北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)研究

戎 強(qiáng)，尹繼凱，王 彬

北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)研究

戎 強(qiáng)，尹繼凱，王 彬

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

針對日益增長的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定需求，在建立北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型的基礎(chǔ)上，深入研究了5種北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定原理及其優(yōu)勢和不足，并利用不同型號北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)開展了零值標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，5種零值標(biāo)定技術(shù)可分別實(shí)現(xiàn)不超過0.1 ns、0.9 ns、1.5 ns、2.0 ns、2.8 ns的零值標(biāo)定，分別適用于少量超高精度標(biāo)定、小批量較高精度標(biāo)定、大批量自動化標(biāo)定、日常巡檢標(biāo)定、快捷粗略標(biāo)定等不同類型的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定應(yīng)用場合，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

北斗授時(shí)；時(shí)統(tǒng)；零值標(biāo)定；組合零值；時(shí)間鏈路

0 引言

隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，北斗衛(wèi)星信號已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，大量的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)、大眾生活等諸多領(lǐng)域，未來海量的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)將投入市場，而北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備的零值標(biāo)定精度直接影響著北斗授時(shí)服務(wù)的精度[1]，所以有必要深入研究北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定技術(shù)，以推進(jìn)大量已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)巡檢標(biāo)定服務(wù)的完善升級和海量新增北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。

對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)授時(shí)時(shí)統(tǒng)輸出的定時(shí)信號與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的高精度同步，當(dāng)前，國際通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated，UTC），我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生維持的本地時(shí)間通過高精度時(shí)間比對鏈路間接溯源到了UTC[2]，因此可以通過測量對應(yīng)鏈路的時(shí)延值實(shí)現(xiàn)對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定，從而保證北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)定時(shí)信號的準(zhǔn)確性。當(dāng)前，存在大量針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的綜合性能測試技術(shù)[3-5]的研究和單項(xiàng)指標(biāo)測試技術(shù)[6-8]的研究，包括通道時(shí)延標(biāo)定[9-11]、特定鏈路的零值標(biāo)定[12,13]、導(dǎo)航接收機(jī)授時(shí)精度測試[14,15]以及針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的微波暗室自動測試[16-19]等技術(shù)的研究，但尚未見到針對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的較為體系化的研究，針對當(dāng)前存在的多種不同類型的零值標(biāo)定需求，本文開展了北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的深入研究，并進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型

研究北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型的目的是通過分析北斗授時(shí)鏈路的時(shí)間傳遞過程[20]，研究影響時(shí)間傳遞精度的關(guān)鍵因素，進(jìn)而設(shè)計(jì)有效可行的零值標(biāo)定方案。北斗授時(shí)鏈路的時(shí)間傳遞模型主要包括溯源鏈路、站間鏈路、星地鏈路、下行時(shí)統(tǒng)鏈路，北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型如圖1所示。

圖1 北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型

2 北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)

針對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)中存在的少量超高精度零值標(biāo)定、小批量較高精度零值標(biāo)定、大批量自動化零值標(biāo)定、已部署時(shí)統(tǒng)日常巡檢、部分時(shí)統(tǒng)快捷粗略標(biāo)定等多種不同類型的標(biāo)定需求，基于全鏈路組合零值等于相互獨(dú)立的各分段零值代數(shù)和的原理，北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)可劃分為UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)和時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)。

2.1 零值標(biāo)定技術(shù)基本原理

2.1.1 UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)

圖2 UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)原理圖

由式（1）～式（3）聯(lián)立，得到北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.2 遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)

圖3 遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)原理圖

由式（1）、式（2）和式（5）聯(lián)立，得到北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.3 測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)

圖4 測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)原理圖

圖4中時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的時(shí)差測量值可表示為：

在式（8）成立的前提下，測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)與UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測試原理類似。由式（1）、式（2）、式（7）和式（8）聯(lián)立，可得到北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.4 檢測儀標(biāo)定技術(shù)

圖5 檢測儀標(biāo)定技術(shù)原理圖

圖5中，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的測量值可表示為：

在式（11）成立的前提下，檢測儀標(biāo)定技術(shù)與UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測試原理類似。式（1）、式（2）、式（10）和式（11）聯(lián)立，可得到北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.5 時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)

時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)是利用零值經(jīng)過精密標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)統(tǒng)作為參考，通過接收空間導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號，對被測北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行對比測試的零值標(biāo)定技術(shù)，其基本原理如圖6所示。

圖6 時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)原理圖

2.2 各零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足

所述5種北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)分別具有各自的優(yōu)勢和不足，如表1所示。

