車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)研究

張金濤，魏海濤，李 雋，鄭曉冬

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室,河北 石家莊050081;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)研究

張金濤1,2，魏海濤1,2，李 雋1,2，鄭曉冬1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室,河北 石家莊050081;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞技術(shù)是高精度時間頻率遠程比對的基本手段。對設(shè)備時延進行校準是獲得高精度時間比對的關(guān)鍵。設(shè)計了車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)設(shè)備組成、工作原理及各設(shè)備的功能特點，并對關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)進行了分析。設(shè)計并完成了同源零基線驗證實驗。實驗結(jié)果表明，車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)時延不確定度在0.4 ns之內(nèi)，可以完成對衛(wèi)星雙向時間比對鏈路設(shè)備時延高精度的校準。

雙向時間同步；設(shè)備時延；車載；零基線

0 引言

當前，越來越多的大型分布式無線電系統(tǒng)，如各種雷達系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航地面站等，由多個分布在不同位置的站(設(shè)備)組成。各站為了確保測量數(shù)據(jù)的時間一致，要求各個站(設(shè)備)之間有一個統(tǒng)一的時間標準[1-2]。

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞(TWSTFT)是目前應(yīng)用最為廣泛的遠距離高精度時間傳遞方法之一，通過TWSTFT實現(xiàn)站間時間同步，具有方便、實用和高精度的特點[3]。在雙向時間傳遞過程中，由于鏈路的近似對稱性，地球站之間的傳輸延遲絕大部分被抵消了，剩余的誤差中，地球站信號傳輸延遲及其溫度變化影響是目前TWSTFT鏈路的最主要誤差源[4]。衛(wèi)星雙向系統(tǒng)的校準是具體的工程問題，主要方案有2種：① 基于衛(wèi)星模擬器的地球站實時收發(fā)延遲測量方案；② 基于移動參考站的站間相對延遲測量方案。衛(wèi)星模擬器延遲測量設(shè)備可以安裝在衛(wèi)星雙向地球站，對地球站收發(fā)相對時延進行近實時監(jiān)測，但對TWSTFT系統(tǒng)的校準或驗證不夠直接。移動參考站法較直接，是國際衛(wèi)星雙向鏈路校準的基本方案[5-6]，可以采用車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)對衛(wèi)星雙向的發(fā)射接收設(shè)備進行標校。

1 總體設(shè)計

車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)集成在一臺依維柯車中，如圖1所示，車內(nèi)包含時間同步發(fā)射單元、上變頻器、下變頻器、時間同步接收單元、時頻設(shè)備和監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理設(shè)備等設(shè)備，車輛頂部安裝1.8 m天線，車內(nèi)還包含溫控設(shè)備、調(diào)平設(shè)備和標校設(shè)備等輔助設(shè)備，功放和場放等設(shè)備放置在車載平臺方艙頂部。

圖1 車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)組成

時間同步發(fā)射單元產(chǎn)生時間同步信號，經(jīng)過發(fā)射信道設(shè)備的處理，再通過天線發(fā)射給GEO衛(wèi)星。通過天線接收時間同步信號，經(jīng)過接收信道設(shè)備，變頻到中頻提供給時間同步接收單元設(shè)備進行解調(diào)處理以及偽距測量。

1.1 發(fā)射單元設(shè)計

發(fā)射單元是車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的主要部分之一，完成時間同步信號的產(chǎn)生。

發(fā)射單元基于PXI總線和FPGA+DSP構(gòu)架，主要由DSP模塊、FPGA模塊、高速D/A、時鐘管理模塊、電源模塊和串行通信接口模塊等組成[7]。DSP模塊對監(jiān)控發(fā)來的控制命令和參數(shù)進行解析，產(chǎn)生信號生成的控制參數(shù)提供給FPGA，并對D/A模塊進行控制，協(xié)調(diào)整個單元的信號處理流程。FPGA模塊在DSP解析的信號參數(shù)控制下實現(xiàn)偽隨機碼生成、擴頻調(diào)制、信息組幀、信道編碼、動態(tài)調(diào)整和正交調(diào)制等功能。數(shù)字化的調(diào)制數(shù)據(jù)通過高速D/A進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出中頻信號。

