GNSS定時標準制定中相關問題探討及說明

張向波，胡永輝，王如龍，武建鋒，何在民，趙當麗

(1.中國科學院 國家授時中心/時間頻率基準重點實驗室，西安　710600；

GNSS定時標準制定中相關問題探討及說明

張向波1，胡永輝1，王如龍2，武建鋒1，何在民1，趙當麗1

(1.中國科學院 國家授時中心/時間頻率基準重點實驗室，西安710600；

2.中國衛(wèi)星導航工程中心，北京100094)

摘要：規(guī)范GNSS定時單元的性能要求及測試方法，對指導國內(nèi)GNSS定時單元的研制、生產(chǎn)、檢測和應用，推動BDS導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。針對編制BDS專項標準《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)定時單元性能要求及測試方法》(征求意見稿)，介紹了編制的目的、原則、標準主要內(nèi)容及確定依據(jù)，并就定時模式、定時精度及定時精度的測試方法等問題進行探討并說明，指出BDS專項標準《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)定時單元性能要求及測試方法》(征求意見稿)的編制充分參考了國內(nèi)外有關定時型設備的相關標準，力求與國內(nèi)外標準既保持一致又有所創(chuàng)新，為BDS的國際化應用打下基礎。

關鍵詞：BDS；定時單元；定時精度；定時模式；測試方法

0引言

時間作為基本物理量，已成為現(xiàn)代信息社會的基本要素。隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導航、定位和授時在各國軍事和經(jīng)濟發(fā)展中的作用越來越重要。要實現(xiàn)衛(wèi)星授時，用戶需要GNSS定時校頻接收機(終端設備)接收衛(wèi)星信號，來實現(xiàn)本地時間信號和標準時間信號的同步(定時)和校準本地頻率信號和標準頻率信號的偏差(校頻)[1]。目前，在涉及國民經(jīng)濟命脈的國防、通信、電力、交通、計算機和金融網(wǎng)絡等領域，大量使用美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定時產(chǎn)品，已發(fā)布的國家標準、國家軍用標準和行業(yè)標準也主要為GPS的導航、定時設備標準，涉及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)[2]的標準很少。過分地依賴美國GPS，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設造成了極大的潛在威脅。BDS是我國自主建設運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，已于2012年正式提供服務，所以制定BDS在導航定位和定時方面的國家標準或?qū)ｍ棙藴?，使BDS授時應用市場化和產(chǎn)業(yè)化，對于增強BDS技術在國際、國內(nèi)市場的競爭力具有重要作用。

為了規(guī)范GNSS定時單元性能要求及測試方法，指導國內(nèi)GNSS定時單元的研制、生產(chǎn)、檢測和應用，為GNSS定時單元產(chǎn)品的性能測試提供依據(jù)，推動BDS導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，由全國北斗衛(wèi)星導航標準化技術委員會根據(jù)“中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項應用推廣與產(chǎn)業(yè)化項目”(以下簡稱“專項”)下的BDS應用標準化的工作安排，提出制定《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定時單元性能要求及測試方法》，由全國北斗衛(wèi)星導航標準化技術委員會歸口。本文介紹了編制北斗專項標準《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定時單元性能要求及測試方法》(征求意見稿)的目的、原則、主要內(nèi)容及確定依據(jù)，對經(jīng)過多次討論、修改確定后的定時模式、定時精度及定時精度的測試方法等問題進行說明，指出《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定時單元性能要求及測試方法》(征求意見稿)的編制充分參考了國、內(nèi)外相關標準，力求與國內(nèi)外標準既保持一致又有所創(chuàng)新，為BDS的國際化應用打下基礎。

1標準制定的原則、主要內(nèi)容及確定依據(jù)

1.1編制原則

標準按照文獻[3]給出的規(guī)則編制，在編制過程中充分調(diào)研了現(xiàn)行國際和國內(nèi)定時型接收設備[4]的相關標準，并結合目前市場上關于授時、定時型設備[5]的研制技術指標，確定了GNSS定時單元的術語、組成、功能、性能指標和測試方法等內(nèi)容。對目前授時、定時領域中廣泛使用的“GNSS定時”、“定時精度”、“定時模式”“首次定時時間”等術語進行了定義與規(guī)范，同時在相應性能指標的測試方法上力求與最新的國際和國家標準保持一致又有所創(chuàng)新，使內(nèi)容既有一定先進性，又技術成熟，具有規(guī)范性。同時，力求使本標準中的功能、性能指標和測試方法能夠滿足研制方、生產(chǎn)方、使用方及其他相關方的要求，制定出能為各方接受和采用的標準。

