一種高精度秒脈沖產(chǎn)生方法

欒 超，孫 峰，陳 杰，趙 娜

一種高精度秒脈沖產(chǎn)生方法

欒 超，孫 峰，陳 杰，趙 娜

（和芯星通科技（北京）有限公司，北京 100094）

針對(duì)目前全球定位系統(tǒng)接收機(jī)輸出的秒脈沖精度較低，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)有階段性偏差，整體授時(shí)性能只在百納秒量級(jí)的問(wèn)題，提出一種基于全系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)頻率預(yù)補(bǔ)償修正秒脈沖輸出的方法：采用接收機(jī)觀測(cè)值噪聲間接分析全系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)的誤差成分，確定接收機(jī)晶振的誤差項(xiàng)和秒穩(wěn)性能；分析影響秒脈沖精度的主要因素；最后在全系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地輸出秒脈沖，整體性能可達(dá)到24 h峰峰值小于11 ns，1倍標(biāo)準(zhǔn)差(1)小于2 ns。

接收機(jī)鐘差；高精度授時(shí)；全球定位系統(tǒng)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）可為地球表面和近地空間的用戶(hù)提供全天時(shí)、大范圍、長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)高精度的定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)。用于輸出授時(shí)秒脈沖（pulse per second, PPS）的GNSS接收機(jī)正是使用GNSS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行位置、速度和時(shí)間解算，再通過(guò)濾波擬合等方法調(diào)整本地的秒脈沖相位，從而精確輸出秒脈沖信號(hào)。

目前用于輸出秒脈沖的GNSS接收機(jī)廣泛應(yīng)用于通信基站、時(shí)間基準(zhǔn)站以及電力系統(tǒng)等行業(yè)。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的故障檢測(cè)及分析要求時(shí)間精度達(dá)到毫秒級(jí)，其電力相位對(duì)時(shí)間精度的要求達(dá)到微秒級(jí)。在4G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，對(duì)GNSS接收機(jī)輸出秒脈沖的精度要求為1.5 ns。這樣的精度要求目前的主流授時(shí)型GNSS接收機(jī)，如UBlox M8T(1σ為20 ns)，Trimble Mini-T(1為15 ns)等都可以滿(mǎn)足。但是在未來(lái)5G移動(dòng)基站的布局中，目前要求GNSS接收機(jī)的秒脈沖輸出精度峰峰值小于30 ns，顯然目前市場(chǎng)上的主流GNSS接收機(jī)的秒脈沖輸出精度是不滿(mǎn)足要求的。

并且目前主流用于授時(shí)的GNSS接收機(jī)受制于芯片集成度等原因都是單系統(tǒng)單頻點(diǎn)或者雙系統(tǒng)單頻點(diǎn)。這樣的系統(tǒng)配置帶來(lái)的問(wèn)題有2點(diǎn)：①單頻接收機(jī)易受電離層擾動(dòng)的影響，電離層擾動(dòng)較為活躍的時(shí)候PPS會(huì)有15~30 ns的不確定度；②雙系統(tǒng)特別是單系統(tǒng)接收機(jī)，在其使用的GNSS系統(tǒng)信號(hào)受到干擾或者由于政策、戰(zhàn)爭(zhēng)等原因某些系統(tǒng)關(guān)閉了其指定區(qū)域的GNSS信號(hào)時(shí)，在這些受干擾或者被關(guān)閉系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域，GNSS接收機(jī)就不能正確運(yùn)行。

為了解決上述精度、系統(tǒng)頻率受限的問(wèn)題，本文根據(jù)各系統(tǒng)信號(hào)以及所使用的低成本溫補(bǔ)晶振的特點(diǎn)，提出一種基于全系統(tǒng)多頻點(diǎn)GNSS接收機(jī)的頻率預(yù)補(bǔ)償方法來(lái)實(shí)時(shí)修正接收機(jī)秒脈沖相位，從而達(dá)到提高授時(shí)脈沖精度的目的。并且全系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)能夠最大限度地將個(gè)別系統(tǒng)受干擾或者信號(hào)關(guān)閉帶來(lái)的惡化影響降低到最低。

