)延標(biāo)定方案,針對無秒脈沖輸入(1 PPS)接口的北斗用戶終端,提出了整機(jī)標(biāo)定和分段標(biāo)定兩種絕對時(shí)延標(biāo)定方法．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這兩種標(biāo)定方法的誤差不確定度優(yōu)于2 ns,滿足北斗定時(shí)用戶終端時(shí)延標(biāo)定5 ns指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);用戶終端;時(shí)延;標(biāo)定

0引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)用戶終端利用北斗RNSS導(dǎo)航信號來進(jìn)行高精度時(shí)間測量,為國防、通信、交通、電力、金融等應(yīng)用領(lǐng)域提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)。不同廠家生產(chǎn)的用戶終端,由于采用不同的硬件和數(shù)據(jù)處理算法,設(shè)備時(shí)延的差別很大。即使同一廠家的同一批產(chǎn)品,也會因?yàn)閭€(gè)體差異而設(shè)備時(shí)延不同。若無法精確測量用戶終端時(shí)延,會造成用戶終端的定時(shí)結(jié)果有較大偏差,無法滿足用戶對高精度時(shí)間同步的使用需求。因此用戶終端在出廠前必須進(jìn)行時(shí)延標(biāo)定,通常要求用戶終端時(shí)延的標(biāo)定精度比授時(shí)精度高1個(gè)數(shù)量級,即5 ns.

衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端時(shí)延標(biāo)定通常分為相對標(biāo)定和絕對標(biāo)定兩種方法。相對標(biāo)定方法主要是測量兩臺用戶終端之間的時(shí)延差,即采用與絕對時(shí)延已知的參考用戶終端進(jìn)行比對的方法進(jìn)行標(biāo)定,該方法簡單易行,但需要已知參考用戶終端的絕對時(shí)延。用戶終端絕對時(shí)延是指從用戶終端天線接收信號到用戶終端輸出秒脈沖信號(1 PPS)之間的電延遲。因此用戶終端絕對時(shí)延主要包括用戶終端內(nèi)部時(shí)延、天線及電纜時(shí)延等。用戶終端絕對時(shí)延可通過接收實(shí)際衛(wèi)星信號并以GNSS系統(tǒng)時(shí)間為參考的方法進(jìn)行標(biāo)定[1]。該方法不僅需要GNSS系統(tǒng)時(shí)間作為參考,還易受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘、大氣延遲、多路徑等誤差影響,因此在實(shí)際中一般采用模擬信號源進(jìn)行標(biāo)定。模擬信號源模擬衛(wèi)星信號,用戶終端利用仿真信號進(jìn)行定時(shí),并輸出1 PPS與模擬信號源時(shí)間進(jìn)行比較,可獲得用戶終端絕對時(shí)延。該方法由于測試場景可重復(fù)、且不受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘、大氣延遲、多路徑等誤差影響,是目前常用的一種方法。文獻(xiàn)[2]利用時(shí)延已知的天線來進(jìn)行待測天線時(shí)延標(biāo)定,但沒有給出已知天線的時(shí)延標(biāo)定方法。文獻(xiàn)[3]～[6]提出利用GPS信號源對Ashtech Z12T和Septentrio PolaRx2進(jìn)行絕對時(shí)延標(biāo)定的方案,不過該方案要求接收機(jī)可同時(shí)接入外部同源的10 MHz和1 PPS信號。文獻(xiàn)[7]基于兩個(gè)天線時(shí)延相同的假設(shè)來進(jìn)行時(shí)延標(biāo)定。本文針對無秒脈沖(1 PPS)輸入接口的BDS用戶終端,提出一種利用模擬信號源進(jìn)行絕對時(shí)延標(biāo)定的方法,為北斗定時(shí)用戶終端在高精度時(shí)間同步領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1絕對時(shí)延標(biāo)定誤差分析

用戶終端絕對時(shí)延主要包括用戶終端內(nèi)部時(shí)延、天線及電纜時(shí)延等,因此用戶終端絕對時(shí)延標(biāo)定的不確定度主要受到模擬信號源的校準(zhǔn)不確定度和測距精度、RF和1 PPS鏈路時(shí)延的不確定度、用戶終端晶振的穩(wěn)定度、用戶終端時(shí)鐘的分辨率以及測量儀器的不確定度等因素的影響。

