衛(wèi)星單頻近距離共視與雙頻單向授時站間同步性能分析

曾文帝，何力，劉婭

衛(wèi)星單頻近距離共視與雙頻單向授時站間同步性能分析

曾文帝1，何力1，劉婭2

（1. 中興通訊股份有限公司，深圳 518057；2. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600）

文章對雙頻電離層修正技術(shù)原理和衛(wèi)星共視技術(shù)原理進行了論述。通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對它們的電離層時延修正處理方法進行分析，從而說明在電信網(wǎng)絡(luò)的高精度時間傳遞過程中采用單頻接收機代替雙頻接收機實施衛(wèi)星共視技術(shù)的可行性。最后，通過實驗論證了在一定基線范圍內(nèi)，單頻衛(wèi)星共視比對實現(xiàn)的授時精度能達到近似雙頻的結(jié)果。

單頻；雙頻；衛(wèi)星共視；授時精度

0 引言

隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，時間同步技術(shù)精度可能出現(xiàn)分級要求。在滿足5G成幀的時間精度基本要求下（PRTC，即主要指標為時間與標準UTC時間偏差±100 ns以內(nèi)）[1]，可能會出現(xiàn)更高精度的分級需求，比如聯(lián)合MIMO（multi input multi output）發(fā)送、室內(nèi)定位或其他物聯(lián)網(wǎng)的需求。為了實現(xiàn)更高精度更可靠的時間網(wǎng)建設(shè)，一種可能的解決方案是將網(wǎng)絡(luò)分割，縮小時間網(wǎng)規(guī)模以規(guī)避建網(wǎng)風(fēng)險。

如圖1（衛(wèi)星共視應(yīng)用場景）所示，未來時間網(wǎng)可能形成基于衛(wèi)星共視技術(shù)的多級比對網(wǎng)絡(luò)，按區(qū)域劃分多個同步網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域內(nèi)的若干節(jié)點作為從站與主站通過衛(wèi)星共視比對實現(xiàn)同步，而各網(wǎng)絡(luò)之間通過更高性能遠程比對進行同步。比如可能使用基于衛(wèi)星共視的超高精度時間服務(wù)器（ePRTC，即主要指標為時間與標準UTC時間偏差±30 ns以內(nèi)）[2]，配置高性能銣鐘和雙頻衛(wèi)星接收機，實現(xiàn)城域中心的時間服務(wù)器與基準（比如中國科學(xué)院國家授時中心）比對，以此提供高穩(wěn)定高準確度的時間信號，回傳網(wǎng)通過高精度承載設(shè)備傳遞時間?；貍骶W(wǎng)的中心時間服務(wù)器既作為超高精度時間服務(wù)器的共視從站，還是區(qū)域的主站，用于同步該區(qū)域內(nèi)各個作為共視從站的時間服務(wù)器。

圖1 衛(wèi)星共視應(yīng)用場景

對于局部更高時間精度要求的區(qū)域，使用低成本衛(wèi)星共視從站，作為有線網(wǎng)時間服務(wù)的時間源，達到100 km距離范圍內(nèi)的主、從站間時間偏差優(yōu)于±30 ns，此外基于光纖傳遞的時間還可以作為衛(wèi)星時間源的備份。不同局部區(qū)間的時間誤差，由共視從站間的誤差決定。

文章對雙頻接收機授時誤差修正原理與衛(wèi)星共視高精度原理進行詳細說明和對比，論述了兩站距離在100 km以內(nèi)進行時間比對時，作為衛(wèi)星共視比對的從站使用單頻接收機代替雙頻接收機的可行性，達到既保障高精度時間（ePRTC）傳遞又顯著降低成本的目的。

1 雙頻修正算法模型

GNSS授時導(dǎo)航定位的過程中包含有各種誤差，比如衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲、相對論效應(yīng)、多路徑效應(yīng)和接收機噪聲等，其中電離層延遲造成的誤差可能是整個衛(wèi)星定位授時過程中誤差最大的分量[3]。圖2為GNSS單向授時過程誤差產(chǎn)生的簡要圖示。

電離層是高度為50~1 000 km的大氣層，由于太陽的輻射，氣體分子被電離產(chǎn)生了自由電子和離子。無線電波在穿越電離層時會發(fā)生折射，該折射系數(shù)是電波頻率的一個函數(shù)，最終導(dǎo)致傳播路徑和速度都會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電離層延遲。在一些GNSS系統(tǒng)中，由電離層延遲引起的偽距誤差最大為150 m，最小時也有5 m左右[4]。

