衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)研究

彭正梁，胡浩

（湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在實(shí)際運(yùn)行期間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)時(shí)間頻率偏差，這需要在此基礎(chǔ)上合理應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)，這有助于提升技術(shù)處理效率?？紤]到時(shí)頻生成與保持系統(tǒng)往往會(huì)對(duì)可用的時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生根本性影響，這一特點(diǎn)在我國(guó)自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為明顯。此外，時(shí)頻生成與保持技術(shù)彌補(bǔ)了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在星載原子鐘方面與國(guó)外相關(guān)導(dǎo)航系統(tǒng)上存在的不足，并在此基礎(chǔ)上改善了銣原子鐘的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而在最大限度上降低了原子鐘性能不足給整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)帶來的影響。下文是對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)的具體分析。

1 校準(zhǔn)方法簡(jiǎn)介

1.1 直接影響方法

時(shí)間頻率會(huì)直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的傳輸參數(shù)。通常來說，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)間頻率傳輸參數(shù)，這一參數(shù)體系主要包含衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)相位中心實(shí)際穩(wěn)定性的校準(zhǔn)參數(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部噪聲指標(biāo)的校準(zhǔn)參數(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部延遲的校準(zhǔn)參數(shù)等。以衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線的相位中心實(shí)際穩(wěn)定性的校準(zhǔn)方法為例，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線是關(guān)鍵的用戶導(dǎo)航組件，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通常需要天線以便獲得衛(wèi)星信號(hào)中的信息，這意味著衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的天線受到直接影響的數(shù)據(jù)。此外，由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的相位中心的穩(wěn)定性通常會(huì)影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)際時(shí)間頻率，并且在一定程度上直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻傳輸參數(shù)。因此，技術(shù)人員必須選擇與接收器相關(guān)的天線并將其用作標(biāo)準(zhǔn)零件，然后，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)天線之間的超短基線參數(shù)值來獲得要校準(zhǔn)的天線情況，這種檢測(cè)方法可以提高校準(zhǔn)天線相位中心的穩(wěn)定性。

1.2 間接影響方法

間接影響方法主要是指以間接形式影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻傳輸參數(shù)的方法。間接影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻傳輸參數(shù)的技術(shù)主要包括校準(zhǔn)初始冷啟動(dòng)定位時(shí)間、校準(zhǔn)第一熱啟動(dòng)定位時(shí)間、校準(zhǔn)恢復(fù)時(shí)間、校準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度、校準(zhǔn)精度和定位偏差。例如，當(dāng)接收器和年歷星歷處于未知時(shí)間條件下，從啟動(dòng)接收機(jī)電源到發(fā)出第一個(gè)有效定位點(diǎn)的時(shí)間，就被視為第一次冷啟動(dòng)時(shí)間，在這一過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)打開接收機(jī)并清除接收機(jī)中的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后，關(guān)閉模擬器。此外，技術(shù)人員通過操作執(zhí)行仿真就可以在模擬器的仿真操作期間，給接收器加電并開始計(jì)時(shí)，從而查詢出接收器是否可以定位，確定從開機(jī)到接收機(jī)輸出的第一個(gè)有效定位點(diǎn)的時(shí)間間隔，然后，確定校準(zhǔn)批次是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在這一過程中，如果時(shí)間間隔符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則技術(shù)人員可以在此過程中停止模擬場(chǎng)景并關(guān)閉接收機(jī)。

1.3 頻率校準(zhǔn)方法

衛(wèi)星原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)需要經(jīng)過計(jì)時(shí)系統(tǒng)調(diào)制后才能發(fā)送給用戶。技術(shù)人員在校準(zhǔn)頻率時(shí)，通常使用頻率調(diào)制設(shè)備和相位調(diào)制設(shè)備從而提高頻率穩(wěn)定性。在這一過程中，技術(shù)人員進(jìn)行頻率漂移校是因?yàn)檩^小的頻率漂移校正值不會(huì)引起頻率跳躍，從而可以避免降低該衛(wèi)星導(dǎo)航性能。此外，技術(shù)人員除了需要減少跳頻之外，還應(yīng)該滿足國(guó)家對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航和定位應(yīng)用的需求，進(jìn)而在衛(wèi)星的用戶容量、服務(wù)區(qū)域、動(dòng)態(tài)性能、定位精度和使用方面獲得重大技術(shù)突破。