1.2標準主要內(nèi)容和確定依據(jù)

標準主要規(guī)定了GNSS定時單元組成、功能要求、性能指標、輸入輸出接口、環(huán)境適應性以及各性能指標的測試方法等內(nèi)容，適用于GNSS定時單元的研制、生產(chǎn)、檢測和應用。

首先標準中規(guī)定了GNSS定時單元由GNSS接收天線和GNSS定時處理單元組成。GNSS定時單元通過天線接收GNSS公開服務信號，其中BDS為必選信號，進行捕獲、跟蹤、解擴、解調(diào)與解算處理，實現(xiàn)定時功能，根據(jù)默認設置或交互指令輸出標準時間信號、時碼信息、數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息，清晰描述了定時單元的數(shù)據(jù)處理過程、輸出數(shù)據(jù)信息和信號等。其次規(guī)定定時單元應包括的定時模式、參數(shù)設置、時間系統(tǒng)選擇、天線開路、短路保護和數(shù)據(jù)輸出等功能，給出了接收靈敏度、首次定位時間、首次定時時間、重捕獲時間、定位精度、定時精度以及頻率準確度和頻率穩(wěn)定度[6-7]等性能指標。最后在測試方法部分規(guī)定測試所需的測試設備、測試環(huán)境、測試信號以及針對各功能和性能指標具體采用的測試方法，其中捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、首次定位時間、失鎖重捕時間、定位精度的測試方法與本批其他專項標準中的測試方法協(xié)調(diào)一致；同時以定時精度、定時抖動、頻率準確度和頻率穩(wěn)定度的測試方法作為規(guī)范，為其他標準提供參考。

1.3主要性能指標

1)接收靈敏度。

捕獲靈敏度應優(yōu)于-130 dBm，失鎖重捕靈敏度應優(yōu)于-135 dBm，跟蹤靈敏度應優(yōu)于-140 dBm。

2)首次定位時間。

冷啟動時應不超過60 s，熱啟動時應不超過5 s。

3)定位精度。

在位置精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)≤6時，水平定位精度優(yōu)于10 m (95%置信度)，垂直定位精度優(yōu)于15 m (95%置信度)。

標準制定中，起初針對接收靈敏度這一指標的確定出現(xiàn)了不同意見，指出所確定的靈敏度指標較陳舊，遠差于現(xiàn)行的GNSS信號接收機，和最新技術不吻合。但是考慮到標準為BDS民用標準，目的是為規(guī)范GNSS定時單元的性能要求及測試方法，指導國內(nèi)定時單元的研制、生產(chǎn)、檢測和應用，推動BDS產(chǎn)業(yè)發(fā)展，所以接收靈敏度等性能指標既不能太高又不能太低，要考慮各方需求。以上性能指標及其測試方法都是在科研、生產(chǎn)單位討論并經(jīng)過評審后確定的，與其他同批標準進行了協(xié)調(diào)一致，使本批標準的制定更統(tǒng)一并具規(guī)范性。

2關于GNSS定時單元的問題說明

對于GNSS定時單元來說，定時模式、首次定時時間和定時精度這幾個性能指標及其測試方法有其獨特性，不同于導航單元中常見的性能指標，其他標準凡是涉及到定時的，可參照本標準中的規(guī)定，以協(xié)調(diào)一致；同時“定時”的性能指標又是和“導航”的性能指標相對應，所以在此對以上3個性能指標及其測試方法加以說明。

2.1定時模式

GNSS定時單元應具備“位置保持”和“自主定位”2種定時模式。

衛(wèi)星單向授時時，“位置保持模式”即指通過設置GNSS接收機天線的精確坐標使用戶位置已知，這時接收機只需要接收1顆導航衛(wèi)星信號就可獲得定時信息；“自主定位模式”即指用戶位置未知，接收機需要接收至少4顆導航衛(wèi)星信號才能自主解算獲得定位和定時信息。

要獲取定時信息，首先需要定位，然后通過偽距測量得到時延后才能獲取定時信息；所以這里要強調(diào)的是沒有“自主定時模式”這種說法。

對于位置保持模式這一功能的測試，可采用實際衛(wèi)星信號測試：設置被測定時單元接收天線的精確坐標，然后查看定時單元是否能正確輸出定時信息；對于自主定位模式這一功能的測試，也可用實際衛(wèi)星信號進行測試。被測定時單元接收不少于4顆導航衛(wèi)星信號，自主定位后查看定時單元是否能正確輸出定位和定時信息。

