衛(wèi)星導航設備收發(fā)鏈路時延測量方法研究①

張金濤，易卿武，王振嶺，魏海濤

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2.河北省衛(wèi)星導航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050081）

0 引 言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段導航衛(wèi)星、地面段運行控制系統(tǒng)和用戶段三大部分組成［1]。系統(tǒng)時間同步需要將導航衛(wèi)星和地面站同步到系統(tǒng)時間基準上。一般來說，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間基準是由位于地面的系統(tǒng)控制中心產(chǎn)生和維持的［2]。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間同步需要使用星地和站間相結(jié)合的時間同步技術(shù)。

通常，在導航系統(tǒng)中采用無線電雙向偽距時間同步法來實現(xiàn)星地時間同步和站間時間同步［2]。無線電雙向時間同步設備的時延測量誤差是系統(tǒng)時間同步的主要誤差。為保證時間同步精度，需要對衛(wèi)星導航系統(tǒng)中時間同步設備的發(fā)射鏈路和接收鏈路設備時延進行測量和標定。

1 時延定義

當信號通過某一傳輸系統(tǒng)或某一網(wǎng)絡時，其輸出信號相對于輸入信號總會產(chǎn)生滯后時間，這就是時延［3]。而幾乎所有的信號傳輸系統(tǒng)（真空除外）都是有色散的，它隨信號頻率變化而變化。時延與信號頻率的關(guān)系稱為系統(tǒng)的時延特性。

設備時延是指信號在發(fā)射設備或接收設備內(nèi)部傳播所需的時間延遲，該時間延遲是設備自身的固有特性，并且其大小與設計有關(guān)。對于不同的設備或系統(tǒng)，根據(jù)個體的設計特殊性，其設備時延有著不同的確切定義。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，通常根據(jù)設備的性質(zhì)可以分為發(fā)射設備時延和接收設備時延。

1.1 發(fā)射設備時延

發(fā)射設備時延起點為發(fā)射基準時刻前沿，發(fā)射設備時延終點在發(fā)射天線的相位中心處，發(fā)射設備時延組成由圖1所示。

圖1 發(fā)射設備時延示意圖

其中，發(fā)射設備時延共包括以下5個引入時延的主要環(huán)節(jié)：時頻處理延遲（τTF）：時頻信號的同步及鏈路處理時延；基帶處理延遲（τTB）：含時標的數(shù)字信號調(diào)制和輸出的處理時延；信道處理延遲（τTC）：中頻信號到射頻信號的變頻放大處理時延；內(nèi)部傳輸延遲（τTS）：信號在設備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時延；天線時延（τTA）：信號自機箱輸出到天線發(fā)射相位中心的傳輸時延。

因此，發(fā)射設備時延可以表示為

1.2 接收設備時延

接收設備時延起點為接收天線的相位中心，終點為接收觀測基準時刻前沿。接收設備時延組成由圖2所示。與發(fā)射設備時延近似，接收設備時延也包括以下5部分引入時延的主要環(huán)節(jié)：

接收時頻處理延遲（τRF）：時頻信號的同步及鏈路處理時延；接收基帶處理延遲（τRB）：含時標的數(shù)字信號跟蹤處理時延；接收信道處理延遲（τRC）：射頻信號到中頻信號的放大變頻處理時延；接收內(nèi)部傳輸延遲（τRS）：信號在設備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時延；接收天線時延（τRA）：信號自天線相位中心到射頻接口的傳輸時延。

因此，接收設備時延可表示為

圖2 接收設備時延示意圖

2 設備時延測量方法

發(fā)射設備時延直接體現(xiàn)在信號相位特征上，可以直接測量，而接收設備時延無法直接測量。接收設備時延是通過測量發(fā)射與接收設備的組合時延來得到。

基于RFSR精密設備時延測量方法的原理［4]，研制了時延測量設備。通過“測量儀表和數(shù)字信號處理技術(shù)”相結(jié)合實現(xiàn)時延測量設備單向零值的精確標定，這樣時延測量設備就成為一個時延特性已知的基準設備，時延測量設備采用恒溫機箱設計，保持時延特性穩(wěn)定，通過組合時延測量，可以實現(xiàn)其他設備單項零值及時延差的精確測定。

時延測量設備進行自身單向時延標定，然后，與被測設備構(gòu)成環(huán)路進行測試，使用時間間隔計數(shù)器測量時延測量設備1PPS基準點（計數(shù)器輸入口）、被測設備1PPS基準點間的時差，結(jié)合時延測量設備與被測設備環(huán)路測試值可以計算得被測設備的單向時延。