模擬信號源生成的射頻信號和1 PPS參考信號到達(dá)用戶終端時(shí),測距碼的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)與1 PPS上升沿的過零點(diǎn)之間存在時(shí)延差,簡稱TtC延遲(tickto-code),可通過高速示波器測量出來,如圖1所示。TtC延遲可校準(zhǔn)單元在模擬信號源每次開機(jī)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)不確定度一般優(yōu)于0.2 ns[2].另外,信號源輸出的偽距是精確已知的,其精度約為1 ns.

圖1　模擬信號源輸出的射頻信號與1 PPS信號之間的延遲

RF射頻電纜和1 PPS電纜的時(shí)延可通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定的不確定度優(yōu)于0.5 ns.各種轉(zhuǎn)接頭的時(shí)延不確定度在0.1 ns以內(nèi)。

用戶終端通常采用較便宜的溫補(bǔ)晶振(TCXO),TCXO的穩(wěn)定度會因溫度改變和受到振動而發(fā)生變化,在1 s內(nèi)其漂移率可達(dá)30 ns.若采用短穩(wěn)達(dá)1.3×10-13/s的時(shí)鐘單元(含超恒溫晶振)提供的基準(zhǔn)頻率來驅(qū)動用戶終端,則由基準(zhǔn)頻率漂移引起的用戶終端時(shí)延標(biāo)定誤差可忽略不計(jì)。

北斗用戶終端時(shí)鐘頻率是62 MHz,其分辨率約16 ns,因此用戶終端輸出的1 PPS信號含有16 ns以內(nèi)的截?cái)嗾`差。若采用時(shí)鐘單元提供的基準(zhǔn)頻率,多次測量取均值,則由時(shí)鐘分辨率引起的用戶終端時(shí)延標(biāo)定誤差可小于1 ns.

用戶終端絕對時(shí)延標(biāo)定過程中,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器(TIC)用于測量1 PPS比對結(jié)果,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA)用于測量天線或電纜時(shí)延,兩者的測量不確定度均優(yōu)于0.5 ns.

2用戶終端絕對時(shí)延標(biāo)定方法

用戶終端的絕對時(shí)延一般分為用戶終端內(nèi)部時(shí)延、天線時(shí)延和電纜時(shí)延三部分,可采用整機(jī)標(biāo)定方法或分段標(biāo)定方法來進(jìn)行標(biāo)定。

2.1整機(jī)標(biāo)定方法

整機(jī)無線標(biāo)定方法即測量出時(shí)標(biāo)從天線口面到整機(jī)時(shí)標(biāo)脈沖輸出端的整體時(shí)延,如圖2所示。

圖2　北斗定時(shí)用戶終端整機(jī)無線標(biāo)定方法示意圖

整機(jī)無線標(biāo)定由于是在微波暗室中進(jìn)行,不易受其他電磁波信號特別是多徑的影響,所以用戶終端絕對時(shí)延標(biāo)定可以獲得很高的精度。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的測量數(shù)值扣除4根線纜時(shí)延、空間距離時(shí)延以及時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器本身時(shí)延后,即用戶終端絕對時(shí)延。多次測量求均值,可進(jìn)一步減小測量隨機(jī)誤差影響。

整機(jī)無線標(biāo)定方法操作簡單易行,但靈活性較差,用戶終端一旦更換天線或電纜,整機(jī)絕對時(shí)延就需要重新標(biāo)定。

2.2分段標(biāo)定方法

分段標(biāo)定法是對天線時(shí)延、電纜時(shí)延和用戶終端內(nèi)部時(shí)延分別進(jìn)行標(biāo)定,最后合計(jì)出整機(jī)的絕對時(shí)延。

2.2.1天線時(shí)延標(biāo)定

1) 無源天線時(shí)延標(biāo)定

無源天線時(shí)延標(biāo)定方法如圖3所示。首先,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出兩根電纜的時(shí)延;其次,在暗室內(nèi)測量兩個(gè)天線和傳播空間總時(shí)延,扣除兩根電纜、發(fā)射天線(為標(biāo)準(zhǔn)天線,時(shí)延已知)、空間距離的時(shí)延,即為接收天線時(shí)延。