2.2首次定時時間

首次定時時間分為熱啟動首次定時時間和冷啟動首次定時時間。冷啟動首次定時時間定義為在輸入衛(wèi)星導航信號功率電平為-130 dBm時，定時單元在概略位置、概略時間、星歷和歷書未知的狀態(tài)下開機，到首次能夠在其后10 s連續(xù)輸出3維定位誤差小于300 ns的定位數(shù)據(jù)，所需時間應不超過100 s；熱啟動首次定時時間定義為在輸入衛(wèi)星導航信號功率電平為-130 dBm時，定時單元在概略位置、概略時間、星歷和歷書已知的狀態(tài)下開機，到首次能夠在其后10 s連續(xù)輸出3維定位誤差小于300 ns的定位數(shù)據(jù)，所需時間應不超過15 s。

首先要說明的是首次定時時間與首次定位時間是2個概念：對于導航定位，關心的是首次定位時間；但是對于定時，必須先利用偽距進行定位，關心的是首次定時時間。對于首次定時時間的規(guī)定是采用將定位誤差歸算到定時所對應的誤差，例如“3維定位誤差100 m”對應定時為“3維定位誤差300 ns”。然后根據(jù)大多數(shù)生產(chǎn)廠商給出的冷啟動首次定位時間和熱啟動首次定位時間，確定冷啟動首次定時時間(100 s)和熱啟動首次定時時間(15 s)；但是較首次定位時間的限值(冷啟120 s，熱啟30 s)更為嚴格。

其次對于首次定時時間的測試，我們規(guī)定用模擬器進行測試。對于冷啟動首次定時時間，使被測定時單元獲得冷啟動狀態(tài)，然后以1 Hz的位置更新率連續(xù)記錄輸出的定位數(shù)據(jù)，找出首次連續(xù)10次輸出3維定位誤差不超過300 ns的定位數(shù)據(jù)的時刻，計算從開機到上述10個輸出時刻中第1個時刻的時間間隔，應符合要求；對于熱啟動首次定時時間，在被測定時單元正常定位狀態(tài)下，短時斷電60 s后，被測定時單元重新開機，以1 Hz的位置更新率連續(xù)記錄輸出的定位數(shù)據(jù)，找出首次連續(xù)10次輸出3維定位誤差不超過300 ns的定位數(shù)據(jù)的時刻，計算從開機到上述10個輸出時刻中第1個時刻的時間間隔，應符合要求。

2.3定時精度

定時單元具備時間系統(tǒng)選擇功能，即可以選擇設置提供協(xié)調(diào)世界時(universal time coordinated，UTC)輸出的功能，即國際UTC；或系統(tǒng)時間[8]輸出功能，即GNSS建立和保持的時間，如GPS系統(tǒng)時間(GPS time，GPST)、北斗時(BDS time，BDT)等。而各全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間又通過UTC(k)與國際UTC建立聯(lián)系，各國保持的地方協(xié)調(diào)世界時UTC(k)和國際UTC之間存在偏差，所以定時單元的定時精度就應分為“相對于UTC定時精度”和“相對于系統(tǒng)時間定時精度”。標準確定定時精度指標時，在征求各科研和生產(chǎn)廠家意見的同時，考慮到BDT和UTC的偏差在100 ns以內(nèi)，所規(guī)定的具體指標如下：

1)相對于UTC定時精度:

①位置保持模式≤150 ns；

②自主定位模式≤250 ns。

2)相對于系統(tǒng)時間定時精度:

①位置保持模式≤50 ns；

②自主定位模式≤100 ns。

對于“定時精度”的測試，分為相對于UTC定時精度和相對于系統(tǒng)時間的定時精度。具體測試分為直接獲取UTC信號的測試、間接獲取UTC信號的測試和比較法測試3種方法。