表1 零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足

3 驗(yàn)證與分析

實(shí)驗(yàn)由6臺不同廠家研制的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)，分別采用所述的五種不同的零值標(biāo)定技術(shù)對它們進(jìn)行零值標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定是直接在UTC中心完成的，而對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)輸出的定時(shí)信號與UTC中心定時(shí)信號的高精度同步，所以該技術(shù)是最高精度的零值標(biāo)定技術(shù)，其零值標(biāo)定誤差的主要來源為標(biāo)定設(shè)備引入的測量誤差，這里取UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定誤差不超過0.1 ns；為了評估遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)、時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)等其它4種技術(shù)的標(biāo)定精度，將其它4種標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定結(jié)果與UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定結(jié)果作差，并求取各標(biāo)定技術(shù)的零值偏差均值，進(jìn)而評估各標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度，零值數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示。

表2 零值標(biāo)定結(jié)果（單位：ns）

表3 零值數(shù)據(jù)處理結(jié)果（單位：ns）

可見，所述5種零值標(biāo)定技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定，但各標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度存在一定的不同，結(jié)合各零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足，具體分析結(jié)果如下：

1）UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度最高，其零值標(biāo)定誤差在0.1 ns以內(nèi)，可滿足少量高精度零值標(biāo)定用戶的零值標(biāo)定需求，但難以支撐大批量的時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，不支持對已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

2）遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較高精度的零值標(biāo)定，其零值標(biāo)定偏差的均值在0.9 ns以內(nèi)，相對于構(gòu)建遠(yuǎn)程時(shí)間比對鏈路所產(chǎn)生的UTC標(biāo)準(zhǔn)信號的大范圍拓展，引入不超過0.9 ns的零值偏差是可以接受的；該技術(shù)可滿足小批量較高精度零值標(biāo)定用戶的標(biāo)定需求，但難以支持大批量時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，不支持對已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

3）測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差的均值在1.5 ns以內(nèi)，對于標(biāo)準(zhǔn)化測試流程產(chǎn)生的批量化標(biāo)定優(yōu)勢，引入不超過1.5 ns的零值偏差是可以接受的；該技術(shù)可支撐大批量的時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，但不支持對已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

4）檢測儀標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差的均值在2.0 ns以內(nèi)，其便捷的日常巡檢標(biāo)定能力可有效支撐大量已經(jīng)部署的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的抵近式零值巡檢。

5）時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差均值在2.8 ns以內(nèi)，對于授時(shí)需求在6 ns以內(nèi)的高精度授時(shí)應(yīng)用其零值標(biāo)定精度略顯不足，但作為最快捷、最容易實(shí)現(xiàn)的零值標(biāo)定技術(shù)，該技術(shù)在北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的粗略標(biāo)定和定性測試中依然具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

在對北斗授時(shí)時(shí)間傳遞鏈路進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，對北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并利用6種不同廠家的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)開展了針對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明：UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)、時(shí)統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用性，可分別滿足少量用戶的超高精度零值標(biāo)定、小批量用戶的較高精度零值標(biāo)定、大批量用戶的較高精度的自動化零值標(biāo)定、已部署用戶的一定精度的日常巡檢零值標(biāo)定需求以及絕大多數(shù)用戶的快捷粗略標(biāo)定需求。所述的五種標(biāo)定技術(shù)在工程上已經(jīng)被部分采用，獲得了良好的效果，對于各類北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定系統(tǒng)和裝備的研制具有一定的參考價(jià)值。

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Study on Zero-Value Calibration Technology of Beidou Timing System

RONG Qiang, YIN Jikai, WANG Bin

In order to meet the growing demand for zero-value calibration of Beidou timing system, based on the establishment of Beidou timing link model, the testing mechanism, advantages and disadvantages of five Beidou timing system zero-value calibration technologies are analyzed in depth, and the zero-value calibration experiments are carried out using different Beidou timing systems. The results show that the five zero-value calibration technologies can achieve zero-value calibration of no more than 0.1 ns, 0.9 ns, 1.5 ns, 2.0 ns, 2.8 ns, respectively. They are suitable for different types of zero-value calibration applications such as small quantities of ultra-high precision calibration, small quantities of high accuracy calibration, large quantities of automated calibration, daily patrol calibration, fast and rough calibration, and have good engineering application value.

Beidou Timing; Timing System; Zero-Value Calibration; Combined Zero-Value; Time Link

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-05-313-06

2022-05-05。戎強(qiáng)（1980.02—），河北石家莊人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闀r(shí)間頻率系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)。