1 全系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)授時(shí)原理

以全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）為例，衛(wèi)星不間斷地播發(fā)其自身的射頻信號(hào)，其中包含載波和偽碼信息；并且不間斷地播發(fā)自身的星歷參數(shù)、星鐘參數(shù)等導(dǎo)航電文信息。用戶(hù)接收機(jī)在接收到這些信號(hào)以及導(dǎo)航電文后通過(guò)解算會(huì)得到接收機(jī)的位置速度以及時(shí)間信息。當(dāng)接收機(jī)正確解算出時(shí)間信息后，結(jié)合GNSS系統(tǒng)時(shí)以及本地的鐘差信息共同維護(hù)本地的PPS時(shí)，補(bǔ)償諸如天線(xiàn)、射頻以及處理時(shí)延后將PPS時(shí)間對(duì)準(zhǔn)到指定的GNSS系統(tǒng)時(shí)，這里即為GPS時(shí)；最后將擬合好的PPS時(shí)間驅(qū)動(dòng)PPS脈沖輸出，即為PPS授時(shí)脈沖。授時(shí)接收機(jī)原理如圖1所示。

由圖1可知GNSS系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)由GNSS天線(xiàn)接收至前端的前置放大器，在經(jīng)過(guò)下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC）信號(hào)采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)由GNSS接收機(jī)基帶處理通道進(jìn)行捕獲跟蹤，經(jīng)由基帶中的環(huán)路對(duì)本地復(fù)制的偽碼和載波進(jìn)行調(diào)整從而提高觀測(cè)值精度，再將產(chǎn)生的觀測(cè)值以及導(dǎo)航電文送入定位測(cè)速定時(shí)（position, velocity, time, PVT）模塊進(jìn)行計(jì)算，從而得到本地接收機(jī)鐘差進(jìn)而調(diào)整出精確的PPS脈沖信號(hào)。

2 影響接收機(jī)PPS輸出準(zhǔn)確度及精度的因素分析

2.1 天線(xiàn)及線(xiàn)纜時(shí)延對(duì)授時(shí)精度的影響

信號(hào)由天線(xiàn)相位中心經(jīng)射頻線(xiàn)纜至接收機(jī)的ADC進(jìn)行采樣。這一射頻鏈路存在著固定的射頻時(shí)延，此射頻時(shí)延由天線(xiàn)的群時(shí)延、射頻線(xiàn)纜的傳輸時(shí)延等共同決定；但此時(shí)延在使用的天線(xiàn)以及線(xiàn)纜型號(hào)和線(xiàn)纜長(zhǎng)度確定后是一個(gè)固定值，反映到授時(shí)精度上則是PPS的固定偏差，而授時(shí)型接收機(jī)則可以通過(guò)寫(xiě)入固定的授時(shí)時(shí)延對(duì)此偏差進(jìn)行補(bǔ)償：所以此天線(xiàn)及線(xiàn)纜的時(shí)延對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的授時(shí)脈沖不會(huì)帶來(lái)精度上的影響。

2.2 硬件處理抖動(dòng)對(duì)授時(shí)精度的影響

對(duì)于授時(shí)型的GNSS接收機(jī)，授時(shí)脈沖的精度受硬件的影響較大，包括前端放大器、下變頻器、ADC等器件的影響，以及本地晶振抖動(dòng)的影響。對(duì)于所有影響授時(shí)精度的噪聲可以使用接收機(jī)的偽距噪聲來(lái)衡量。

偽距測(cè)量值為

從式（1）中可以看出，接收機(jī)偽距測(cè)量值除了與衛(wèi)星和接收機(jī)之間的幾何距離有關(guān)，還與接收機(jī)鐘差值、衛(wèi)星鐘差值、電離層、對(duì)流層以及接收機(jī)偽距測(cè)量噪聲等有關(guān)。為了使用偽距測(cè)量值衡量出偽距噪聲，就須去除其他項(xiàng)的影響。

雙差測(cè)量值是2臺(tái)接收機(jī)在同一時(shí)刻內(nèi)對(duì)2顆衛(wèi)星的測(cè)量值（如圖2所示）。即在站間單差的基礎(chǔ)上再求一次星間的差分。