圖2 GNSS單向授時過程誤差圖示

為了測量或修正電離層延遲造成的誤差，對于單頻接收機用戶，電離層數(shù)學(xué)建模是主要的方法，但對于現(xiàn)有的單頻修正經(jīng)驗?zāi)Ｐ停话阍趯崟r修正中最多也只能修正70%的電離層誤差。因此在GNSS定位過程中，電離層延遲不僅是最主要的誤差來源，也是限制單頻衛(wèi)星接收機精度的關(guān)鍵因素。要獲取更高的定位和授時精度，常用的方法是使用雙頻或更多頻進行自校正，消除電離層誤差[5-6]。

實驗證明式（3）中一階項造成的電離層折射誤差為米級，而高階項造成的電離層折射誤差為分米級及其以下，由于1 m的誤差反應(yīng)到授時精度上為3.3 ns，因此這里只考慮一階項[10-11]。

忽略高階項，電離層一階項的電離層折射誤差為

根據(jù)前述的群折射率引起的電離層延遲，有：

因此，可知

最終線性組合方程變?yōu)?/p>

為了消除電離層折射延遲造成的誤差項，式（12）需滿足以下條件：

最終求得：

經(jīng)過雙頻電離層修正后偽碼測距組合觀測值為

由以上過程可知，雙頻接收機將不同頻率經(jīng)電離層的延遲差異進行線性組合，從而消除一階項電離層折射誤差，在理論上殘余的電離層誤差為高階項折射延遲誤差，數(shù)量級應(yīng)在米級以下，在實際情況中，雙頻接收機相較于單頻接收機極大地削弱了電離層折射延遲誤差造成的影響，有助于提高授時精度（相較于單頻單向授時優(yōu)于±100 ns提高到了優(yōu)于±30 ns）。

2 衛(wèi)星共視技術(shù)算法模型

單向授時是目前時間服務(wù)器進行授時的主用技術(shù)方案，其具有傳遞成本低的特點。然而隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，單向授時的精度越來越難以滿足超高精度的時間同步需求，因此迫切需要采用更高精度的時間同步方案。綜合考慮到性能，價格以及可實現(xiàn)性等因素，衛(wèi)星共視技術(shù)成為超高精度時間傳遞的新方案。

衛(wèi)星共視技術(shù)是目前地球上遠距離時間傳遞技術(shù)的主要方法之一，也是國際原子時合作的主要技術(shù)手段之一，其基本原理是指地球上任何兩地的站點（本文中將性能更優(yōu)的站點視為參考的主站，較差的視為從站），在同一時刻接收同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號，可以消除掉兩條傳播路徑上的共同誤差，從而實現(xiàn)兩地之間的時間比對，再將對比結(jié)果反饋完成兩站的時間同步過程[12-14]。圖3為共視法基本原理。

圖3 共視法基本原理

則最終可以獲得偽隨機碼測距公式為

整理后為

同理對于站點可得

將式（21）和（22）作差，得到共視比對公式：

式（23）中：

電離層延遲是衛(wèi)星授時路徑誤差的主要來源，所以在這里主要分析衛(wèi)星共視中電離層延遲的影響，以和雙頻消除電離層延遲誤差結(jié)果進行對比。

則對于衛(wèi)星共視中電離層延遲為

圖4 衛(wèi)星共視形成的三角示意圖

根據(jù)圖4，有：

由于三角形兩邊之差小于第3邊，則：

由弦切角定理可知，

在某些GNSS系統(tǒng)中，設(shè)衛(wèi)星軌道高度約為20 200 km，此距離亦為衛(wèi)星到地面站點的最短距離，因此

根據(jù)式（32）可知在此條件下最終衛(wèi)星共視將電離層延遲造成的誤差由原有的5~150 m至少縮小到了7 cm~2.12 m之間，并且可以進一步選取更合適的衛(wèi)星仰角，其對電離層誤差的影響甚至可以做到近似雙頻修正的效果。

綜上所述，在100 km距離范圍內(nèi)，衛(wèi)星共視技術(shù)相較于雙頻電離層改正可以達到類似的結(jié)果，同時根據(jù)共視比對原理可知，衛(wèi)星共視還可以消除衛(wèi)星鐘差和部分星歷誤差的影響[10]。此外，衛(wèi)星共視的設(shè)備時延校準只需要主、從兩站間的相對校準，比單向授時需要絕對校準更容易實現(xiàn)[11]。