1.4 技術(shù)現(xiàn)存問題

關(guān)于導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)頻信號(hào)的產(chǎn)生和維護(hù)上，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外仍然存在標(biāo)準(zhǔn)上的差距。這反映在國(guó)內(nèi)外對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的空間環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期指標(biāo)可靠性和性能穩(wěn)定保證性上都存在不同看法。根據(jù)對(duì)國(guó)外導(dǎo)航時(shí)頻技術(shù)現(xiàn)狀的長(zhǎng)期分析和研究，可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外在這一領(lǐng)域的技術(shù)積累悠久、技術(shù)發(fā)展過程中也有許多成功與失敗案例，因此，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富。而國(guó)內(nèi)有關(guān)這一領(lǐng)域的研究長(zhǎng)期受到資金需求大、缺乏專用軟件、發(fā)展起步較晚、設(shè)備性能不足、技術(shù)不夠完善等方面問題的困擾，因此，技術(shù)人員為了確保衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)使用的可靠性，有必要在不同環(huán)境條件下對(duì)其時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行多方面的實(shí)驗(yàn)與研究。

2 系統(tǒng)框架分析

2.1 系統(tǒng)核心

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)主要是在系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的有效應(yīng)用。考慮到系統(tǒng)平臺(tái)的核心多為能夠控制主機(jī)的信號(hào)模擬器，因此，技術(shù)人員為了進(jìn)一步驗(yàn)證衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用可行性，需要采用高精度的Novate10EMV-1 和Novate10EMV-3 定時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，并將其作為進(jìn)行校準(zhǔn)的接收機(jī)，然后，采取特定工程解決方案。例如，技術(shù)人員可以使用控制主機(jī)和信號(hào)模擬器的校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件，將其組成衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)系統(tǒng)。此外，考慮到校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件主要需要信號(hào)模擬器和TCP/IP 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)通信功能，因此，技術(shù)人員需要控制信號(hào)模擬器的內(nèi)部仿真系統(tǒng)軟件以進(jìn)行適當(dāng)仿真，通過校準(zhǔn)接收器和串行端口協(xié)議之間的通信來完成校準(zhǔn)過程。

2.2 信號(hào)模擬器

信號(hào)模擬器可以提供各種準(zhǔn)確或重復(fù)的模擬信號(hào)。衛(wèi)星時(shí)頻信號(hào)生成和維護(hù)系統(tǒng)主要包括一個(gè)頻率源和一個(gè)頻率切換部件、一個(gè)頻率相位部件和CPU 類的控制處理子系統(tǒng)。這一系統(tǒng)通過保持與衛(wèi)星和地面的信息交換，并支持生成信號(hào)的補(bǔ)償處理，促使維護(hù)系統(tǒng)連接到其他衛(wèi)星用戶，從而為北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)生成單元提供準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)，并提升L 波段載頻頻率源時(shí)頻信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分通常由兩部分組成，分別是一個(gè)星載原子鐘和一個(gè)頻率合成部分。星載原子鐘的一部分包括時(shí)間發(fā)生器和相位異常檢測(cè)單元，技術(shù)人員通過設(shè)置原子鐘產(chǎn)生時(shí)間輸出相位，并使衛(wèi)星時(shí)間與地面參考保持時(shí)間同步，而相位異常檢測(cè)單元可以維持、檢查1pps信號(hào)的輸出穩(wěn)定性。與之相對(duì)的，數(shù)據(jù)處理部分接收上行指令并完成頻率校準(zhǔn)和相位同步，同時(shí)，監(jiān)視原子鐘的工作狀態(tài)并收集漂移率的歷史數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造原子鐘漂移模型，以自主地修改原子鐘的頻率精度，從而有效減少原子鐘的頻率誤差。

2.4 性能補(bǔ)償部分

衛(wèi)星時(shí)鐘的功率補(bǔ)償處理部分多利用衛(wèi)星時(shí)鐘漂移、溫度頻率、星地比較、工作時(shí)間等數(shù)據(jù)，采用不同算法來計(jì)算并調(diào)整衛(wèi)星信號(hào)，然后，以時(shí)頻方式生成頻率新號(hào)并增強(qiáng)空間時(shí)鐘的性能，而時(shí)頻信號(hào)的產(chǎn)生利用主時(shí)鐘和備用時(shí)鐘的平緩切換，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)的產(chǎn)生和維持。此外，技術(shù)人員可以在深入研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位關(guān)系進(jìn)行深入分析，確保有效、穩(wěn)定的連續(xù)時(shí)頻信號(hào)。