1.2 接收單元設(shè)計

接收單元是車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的主要部分之一，完成時間同步信號的接收。

接收單元基于PXI總線和FPGA+雙DSP構(gòu)架，同步接收處理單元由高速A/D模塊、FPGA模塊、主從DSP模塊、時鐘管理模塊、電源模塊和串行通信接口模塊等組成。其中，F(xiàn)PGA處理模塊包括正交下變頻、載波NCO、偽碼NCO、可配置偽碼發(fā)生器、相關(guān)累積器和精密偽距測量等處理等部分，所有信號的跟蹤控制采用數(shù)字化處理，具有較高的靈活性和可配置性；DSP處理模塊主要完成對FPGA信號的數(shù)據(jù)處理工作，主要包括偽碼的解擴、偽碼環(huán)路和載波環(huán)路的跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)以及譯碼和電文組幀等?？膳渲脗未a發(fā)生器可以實現(xiàn)不同偽碼的生成，以適應(yīng)輸入信號要求。為實現(xiàn)良好的跟蹤及觀測精度，相關(guān)處理可根據(jù)要求采取不同的相關(guān)間隔，以滿足不同跟蹤精度的要求。

1.3 發(fā)射信道設(shè)計

發(fā)射信道設(shè)備主要由上變頻器和功放等設(shè)備組成。上變頻器將發(fā)射單元設(shè)備發(fā)出的中頻信號上變頻到射頻信號，同時具備設(shè)備監(jiān)控功能。功放主要是將射頻信號放大到指定的功率電平。

1.4 接收信道設(shè)計

接收信道設(shè)備主要由下變頻器和場放等設(shè)備組成。場放接收拋物面天線饋源送來的接收信號，進行低噪聲放大送至下變頻器進行處理。下變頻器將射頻信號下變頻至中頻信號。

1.5 天線設(shè)計

1.8 m車載天線設(shè)備由饋源網(wǎng)絡(luò)、天線反射器、天線座架和伺服控制跟蹤等組成。

饋源網(wǎng)絡(luò)包括波紋喇叭、網(wǎng)絡(luò)和饋線等部分；天線反射器包括主反射器、副反射器、饋源及副面支架等；天線座架包括方位機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、驅(qū)動裝置、限位裝置和測角裝置等部分；伺服控制跟蹤包括天線控制單元、驅(qū)動控制組合和安全保護裝置等部分。

1.6 時頻設(shè)備設(shè)計

時頻設(shè)備由高精度原子鐘、信號分配和保持設(shè)備組成，可以為車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)其他設(shè)備提供精確、穩(wěn)定和統(tǒng)一的時頻基準信號。

1.7 監(jiān)控與業(yè)務(wù)處理軟件設(shè)計

監(jiān)控與業(yè)務(wù)處理軟件是整個車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的指揮調(diào)度、監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理中心。主要包括信息接收與解析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)通信和設(shè)備與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等功能。

根據(jù)軟件功能，監(jiān)控與處理軟件分為顯示與控制模塊、信息接收與解析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件模塊劃分如圖2所示。

圖2 監(jiān)控與業(yè)務(wù)處理軟件模塊劃分

2 關(guān)鍵技術(shù)

車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的主要作用是精確地測量和校準地面站的設(shè)備延遲，進一步挖掘TWSTFT技術(shù)潛力，實現(xiàn)亞納秒甚至更高精度時間同步。車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)本身的時延穩(wěn)定是至關(guān)重要的。理想狀態(tài)是車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的本身時延不論其位置在哪里都是不變的。

2.1 設(shè)備時延穩(wěn)定技術(shù)

采用了多種設(shè)計技術(shù)和測量手段來降低設(shè)備時延誤差，提高設(shè)備的時延穩(wěn)定性。

溫度、濕度等環(huán)境因素是衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時延的主要因素[8]，準確的檢測和采用合理的溫度控制方式是實現(xiàn)高精度溫度濕度控制的有效途徑[9]。從設(shè)計角度對車內(nèi)設(shè)備進行環(huán)境參數(shù)的精密控制，對車內(nèi)的溫度、濕度進行精密控制；對于室內(nèi)和室外設(shè)備的連接，使用溫度系數(shù)較低的穩(wěn)相電纜；同時對室外環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，對室外設(shè)備的時延變化進行補償。

設(shè)備老化是長期內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時延不穩(wěn)定的主要因素。在衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)前對器件進行老化篩選及老化試驗，選取抗老化性能好的器件。

從測量角度，為確保使用精度，在車載站設(shè)備集成完畢后進行設(shè)備時延的零值標定；在車載站設(shè)備運行間隙使用在線標校手段對設(shè)備時延進行測量。

2.2 基于高速示波器的高精度設(shè)備時延標定技術(shù)

高精度設(shè)備時延標定技術(shù)的應(yīng)用主要是為了提高車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的時延校準能力和精度。