雙頻單向授時相較單頻接收機來說，其主要優(yōu)勢是通過雙頻能更準確地修正電離層延遲。通過以上對比分析可知，基于單頻接收機的衛(wèi)星共視技術(shù)在主從兩站距離及仰角合適的情況下，共視站點間的時間精度可以達到近似于雙頻接收機的效果。因此在實現(xiàn)更高精度的時間組網(wǎng)中，完全可以采用基于單頻接收機的衛(wèi)星共視從站作為時間源，通過多級級聯(lián)整個城市提供高精度時間，縮小了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活度和健壯性，并且使用單頻接收機替換雙頻接收機能顯著地降低設(shè)備成本。

3 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

雙頻單向授時采用諾瓦泰雙頻接收機，將接收機天線安裝在實驗室天臺，確保衛(wèi)星高度角5°以上無高大建筑物遮擋。使用國家授時中心產(chǎn)生的國家標準時間UTC（NTSC）主鐘信號為測試用時間參考，為降低主鐘信號經(jīng)長距離（400 m）傳輸引入的噪聲干擾，在實驗室使用相位微調(diào)器對主鐘信號進行再生，使輸出信號保持與UTC（NTSC）同步（兩者之間的偏差小于2 ns），相位微調(diào)器輸出的10 MHz信號為時間間隔計數(shù)器提供參考時鐘，將接收機輸出的1 PPS接入時間間隔計數(shù)器的另一個通道，時間間隔計數(shù)器每秒測量一次接收機信號與UTC（NTSC）的時間偏差，使用工控機采集并保存數(shù)據(jù)，場景測試時間為48 h，測試環(huán)境為實驗室室溫環(huán)境。測試結(jié)構(gòu)如圖5所示[21-23]。

圖5 雙頻單向授時時間偏差測試結(jié)構(gòu)示意圖

雙頻接收機單向授時測試結(jié)果如圖6所示，測試時間為20170119T16:41:16/20170121T16:02:41，雙頻接收機時間相對于標準UTC時間的偏差波動范圍為332~371 ns，這個比對數(shù)據(jù)包含了天線，線纜及接收機本身造成的時延共約350 ns，在補償了這部分值后，雙頻接收機單向授時過程造成的時間偏差范圍為-18~21 ns，峰峰值為39 ns。

衛(wèi)星共視授時測試的主站以UTC（NTSC）主鐘信號為參考，工作地點在國家授時中心的西安航天產(chǎn)業(yè)基地試驗場，被測的從端分別是采用單頻衛(wèi)星接收機和雙頻衛(wèi)星接收機的UTC（NTSC）時間復(fù)現(xiàn)終端，安裝在西安臨潼國家授時中心實驗室，與主站所在地間的直線距離約33 km，使用衛(wèi)星高度角20°以上的可視衛(wèi)星進行共視。因為主站參考是UTC（NTSC）主鐘信號，為了測試主從站間的同步性能，在從站接以UTC（NTSC）主鐘信號為參考對從站輸出信號進行測試，主鐘信號處理與雙頻接收機授時測試完全相同?；趩坞p頻接收機共視的測試結(jié)構(gòu)如圖7所示[24-26]，將復(fù)現(xiàn)終端輸出的1 PPS接入時間間隔計數(shù)器的另一個通道，時間間隔計數(shù)器每秒測量一次復(fù)現(xiàn)終端與UTC（NTSC）的時間偏差，并使用工控機采集保存數(shù)據(jù)，場景測試時間為24 h，測試環(huán)境為實驗室室溫環(huán)境。

衛(wèi)星共視單頻復(fù)現(xiàn)終端測試結(jié)果如圖8所示，測試時間為20180102T18:14:19/20180103T18:44:46，事先已經(jīng)測得復(fù)現(xiàn)終端設(shè)備延遲（由于復(fù)現(xiàn)終端內(nèi)部硬件對信號傳輸、處理造成的延遲的總和）約為163 ns，并在測試前進行了補償。從圖8可見衛(wèi)星共視單頻的時間偏移約在-11~11 ns范圍內(nèi)波動，峰峰值約為22 ns。

圖6 雙頻接收機單向授時時間偏移

圖7 基于單雙頻接收機共視的測試結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 單頻衛(wèi)星共視時間偏移