圖3　無源天線時(shí)延標(biāo)定方法示意圖

標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)延的標(biāo)定是關(guān)鍵。若標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)延已知,即可直接標(biāo)定待測天線;若標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)延未知,則必須先標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)延。本文提出一種采用三個(gè)性能穩(wěn)定、時(shí)延未知的無源天線A、B、C作為待測對象,來確定標(biāo)準(zhǔn)天線的時(shí)延方法。

按圖3所示進(jìn)行連接,可獲得天線A和天線B的時(shí)延和為X

A+B=X.

(1)

同樣,在置換天線后,分別可以測得:

A+C=Y,

(2)

B+C=Z,

(3)

由式(1)、(2)和(3)可計(jì)算得到每個(gè)天線的時(shí)延

(4)

通過上述方法,可以獲得三個(gè)天線的時(shí)延。它們都可以用作標(biāo)準(zhǔn)天線,來標(biāo)定其他待測天線的時(shí)延。

2) 有源天線時(shí)延標(biāo)定

有源天線時(shí)延標(biāo)定方法如圖4所示。與無源天線標(biāo)定方法類似,將無源標(biāo)準(zhǔn)天線作為發(fā)射天線,有源天線作為接收天線,主要區(qū)別是需要增加一個(gè)饋電模塊,隔離直流信號,使其不能輸入到測試系統(tǒng),但同時(shí)又能給用戶終端有源天線供電。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量獲得發(fā)射天線和接收天線的總時(shí)延,扣除發(fā)射天線時(shí)延,即為有源天線時(shí)延。

圖4有源天線時(shí)延標(biāo)定示意圖

饋電模塊的時(shí)延不確定度小于0.1 ns.經(jīng)計(jì)算,有源天線時(shí)延標(biāo)定的不確定度為

2.2.2線纜時(shí)延標(biāo)定

天線線纜的時(shí)延標(biāo)定采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行,如圖5所示。

圖5　天線線纜時(shí)延標(biāo)定示意圖

2.2.3用戶終端主機(jī)時(shí)延標(biāo)定

用戶終端主機(jī)時(shí)延標(biāo)定與整機(jī)無線標(biāo)定方法相似,主要區(qū)別是采取有線的方式將信號源的射頻仿真信號輸出與用戶終端射頻信號輸入相連接,標(biāo)定方法如圖6所示。

圖6　用戶終端主機(jī)時(shí)延標(biāo)定示意圖

模擬信號源的精度可優(yōu)于1.02 ns,4根1 PPS線纜的時(shí)延不確定度小于1 ns,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的不確定度為0.5 ns,衰減器的時(shí)延標(biāo)定不確定度小于0.2 ns, 用戶終端1 PPS截?cái)嗾`差引起的不確定度為1 ns.因此,用戶終端內(nèi)部時(shí)延標(biāo)定的不確定度為

綜上所述,采用分段標(biāo)定方法,用戶終端絕對時(shí)延的標(biāo)定不確定度為

滿足指標(biāo)5 ns的要求。

對比分析分段標(biāo)定方法與整機(jī)標(biāo)定方法,兩者的不確定度均在2 ns左右,但分段標(biāo)定方法較靈活,若用戶終端更換天線或線纜,只需對所更換的天線或線纜進(jìn)行標(biāo)定,即可重新計(jì)算得到用戶終端絕對時(shí)延。

3實(shí)驗(yàn)與分析

采用分段標(biāo)定方法對3臺北斗定時(shí)用戶終端B3頻點(diǎn)的絕對時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定。

1) 無源天線標(biāo)定

由于沒有時(shí)延已知的標(biāo)準(zhǔn)天線,故首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)延的標(biāo)定。準(zhǔn)備4個(gè)北斗無源天線(分別命名為1#、2#、3#、4#)。取1#、2#和3#兩兩組合,測量每個(gè)組合的時(shí)延。待矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)記錄5次數(shù)據(jù),測量結(jié)果取平均值,標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)天線的時(shí)延標(biāo)定結(jié)果

計(jì)算后可得1#、2#和3#天線的時(shí)延分別為7.731 ns、7.316 ns和11.160 ns.為了對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,取4#天線分別與1#、2#、3#天線組合,測量組合時(shí)延,結(jié)果如表2所示。

表2　4#天線的時(shí)延標(biāo)定

由表2可以看出,1#、2#和3#無源天線分別作為標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí),得到4#天線時(shí)延的標(biāo)定結(jié)果基本一致,最大相差0.485 s.

