一種時(shí)間比對(duì)設(shè)備零值的校準(zhǔn)方法

韓 華，董仁智，劉連照

(1.石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；4.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

進(jìn)行地面站間高精度時(shí)間比對(duì)常用的方法有光纖雙向時(shí)間比對(duì)法、衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)法及衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)法等[1]。光纖雙向時(shí)間比對(duì)法以光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，受傳輸鏈路影響較小，時(shí)間比對(duì)精密度優(yōu)于1 ns[2]；衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)以GEO衛(wèi)星為中介，雙向轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距信號(hào)，信號(hào)收發(fā)鏈路對(duì)稱，時(shí)間比對(duì)精密度優(yōu)于2 ns[3]；衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)在相同時(shí)刻觀測(cè)共同的衛(wèi)星，有效消除了衛(wèi)星鐘差影響，時(shí)間比對(duì)精密度優(yōu)于5 ns[4]。上述3種時(shí)間比對(duì)手段，衛(wèi)星共視因使用費(fèi)用低、比對(duì)精度高、覆蓋范圍廣及可連續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[5]。

影響衛(wèi)星共視比對(duì)精度的誤差主要為：信號(hào)傳播相關(guān)誤差、衛(wèi)星相關(guān)誤差及共視設(shè)備相關(guān)誤差等[6]。衛(wèi)星共視屬于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，設(shè)備老化、環(huán)境變化等因素都會(huì)影響共視設(shè)備零值的變化，進(jìn)而影響共視比對(duì)精度，因此定期對(duì)設(shè)備零值進(jìn)行校準(zhǔn)具有一定的必要性[7-9]。

國際權(quán)度局(BIPM)使用流動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)世界范圍內(nèi)的UTC(k)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定期相對(duì)零值校準(zhǔn)[10]，BIPM對(duì)UTC(k)實(shí)驗(yàn)室以外的用戶不提供服務(wù)，因此對(duì)于UTC(k)實(shí)驗(yàn)室以外用戶設(shè)備零值難以得到有效標(biāo)定。本文提出了一種時(shí)間比對(duì)設(shè)備零值的絕對(duì)校準(zhǔn)方法，使用基于模擬源與微波暗箱對(duì)時(shí)間比對(duì)設(shè)備零值進(jìn)行分段標(biāo)校，能夠?qū)r(shí)間比對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)且不受時(shí)間比對(duì)設(shè)備內(nèi)部部件替換限制，有利于提升時(shí)間比對(duì)設(shè)備比對(duì)精度。

1 零值校準(zhǔn)原理

零值校準(zhǔn)設(shè)備由導(dǎo)航信號(hào)模擬源、發(fā)射天線、微波暗箱、低噪聲放大器及線纜等組成。待校準(zhǔn)時(shí)間比對(duì)設(shè)備由接收天線、30 m天線線纜及共視設(shè)備主機(jī)等組成。零值校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 零值校準(zhǔn)原理Fig.1 Principle of zero value calibration

τa=τt+τr+τRF=(τs+τATT+τLT)+

(τATR+τLR+τREC)+τRF，

式中，τa為鏈路總零值；τt為發(fā)射零值；τr為待測(cè)的接收零值；τRF為信號(hào)空間傳播零值；τs為模擬源發(fā)射零值；τATT為發(fā)射線纜零值；τLT為發(fā)射天線零值；τATR為接收天線零值；τLR為接收線纜零值；τREC為待測(cè)共視設(shè)備零值。

由圖1可以看出，鏈路總零值通過計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)測(cè)量，模擬源發(fā)射零值使用高速示波器進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)射天線零值為已知值，發(fā)射線纜零值通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。本文以GPS L1頻點(diǎn)為例開展接收鏈路的校準(zhǔn)。

2 零值校準(zhǔn)過程

時(shí)間比對(duì)設(shè)備的零值定義為接收天線的相位中心至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號(hào)輸入?yún)⒖键c(diǎn)[11]，整個(gè)校準(zhǔn)分為：線纜校準(zhǔn)、共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)和接收天線校準(zhǔn)。

2.1 線纜校準(zhǔn)

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)延的功能測(cè)試電纜時(shí)延。測(cè)試開始前需對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行自校準(zhǔn)，測(cè)試框圖如圖2(a)所示。線纜測(cè)試原理如圖2(b)所示。線纜校準(zhǔn)測(cè)試如圖3所示。測(cè)試選用30 m天線線纜，測(cè)量3次取平均值，得到天線線纜的時(shí)延為132 ns。

圖2 線纜校準(zhǔn)與測(cè)試原理Fig.2 Principle of cable calibration and test

圖3 線纜校準(zhǔn)測(cè)試Fig.3 Cable calibrate test

2.2 共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)