2.3.1相對于UTC定時精度

1)可直接獲取UTC信號的測試。

當測試現(xiàn)場可直接獲取UTC信號時，測試采用時刻比對分析法，設備連接如圖1所示，該方法主要以均值和標準偏差為測量依據(jù)。

①測試步驟：

a)按圖1所示連接設備；

b)按要求預熱被測定時單元；

c)按要求設置被測定時單元的工作模式，輸入其內(nèi)部時延，對工作在位置保持模式下的定時單元，還應輸入其天線坐標，天線坐標的誤差不大于0.1 m；

d)測量標準時間頻率源輸出的秒脈沖與被測定時單元輸出的秒脈沖之間的時差Δi， 每1 s測量一次，連續(xù)測量24 h，記錄測量值。

圖1　可直接獲取UTC信號的測試設備連接圖

②數(shù)據(jù)處理：

a) 按公式(1)計算平均值

(1)

b)按公式(2)計算標準偏差

(2)

式中SΔ為定時標準偏差，單位為ns。

c)按式(3)計算定時總偏差

(3)

2)間接獲取UTC信號的測試。

當測試現(xiàn)場不能直接獲取UTC信號時，由于沒有可用的UTC信號和標準時間頻率信號，所以需要建立與UTC或國家標準時間的溯源鏈路，通過溯源和比對[9-10]確定本地標準時間頻率源與UTC或國家標準時間的鐘差信息和頻差信息，然后按照圖2所示連接設備進行測試。溯源系統(tǒng)最好采用已經(jīng)標校過的溯源系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)處理中考慮溯源系統(tǒng)不確定度的影響。測試方法與可直接獲取UTC信號的測試方法相同。

圖2　間接獲取UTC信號的3測試設備連接圖

3)比較法測試。

當測試現(xiàn)場通過直接或間接都無法獲取UTC信號時，可采用比較法。比較法測試的條件是需要1臺經(jīng)過測試標定過的定時接收機，其測試設備連接如圖3所示。

①測試步驟：

a)按圖3所示連接設備；

b)按要求預熱被測定時單元；

c)測量已經(jīng)標定過的定時單元的1 個秒脈沖信號與被測定時單元的1 個秒脈沖信號之間的時差Δi， 每1 s測量一次，連續(xù)測量24 h，記錄測量值。

圖3　比較法測試設備連接圖

②數(shù)據(jù)處理：

a) 按式(4)計算平均值

(4)

式中：Δts為標準時間頻率源時間與UTC時間的偏差，單位為ns；τ4為被標定定時單元1個秒脈沖輸出電纜時延，單位為ns。

b)按公式(5)計算標準偏差

(5)

c) 按公式(3)計算定時總偏差Bγ。

2.3.2相對于系統(tǒng)時間定時精度

相對于系統(tǒng)時間定時精度的測試與相對于UTC定時精度的測試類似，也分為直接獲取系統(tǒng)時間信號的測試、間接獲取系統(tǒng)時間信號的測試和比較法測試3種方法。

1)可直接獲取系統(tǒng)時間信號的測試。

當測試現(xiàn)場可直接獲取系統(tǒng)時間時，其測試方法、測試步驟和數(shù)據(jù)處理與相對于UTC定時精度的測試方法、測試步驟和數(shù)據(jù)處理相同，測試設備連接如圖4所示。

圖4　可直接獲取系統(tǒng)時間信號的測試設備連接圖

①測試步驟：

a)按圖4所示連接設備；

b)按要求預熱被測定時單元；

c)按要求設置被測定時單元的工作模式，輸入其內(nèi)部時延，對工作在位置保持模式下的定時單元，還應輸入其天線坐標，天線坐標的誤差不大于0.1 m；

d)測量標準時間頻率源輸出的秒脈沖與被測定時單元輸出的秒脈沖之間的時差Δi。 每1s測量一次，連續(xù)測量24 h，記錄測量值。

②數(shù)據(jù)處理：

a)按類似式(1)計算平均值；

b)按類似式(2)計算標準偏差；

c)按類似式(3)計算定時總偏差Bγ。

2)間接獲取系統(tǒng)時間信號的測試。

在不能直接獲取系統(tǒng)時間信號的情況下，由于沒有可用的系統(tǒng)時間信號和標準頻率信號，所以需要建立與系統(tǒng)時間的溯源鏈路，通過溯源和比對確定本地標準時間頻率源與系統(tǒng)時間的鐘差信息和頻差信息；然后按照圖5所示連接設備進行測試，測試方法與可直接獲取系統(tǒng)時間信號的測試方法相同。

溯源系統(tǒng)最好采用已經(jīng)標校過的溯源系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)處理中考慮溯源系統(tǒng)不確定度的影響。