2) 源天線標(biāo)定

采用1#無源天線作為標(biāo)準(zhǔn)天線,分別標(biāo)定3臺用戶終端的有源天線(分別命名為天線A、天線B和天線C)時(shí)延。待矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)記錄10次數(shù)據(jù),測量結(jié)果取均值,如表3所示。

表3　有源天線的時(shí)延標(biāo)定結(jié)果

由于定時(shí)用戶終端天線B中采用了自研的低噪放模塊,含有濾波器,故天線時(shí)延值較大。而天線A和天線C采用了低噪放模塊,不含濾波器,故天線時(shí)延值較小,與之前標(biāo)定的無源天線時(shí)延相差不大。

為了驗(yàn)證有源天線時(shí)延的標(biāo)定結(jié)果,采用2#無源天線作為標(biāo)準(zhǔn)天線,分別對3個(gè)用戶終端有源天線時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如表4所示。

表4　有源天線的時(shí)延標(biāo)定結(jié)果

對比表3和表4用戶天線時(shí)延的標(biāo)定結(jié)果,可得用戶終端有源天線A、B和C的時(shí)延的兩次標(biāo)定結(jié)果分別相差0.322 ns、0.327 ns和0.128 ns,驗(yàn)證了該方法的有效性和正確性。

3) 天線線纜時(shí)延標(biāo)定

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測得3臺用戶終端天線線纜的時(shí)延,結(jié)果如表5所示。

表5　用戶終端天線線纜的時(shí)延標(biāo)定結(jié)果

4) 用戶終端主機(jī)時(shí)延標(biāo)定

待用戶終端正常工作,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)采樣10 min,測量結(jié)果取平均值,標(biāo)定結(jié)果如表6所示。

表6　用戶終端主機(jī)時(shí)延的標(biāo)定結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,3臺用戶終端B3頻點(diǎn)的絕對時(shí)延如表7所示。

表7　3臺北斗用戶終端B3頻點(diǎn)的絕對時(shí)延

4結(jié)束語

為滿足國防、金融等行業(yè)高端用戶采用北斗定時(shí)用戶終端實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步的需求,本文提出了用戶終端整機(jī)標(biāo)定和分段標(biāo)定兩種絕對時(shí)延標(biāo)定方法,并采用該方法對3臺北斗定時(shí)用戶終端B3頻點(diǎn)的絕對時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這兩種標(biāo)定方法合理、可行,標(biāo)定誤差不確定度優(yōu)于2 ns,滿足北斗定時(shí)用戶終端時(shí)延標(biāo)定5 ns指標(biāo)的要求。

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謝維華(1979-)，男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)研究。

陳娉娉(1975-),男,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)研究。

孔敏(1975-)工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)研究。

Time Delay Calibration Method for User Terminal of The BeiDou Navigation Satellite System

XIE Weihua,CHEN Pingping,KONG Min

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

Abstract:The accuracy of time delay calibration for the user terminal of the BeiDou navigation satellite system has a great impact on the timing accuracy of the user terminal. So the time delay calibration must be carried out before timing accuracy test. In this paper, two kinds of time delay calibration schemes for satellite navigation users with absolute delay and relative delay are studied. For the BeiDou user terminal without one pulse per-second(1PPS) input interface, two absolute time delay calibration methods are proposed. Experimental results show that the error of these two calibration methods is better than 2 ns, which meets the requirements of the 5 ns index for the time delay calibration of the BeiDou user terminal.

Keywords:BeiDou navigation satellite system; user terminal; time delay; calibration

作者簡介

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-08-01

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.006

聯(lián)系人： 謝維華 E-mail: 18901080599@163.com