圖2 雙差示意

圖3為接入同一個(gè)天線(xiàn)的2個(gè)GNSS接收機(jī)零基線(xiàn)24 h內(nèi)GPS所有可見(jiàn)衛(wèi)星的3個(gè)頻點(diǎn)（L1,L2,L5）偽距噪聲非差統(tǒng)計(jì)值。從圖3中可以看出，對(duì)于使用雙頻點(diǎn)（L1、L2）進(jìn)行解算的接收機(jī)，L1頻點(diǎn)的偽距噪聲統(tǒng)計(jì)值為0.041 m，L2頻點(diǎn)的偽距噪聲為0.126 m 。圖4為24 h內(nèi)的時(shí)間精度因子（time dilution of precision, TDOP），其值每變化一次打印一個(gè)點(diǎn)。考慮對(duì)時(shí)間誤差的影響時(shí)，以其最大值1.062 4估算對(duì)接收機(jī)的影響。由文獻(xiàn)[2-4]可知在使用雙頻進(jìn)行定位和授時(shí)的情況下，雙頻校正后的偽距測(cè)量值為

圖3 GPS24h內(nèi)所有可見(jiàn)衛(wèi)星的3個(gè)頻點(diǎn)偽距噪聲值

圖4 24h內(nèi)接收機(jī)TDOP值

2.3 PPS計(jì)算環(huán)路的影響

影響PPS時(shí)間精度的因素有觀測(cè)值質(zhì)量、定位精度、晶振頻率抖動(dòng)和漂移的影響。而無(wú)論是上述哪種影響帶來(lái)的PPS秒的抖動(dòng)，在算法上都可以對(duì)PPS秒時(shí)間使用環(huán)路濾波進(jìn)行消減。

由于晶振在工作過(guò)程中溫度變化等外界因素會(huì)導(dǎo)致其頻率不斷地變化，并且變化量隨著溫度及頻率變化量調(diào)整，因而存在2階量以及微小的3階量；所以在使用環(huán)路對(duì)鐘差輸入量進(jìn)行濾波調(diào)整時(shí)使用如圖5所示的3階環(huán)路濾波器。

圖5 PPS計(jì)算環(huán)路框圖

圖6 PPS三階環(huán)路PPS結(jié)果

2.4 PVT鐘差計(jì)算對(duì)授時(shí)精度的影響

由偽距觀測(cè)方程式（1）可知，偽距觀測(cè)值除了與衛(wèi)星到接收機(jī)的真實(shí)距離以及衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、觀測(cè)噪聲有關(guān)外，還受電離層延時(shí)和對(duì)流層延時(shí)的影響。

3 高精度PPS同步改進(jìn)方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于此，對(duì)使用PVT計(jì)算得到的鐘差及鐘飄值進(jìn)行預(yù)擬合補(bǔ)償，并使用預(yù)補(bǔ)償鐘差結(jié)果對(duì)驅(qū)動(dòng)PPS脈沖輸出的計(jì)數(shù)器頻率進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償從而得到較為精確的PPS時(shí)間秒時(shí)刻。在整體計(jì)算中，對(duì)使用的GNSS系統(tǒng)的鐘差參數(shù)直接使用，對(duì)本地計(jì)算得到的接收機(jī)鐘差進(jìn)行平滑濾波后送入PPS模塊，并對(duì)平滑后的本地時(shí)鐘鐘飄值對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到下一秒的秒時(shí)刻。

圖8 GNSS接收機(jī)PPS與國(guó)家授時(shí)中心標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

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A method of high-precise second pulse generation

LUAN Chao, SUN Feng, CHEN Jie, ZHAO Na

（Unicore Communications, Inc., Beijing 100094, China）

Aiming at the problems that the PPS precision of GPS receiver is in low precision, and there exists a bias over time, resulting in the time services of GPS receiver in one-hundred nanoseconds level, the paper proposed a second pulse output method based on the all system multi-frequency point receiver frequency pre-compensation correction: the error components of the all system multi-frequency point receiver were analyzed indirectly by using the measurement noise of the receiver, to determine the errors and instability performance of the receiver crystal; and the influence factors of second pulse accuracy were analyzed; then the verification was carried out with the all system multi-frequency point receiver. Experimental result showed that the proposed method coud help steadily output second pulse with a long time, and the overall performance could achieve the maximum time interval error (MTIE) less than 11 ns, and 1less than 2 ns within 24 h.

receiver clock error; high-precise time services; global positioning system

P228

A

2095-4999(2019)03-0102-06

2018-09-07

欒超（1987—），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航基帶算法。

孫峰（1982—），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航基帶算法。

欒超，孫峰，陳杰，等.一種高精度秒脈沖產(chǎn)生方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(3):102-107.（LUAN Chao, SUN Feng, CHEN Jie, et al.A method of high-precise second pulse generation[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):102-107.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190317.