如圖3所示，時延測量設備完成自身單向時延標定后，與被測設備構(gòu)成環(huán)路進行測試。通過時間間隔計數(shù)器測量時延測量設備1PPS基準點（計數(shù)器輸入口）、被測設備1PPS基準點間的時差。通過接口單元進行信號電平匹配，方便時延測量設備和被測導航設備的信號接收。結(jié)合時延測量設備與被測設備環(huán)路測試值可以計算得被測設備的單向時延。

被測導航發(fā)射設備發(fā)射導航信號，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，時延測量接收設備接收，獲得組合時延觀測量τTR.時延測量接收設備時延值為τR，接口單元以及附加射頻電纜的時延可以通過矢網(wǎng)或時延測量設備進行精確標定，時延值為τd，時間間隔計數(shù)器測得1PPS基準差為τ1PPS，則被測設備的發(fā)射時延值τT為

圖3 導航設備時延測量連接圖

時延測量發(fā)射設備發(fā)射導航信號，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，被測導航設備接收，獲得組合時延觀測量τTR.時延測量發(fā)射設備時延值為τT，接口單元以及附加射頻電纜的時延值為τd，時間間隔計數(shù)器測得1PPS基準差為τ1PPS，則被測設備的接收時延值τR為

3 導航設備時延測量實驗

3.1 導航設備時延測量有效性實驗

某導航設備A與某導航設備B是雙向時間同步設備。使用時延測量設備測量導航設備A的發(fā)射時延和接收時延分別為1 425.21ns、138.32ns.使用時延測量設備測量導航設備B的發(fā)射時延和接收時延分別為1 558.21ns、282.33ns.

導航設備A與導航設備B可以互發(fā)互收，進行組合時延測試。如圖4所示，導航設備A發(fā)射信號1，導航設備B接收；而導航設備B發(fā)射信號2，導航設備A接收。對于信號1來說，導航設備A與B直接測得組合時延是1 707.35ns；對于信號2來說，導航設備A與B直接測得組合時延是1 696.69ns.

通過時延測量設備測得的組合時延，對于信號1來說，組合時延（信號1）＝導航設備A的發(fā)射時延＋導航設備B的接收時延＝1 425.21＋282.33＝1 707.54ns；對于信號2來說，組合時延（信號2）＝導航設備B的發(fā)射時延＋導航設備A的接收時延＝1 558.21＋138.32＝1 696.53ns.

圖4 導航設備A與B時延測量連接圖

結(jié)合導航設備A與導航設備B組合時延測試結(jié)果，可以進行時延測量設備測試的正確性驗證。驗證結(jié)果如表1所示，導航設備A與導航設備B直接測試組合時延與測量獲得的組合時延對于信號1來說組合時延差為1 707.54－1 707.35＝0.19ns，對于信號2來說組合時延差為1 696.53－1 696.69＝－0.16ns，其差的絕對值均小于0.2 ns.此實驗，驗證了使用時延測量設備進行導航設備時延測量的有效性。

表1 導航設備A與B組合時延

3.2 導航設備時延測量準確性實驗

在被測導航設備的發(fā)射設備射頻信號鏈路中串入高精度可編程延遲線，如圖5所示，通過改變可編程延遲線的延遲量模擬被測導航設備的發(fā)射時延變化，并與時延測量設備測量得到的結(jié)果進行比對，分析測量結(jié)果是否正確。

驗證結(jié)果如表2所示，時延測量設備測得被測導航設備時延變化量與可變延遲線變化量相差較小，其絕對值均小于0.15ns.此實驗，驗證了使用時延測量設備可以較準確的測出導航設備時延的變化。

圖5 導航設備時延測量連接圖

表2 可編程延遲線時延測量表

4 結(jié) 論

綜上所述，使用時延測量設備可以進行衛(wèi)星導航設備收發(fā)鏈路的時延測量。通過實踐以及實驗驗證表明了該方法是可行的且有效。

［1]ELLIOTT D K，Christopher J H.Understanding GPS principles and applications［M].2nded.BOSTON LONDON ARTECH HOUSE，2006.

［2]譚述森.衛(wèi)星導航定位工程 ［M].2版.北京，國防工業(yè)出版社，2010.

［3]李德儒.群時延測量技術(shù)［M].北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［4]魏海濤，蔚保國，李 剛，等.衛(wèi)星導航設備時延精密標定方法與測試技術(shù)研究［J].中國科學：物理學·力學·天文學，2010，40（5）：623－627.