3 系統(tǒng)硬件及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)硬件

考慮到系統(tǒng)硬件是模擬器進(jìn)行軟件安裝與安裝的操作平臺(tái)，因此，系統(tǒng)硬件中的信號(hào)模擬器主要由國(guó)家計(jì)量研究所的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室提供，主要包括一個(gè)軟件主機(jī)控制器、一個(gè)信號(hào)組合器、一個(gè)GLONASS 信號(hào)模擬器和一個(gè)GPSLI+L2 信號(hào)模擬器。在這一過程中GLONASS 信號(hào)模擬器和GPSLI+L2 信號(hào)模擬器的基本功能是將GLONASS 與GPS 信號(hào)合并，然后，在組合器的信號(hào)輸出處形成雙系統(tǒng)和雙頻衛(wèi)星仿真信號(hào)，從而為技術(shù)人員提供現(xiàn)實(shí)而全面的時(shí)頻校準(zhǔn)環(huán)境，上文提到的系統(tǒng)硬件具有較高設(shè)備水平，因此，具有良好泛用性。

3.2 關(guān)鍵系統(tǒng)

在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用中，硬件之間的通信需要通信接口協(xié)議，任何信號(hào)模擬器和校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件也都需要通信接口協(xié)議的支持，因此，不難看出，通信接口協(xié)議Die Zeit-頻率校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收器非常重要。由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)是空間定位科學(xué)技術(shù)的典型技術(shù)，并且衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)正在不斷優(yōu)化和更新，因此該關(guān)鍵技術(shù)常用于獲取空間信息數(shù)據(jù)與各種服務(wù)。另外，衛(wèi)星導(dǎo)航接收器的當(dāng)前時(shí)頻校準(zhǔn)格式為NMEA-0183，其系統(tǒng)格式是最終定位格式的一部分，且二進(jìn)制定位格式有效地轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)定位格式，因此，具有良好的使用價(jià)值。

3.3 應(yīng)用要點(diǎn)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)的一般構(gòu)造原理影響了實(shí)際應(yīng)用時(shí)的要點(diǎn)。技術(shù)人員根據(jù)對(duì)標(biāo)定接收機(jī)、接收機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)和信號(hào)模擬器之間的數(shù)據(jù)信息，以及傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行分析，就可以獲得整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)框架的詳細(xì)設(shè)計(jì)模式。技術(shù)人員在進(jìn)行分析后就可以發(fā)現(xiàn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)所需的所有信息基本上都包含要校準(zhǔn)的接收機(jī)和信號(hào)模擬器的所有數(shù)據(jù)信息，并且信號(hào)模擬器的數(shù)據(jù)信息主要包括發(fā)送用于控制模擬器的相關(guān)命令和返回?cái)?shù)據(jù)信息。與此同時(shí)，傳輸請(qǐng)求主要包括接收機(jī)內(nèi)部時(shí)頻校準(zhǔn)系統(tǒng)與信號(hào)模擬器之間的通信命令數(shù)據(jù)信息的傳輸。另外，相互校準(zhǔn)程序還可以有效地提高信號(hào)模擬器系統(tǒng)的軟件運(yùn)行效率，并有效地調(diào)節(jié)信號(hào)功率強(qiáng)度，從而為接收機(jī)校準(zhǔn)提供最佳的外部校準(zhǔn)條件，在提高了校準(zhǔn)效率的同時(shí)，節(jié)省了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

另外，考慮到模擬器是校準(zhǔn)源的一部分，并可以提供適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)，因此，在某種程度上可以認(rèn)為，模擬器必須提供適當(dāng)?shù)男畔⒑蛿?shù)據(jù)以校準(zhǔn)各種參數(shù)，例如，高度和速度限制測(cè)量、精度和錯(cuò)誤檢測(cè)、靈敏度跟蹤檢測(cè)等。在這一過程中，技術(shù)人員要校準(zhǔn)的接收器的信息數(shù)據(jù)管理包括，從接收器發(fā)送控制命令、收集接收器返回的信息數(shù)據(jù)、處理解碼和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在上述環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，才能夠形成最后的數(shù)據(jù)信息文件。與此同時(shí)，考慮到接收器通過校準(zhǔn)系統(tǒng)的串行接口與校準(zhǔn)系統(tǒng)通信，并發(fā)送關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息命令，因此，技術(shù)人員在收集接收方返回的信息數(shù)據(jù)時(shí)，必須首先對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解碼，然后確定接收方的具體情況和位置，才能夠獲取緯度和經(jīng)度等地理位置信息，這有助于精確計(jì)算各種參數(shù)與信息，從而獲得更加準(zhǔn)確的校準(zhǔn)文件。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)用操作方法、系統(tǒng)框架、系統(tǒng)硬件和關(guān)鍵技術(shù)。為了更好地利用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)，技術(shù)人員需要充分利用其技術(shù)提高校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)，繼續(xù)研究和探索該領(lǐng)域的前沿新技術(shù)以更好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，只有這樣，才能夠?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)頻校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展帶來更多技術(shù)上的助力。