衛(wèi)星共視雙頻復(fù)現(xiàn)終端測試結(jié)果如圖9所示，測試時間為20180106T23:43:26/20180108T08:38:25，事先已經(jīng)測得復(fù)現(xiàn)終端設(shè)備延遲（由于復(fù)現(xiàn)終端內(nèi)部硬件對信號傳輸、處理造成的延遲的總和）約為187 ns，并在測試前進行了補償。從圖9可見衛(wèi)星共視雙頻的時間偏移約在-8~7 ns范圍內(nèi)波動，峰峰值約為15 ns。

圖9 雙頻衛(wèi)星共視時間偏移

對比雙頻單向授時的時間偏移數(shù)據(jù)和單雙頻衛(wèi)星共視的時間偏移數(shù)據(jù)，三者皆滿足ITU-T對ePRTC的性能要求，相對標準UTC時間的偏差皆在±30 ns以內(nèi)。對比圖6與圖8，相較于雙頻單向授時，單頻衛(wèi)星共視的時間偏移相對較小，峰峰值也從39 ns下降到22 ns，原因在于衛(wèi)星共視不僅在此實驗條件下對電離層誤差做到了與雙頻修正相似的效果，以及衛(wèi)星共視技術(shù)還能消除衛(wèi)星鐘等共有誤差。對比圖8與圖9，可以看出雖然單頻共視的時間波動范圍仍然大于采用了雙頻接收機的衛(wèi)星共視，可見復(fù)合兩種技術(shù)手段的雙頻共視在處理電離層誤差上還是略優(yōu)于僅使用單頻共視技術(shù)。單頻衛(wèi)星共視的時間偏移的標準差接近雙頻共視的1.7倍，即相對雙頻衛(wèi)星共視，單頻衛(wèi)星共視的時間偏移波動更加不穩(wěn)定，這是因為單頻衛(wèi)星共視對衛(wèi)星仰角的要求更加苛刻，為了滿足高度角條件，導(dǎo)致可用衛(wèi)星數(shù)量減少，從而使得測試數(shù)據(jù)的標準差變大。

實驗驗證了在滿足共視主從站間距離、觀測高度角等條件下，采用單頻接收機的衛(wèi)星共視完全能做到優(yōu)于雙頻單向授時精度并且近似于雙頻衛(wèi)星共視結(jié)果，說明了在未來時間組網(wǎng)對時間精度更高要求下，單頻接收機用于衛(wèi)星共視從站完全可以滿足其要求，并且雙頻接收機的價格一般比單頻接收機價格高出約2個數(shù)量級，采用單頻衛(wèi)星共視也能極大地減少組網(wǎng)成本，但也由于條件限制，導(dǎo)致可能出現(xiàn)可用衛(wèi)星變少數(shù)據(jù)不足的情況，針對此情況，在未來可以采取多模組合的方式來應(yīng)對。

4 結(jié)語

隨著5G技術(shù)的演進，不同業(yè)務(wù)對時間同步精度需求存在差異，而現(xiàn)網(wǎng)承載設(shè)備時間傳遞能力差異較大，不同廠家、不同設(shè)備形態(tài)設(shè)備時間傳遞能力不同，因此未來時間網(wǎng)的建設(shè)方式應(yīng)當(dāng)是分區(qū)靈活部署，避免對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來影響，這就對局部區(qū)域提出了更高時間精度要求，文章即論述了使用單頻衛(wèi)星共視從站，作為局部低成本的時間源，在滿足距離、觀測高度角合適等條件的前提下，提供優(yōu)于雙頻單向授時并且近似于雙頻衛(wèi)星共視的時間精度的方案。

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Analysis of synchronization performance between two stations with satellite single-frequency close-range common view and dual-frequency one-way timing

ZENG Wen-di1, HE Li1, LIU Ya2

(1. Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation, Shenzhen 518057, China; 2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

This paper discusses the principles of dual-frequency ionospheric correction technology and satellite common-view technology. By establishing the corresponding mathematical models, we analyze their processing methods for the ionospheric delay correction, and then illustrate the feasibility of using single-frequency receiver instead of dual-frequency receiver to implement satellite common-view technology in the process of high-precision time transmission of telecommunication network. Finally, we experimentally demonstrate that the timing accuracy by single-frequency satellite common-view comparison approaches to the one by dual-frequency within a certain baseline.

single-frequency; dual-frequency; satellite common-view; timing accuracy

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0101-12

2019-10-23；

2020-01-21

新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)重大專項資助項目（2017ZX03001016）

曾文帝，男，工程師，主要從事通信網(wǎng)時鐘傳遞研究。