文獻[10-12]論述了基于高速示波器的高精度設(shè)備時延標定技術(shù)以及該技術(shù)的使用。該技術(shù)在本系統(tǒng)中主要用于對車載衛(wèi)星雙向時間同步設(shè)備的發(fā)射、接收設(shè)備時延的初值裝訂、穩(wěn)定性測試和調(diào)整性能等進行測試，該技術(shù)成果是車載衛(wèi)星雙向時間同步時延校準精度的重要保障。

2.3 車載站時頻技術(shù)

如果沒有高精度的時頻，車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)就不可能有好的性能，而高精度的時頻由高精度的原子鐘來建立和維持[13]。原子鐘的選擇主要由車載原子鐘的自身性能指標及其工作環(huán)境決定。在固定站可以選用體積較大、供電稍多的大型原子鐘，為系統(tǒng)提供較高的守時精度。而在移動車載平臺的原子鐘設(shè)備需要考慮小體積、低功耗和抗震性能好的產(chǎn)品，因此只能選擇銣鐘。為了防止銣鐘守時過程中的調(diào)整對系統(tǒng)設(shè)備零值的影響，采用了測試期間不進行同步調(diào)整，只對兩地時間差進行實時監(jiān)測的技術(shù)。

3 同源零基線驗證實驗

為了更加準確、真實地反映車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)的性能，進行了同源零基線驗證實驗。零基線測試示意圖如圖3所示，實驗是在時間同步A站內(nèi)進行，將標準的時頻基準送入車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)和時間同步A站，利用SR620計數(shù)器測得車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)和時間同步A站的鐘差。車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星和時間同步A站進行衛(wèi)星雙向時間傳遞獲得偽距值，扣除線纜、分路器時延以及鐘差后，就可以解算出系統(tǒng)組合時延值。

圖3 零基線測試示意

保持時間同步A站狀態(tài)不變，對車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)進行了3次開關(guān)機實驗和1次跑車實驗。開關(guān)機實驗中，每次將車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)關(guān)機1 h，開機恢復(fù)1 h，然后記錄2 h。跑車恢復(fù)實驗中，將車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)開出20 km，然后再開回來，設(shè)備恢復(fù)2 h，再記錄2 h。

4 實驗結(jié)果分析

同源零基線實驗中，系統(tǒng)組合時延值初值為：231.52ns。實驗結(jié)果如表1所示，3次開關(guān)機、跑車恢復(fù)實驗測得系統(tǒng)組合時延與初值的差值分別為：-0.18ns、0.11ns、0.06ns和0.16ns。最大差值與最小差值之間相差0.34ns。系統(tǒng)組合時延差值還包含著時間同步A站的時延穩(wěn)定性。該實驗表明，車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)時延穩(wěn)定，其不確定度在0.4ns之內(nèi)，可以完成對衛(wèi)星雙向時間比對鏈路設(shè)備時延高精度的校準。

表1 同源零基線實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)具有靈活、方便的特點，雖然其應(yīng)用條件較固定站差，但其精度也能夠達到較高的水平?？蓮V泛應(yīng)用在各種需要遠距離無線電時間傳遞的系統(tǒng)中，可以用于雙向時間同步站之間的校準，方便于臨時站點的雙向時間比對。當然，需要通過繼續(xù)深化誤差分析，逐步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，進一步提高其精度。

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張金濤 男，(1979—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

魏海濤 男，(1979—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

The Research of the Vehicular Two-way Satellite Time Transfer System

ZHANG Jin-tao1,2，WEI Hai-tao1,2,LI Jun1,2,ZHENG Xiao-dong1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Two way satellite time and frequency transfer (TWSTFT) technique is a fundamental approach of high precise time and frequency comparison.It is crucial to calibrate the time delay in order to achieve highly accurate time comparison.This paperputs forward the design scheme of the vehicular two-way satellite time transfer system,describes the basic composition of system and functional characteristics of equipment,and analyzes the key techniquesof system．Then it puts forward and analyzes the zero base line verification method which is based on homologous.The validation test results show asystem time delay uncertainty within 0.4 ns,and the device time delay of two-way satellite time and frequency transfer system is also calibrated.

two-way satellite time transfer;equipment time delay;vehicular;zero base line

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.13

張金濤,魏海濤,李 雋,等.車載衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)研究[J].無線電工程,2016,46(11):51-54.

2016-08-16

國際科技合作專項基金資助項目(2013DFA10540)；河北省“三三三人才”培養(yǎng)基金資助項目(A201400116)。

TN967.1

A

1003-3106(2016)11-0051-04