共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)需使用GNSS導(dǎo)航信號(hào)模擬源搭建閉合環(huán)路進(jìn)行測(cè)試，因此需先標(biāo)定GNSS導(dǎo)航信號(hào)模擬源發(fā)射零值，模擬源發(fā)射零值定義為模擬源射頻輸出線纜末端至模擬源1 pps信號(hào)輸出接口。利用寬帶高速采樣存儲(chǔ)示波器和專用的信號(hào)時(shí)延分析軟件對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域觀測(cè)[12]，如圖4所示。設(shè)置模擬源，使其產(chǎn)生射頻信號(hào)，通過高速示波器在整秒時(shí)刻比較模擬器輸出的1 pps信號(hào)及標(biāo)校端口輸出的衛(wèi)星信號(hào)的相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，從而確定模擬器的發(fā)射零值，測(cè)量3次取平均值，得到模擬源發(fā)射零值為275.49 ns。

圖4 模擬源校準(zhǔn)原理Fig.4 Principle of signal simulator calibration

使用校準(zhǔn)完成的GNSS導(dǎo)航信號(hào)模擬源與待測(cè)共視設(shè)備主機(jī)搭建閉合測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。共視設(shè)備主機(jī)零值定義為30 m線纜輸入端至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號(hào)輸入端，共視設(shè)備主機(jī)使用外部輸入的1 pps作為偽距測(cè)量基準(zhǔn)，因此共視設(shè)備主機(jī)射頻輸入端口至主機(jī)內(nèi)部1 pps基準(zhǔn)參考點(diǎn)的零值可由模擬源的發(fā)射偽距與共視設(shè)備主機(jī)的接收偽距做差獲得；主機(jī)內(nèi)部1 pps基準(zhǔn)參考點(diǎn)至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號(hào)輸入端的零值由時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量獲得。

連續(xù)采集1 h數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到共視設(shè)備主機(jī)零值為463.21 ns。

圖5 主機(jī)校準(zhǔn)原理Fig.5 Principle of host calibration

2.3 接收天線校準(zhǔn)

接收天線校準(zhǔn)在線纜、共視設(shè)備主機(jī)完成校準(zhǔn)后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試框圖如圖6所示。

圖6 天線校準(zhǔn)原理Fig.6 Principle of antenna calibration

校準(zhǔn)實(shí)物如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)實(shí)物Fig.7 Picture of calibration equipment

測(cè)試鏈路除待測(cè)天線零值未知外，還需扣除射頻信號(hào)在微波暗箱中的傳輸時(shí)延，使用激光測(cè)距儀測(cè)量收、發(fā)天線間距離，計(jì)算得到傳輸時(shí)延。連續(xù)采集1 h數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接收天線零值為62.35 ns。

3 零值校準(zhǔn)驗(yàn)證

按照上述方法分別選取時(shí)間比對(duì)設(shè)備A，B進(jìn)行零值校準(zhǔn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。則時(shí)間比對(duì)設(shè)備A，B間的相對(duì)零值為3.78 ns，作為后續(xù)測(cè)試的零值參考值。

表1 零值校準(zhǔn)記錄表
Tab.1 Results of zero value calibration

序號(hào)設(shè)備類別測(cè)量值/ns1A線纜133.68主機(jī)463.21天線63.152B線纜135.15主機(jī)458.76天線62.35

將時(shí)間比對(duì)設(shè)備A和B搭建同源、超短基線環(huán)境進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，天線置于開闊無遮擋處，連續(xù)采集2 d原始觀測(cè)數(shù)據(jù)使用PPP的方法標(biāo)定位置坐標(biāo)，使用該坐標(biāo)位置進(jìn)行共視數(shù)據(jù)處理，連續(xù)測(cè)量3次，每次測(cè)量周期的24 h，每次測(cè)量后設(shè)備進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作，最終得到數(shù)據(jù)如表2所示。表中測(cè)量值表示3次同源測(cè)試結(jié)果。

表2 超短基線測(cè)試記錄表 ns

Tab.2 Results of mini-baseline test

序號(hào)零值參考值超短基線測(cè)量值偏差1233.783.890.114.020.243.920.14

由表2可以看出，使用本文所示方法對(duì)共視設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.3 ns。

4 結(jié)束語

本文研究了一種時(shí)間比對(duì)設(shè)備零值的絕對(duì)校準(zhǔn)方法，利用模擬源與微波暗箱的組合對(duì)待測(cè)設(shè)備零值進(jìn)行分段校準(zhǔn)，基于該方法對(duì)2套時(shí)間比對(duì)設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定，并搭建了同源、超短基線環(huán)境進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明該方法可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.3 ns的校準(zhǔn)精度。后續(xù)可將所涉及的校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行便攜化設(shè)計(jì)并進(jìn)行軟件自動(dòng)化測(cè)試功能開發(fā)，從而進(jìn)一步滿足工程應(yīng)用。