圖5　間接獲取系統(tǒng)時間信號的測試設備連接圖

3)比較法測試。

通過直接或間接都無法獲取系統(tǒng)時間信號的情況下，可采用比較法。比較法測試的條件是需要1臺經(jīng)過測試標定過的定時接收機，其測試設備連接圖如圖3所示；測試步驟和數(shù)據(jù)處理與相對于UTC的定時精度采用的比較法測試步驟和數(shù)據(jù)處理相同。

2.4頻率穩(wěn)定度和頻率準確度

頻率穩(wěn)定度描述頻率源輸出頻率的隨機起伏程度。時域表征量為在某一時間間隔(采樣時間)內(nèi)平均頻率的雙取樣方差(阿倫方差)平方根值[11]。頻率穩(wěn)定度有短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度之分，1 s穩(wěn)定度應優(yōu)于5×10-9，10 s穩(wěn)定度應優(yōu)于1×10-9，100 s穩(wěn)定度應優(yōu)于5×10-10，10 000 s穩(wěn)定度應優(yōu)于5×10-12，1 d穩(wěn)定度應優(yōu)于1×10-12。測量頻率穩(wěn)定度的方法有直接測頻法、變頻測頻法、頻差倍增測頻法、比相法、比時法等，這里我們選用最常用的方法，即直接測頻法和比相法。采樣時間1 s、10 s、100 s和10 000 s的頻率穩(wěn)定度的測試采用直接測頻法和比相法，1 d的頻率穩(wěn)定度的測試采用比相法。

頻率準確度描述的是頻率源實際輸出的頻率值與其標稱頻率值的相對變化量，即相對偏差。頻率準確度在取樣時間為24 h時，應優(yōu)于1×10-9。測量頻率準確度的方法有直接測頻法、變頻測頻法、頻差倍增測頻法、比相法或校頻儀相位記錄法、比時法以及校頻儀測周法等，這里我們還是選用最常用的方法。測量中的采樣時間應該等于或大于10 s，這里我們考慮到準確性，采樣時間設為24 h。計算得到的頻率準確度等于或高于日頻率漂移率或日頻率波動時，測量結果按比日頻率漂移或日頻率波動低1個數(shù)量級的數(shù)值給出，反之按計算結果給出；同時，頻率準確度需要校準時，應根據(jù)被測頻率源日頻率漂移率和頻率漂移方向進行，將被測頻率源相對于參考頻率源的頻率偏差，調(diào)到與其頻率漂移率相反方向并調(diào)低一個數(shù)量級。

3結束語

本文主要介紹了北斗專項標準《全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定時單元性能要求及測試方法》(征求意見稿)制定中的主要內(nèi)容及確定依據(jù)，對定時精度等相關問題從指標的確定和測試方法等方面進行了探討和說明，較全面地考慮了定時單元功能和性能指標測試的獨特性，提出了具有針對性的測試方法，對GNSS定時單元的研制、生產(chǎn)、檢測和應用具有參考作用。

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Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS

ZHANG Xiangbo1，HU Yonghui1，WANG Rulong2，WU Jianfeng1，HE Zaimin1，ZHAO Dangli1

(1.National Time Service Center，Chinese Academy of Science/Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，Chinese Academy of Science，Xi’an 710600，China；2.China Satellite Navigation Engineering Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Standardization of performance requirements and test methods of GNSS timing unit is not important for only very guiding domestic development，production，testing and application of timing unit，but also for promoting the development of BDS satellite navigation industry.As for working out of BDS special standard "Performance requirements and test methods for GNSS timing unit"，this paper mainly introduced the aim，principle and the main contents of the standard，and determining the basis for the main content was also included.Additionally，timing mode，timing accuracy and test methods were discussed as well.It pointed out that this specification had fully referenced to the relevant standard of timing equipment at home and abroad，and strived to be consistent with both domestic and international standards with innovation，laying the foundation for an international application.

Keywords：BDS specialization；timing unit；timing accuracy；timing mode；test methods

收稿日期：2015-09-15

基金項目：裝備技術基礎科研項目(ZKGSZ20151JL04)。

第一作者簡介：張向波(1985—)，男，陜西西安人，碩士，助理研究員，研究方向為遠程高精度時間頻率傳遞技術。

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0015-06

引文格式：張向波，胡永輝，王如龍，等.GNSS定時標準制定中相關問題探討及說明[J].導航定位學報，2016，4(2)：15-20.(ZHANG Xiangbo，HU Yonghui，WANG Rulong，et al.Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：15-20.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160204.