北斗授時(shí)原理及終端性能檢測(cè)技術(shù)

石 磊，孫祥福，李 騰

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

北斗授時(shí)原理及終端性能檢測(cè)技術(shù)

石 磊，孫祥福，李 騰

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

根據(jù)目前主流的北斗授時(shí)型產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)，對(duì)北斗單向授時(shí)、雙向授時(shí)的原理進(jìn)行了介紹，提出了北斗授時(shí)終端檢測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)北斗授時(shí)終端的基本性能指標(biāo)的測(cè)試方法和評(píng)估方法進(jìn)行了描述。

北斗導(dǎo)航；單向授時(shí)；雙向授時(shí)；授時(shí)精度；守時(shí)精度

引言

電力、金融、電信是與國家安全和人民利益息息相關(guān)的重要領(lǐng)域，它們對(duì)時(shí)間系統(tǒng)的同步性都有著很高的要求，原來我國在這些領(lǐng)域使用的都是GPS授時(shí)技術(shù)，不但受制于人，還存在著極大的安全隱患。伴隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和北斗授時(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，目前北斗授時(shí)產(chǎn)品已逐步替代了GPS產(chǎn)品。

授時(shí)技術(shù)主要包括短波授時(shí)、長波授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和衛(wèi)星授時(shí)，其中衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)具有精度高、覆蓋范圍廣、全天時(shí)、全天候和設(shè)備成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越受到各類用戶的青睞。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)原理

1.1 單向授時(shí)

單向授時(shí)是北斗授時(shí)終端自主實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。即由授時(shí)終端接收衛(wèi)星信號(hào)，解算出基本觀測(cè)量信息和導(dǎo)航電文信息，進(jìn)而獲得鐘差修正本地時(shí)間，使本地時(shí)間與UTC同步。單向授時(shí)分為RNSS單向授時(shí)與RDSS單向授時(shí)兩種模式。

1）RNSS單向授時(shí)

RNSS授時(shí)終端通過自主解算獲得自身位置信息或者根據(jù)已知坐標(biāo)位置信息可以獲得定時(shí)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息包括整周秒計(jì)數(shù)、周內(nèi)秒計(jì)數(shù)、鐘差參數(shù)、與UTC時(shí)間同步參數(shù)等信息，RNSS授時(shí)終端通過接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)并自主解算出本地時(shí)間和GNSS系統(tǒng)時(shí)間差ΔTJST-GNT，并且根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與UTC的時(shí)間差值ΔTGNT-UTC修正本地時(shí)鐘，從而使本地時(shí)間與UTC時(shí)間同步。

授時(shí)終端獲得本地時(shí)刻與UTC時(shí)間的差值ΔTJST-UTC為：

其中，ΔTJST-UTC為本地時(shí)間與UTC時(shí)間的差值；ΔTJST-GNT為本地時(shí)間與GNSS系統(tǒng)時(shí)間差值，T測(cè)量為GNSS衛(wèi)星到授時(shí)終端的偽距時(shí)間，由授時(shí)終端測(cè)量獲得，T下行為GNSS衛(wèi)星到授時(shí)終端的空間幾何傳播時(shí)延，T其它為其它時(shí)延相關(guān)內(nèi)容，包括電離層、對(duì)流層、設(shè)備零值等；ΔTGNT-UTC為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間與UTC時(shí)間差值。

2）RDSS單向授時(shí)

RDSS單向授時(shí)原理與RNSS類似，但由于RDSS衛(wèi)星對(duì)于出站信號(hào)為透明轉(zhuǎn)發(fā)，因此通過授時(shí)終端獲得本地時(shí)刻與UTC時(shí)間差值中還包括了上行信號(hào)傳播時(shí)延及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的零值。其中上行傳播時(shí)延可以從RDSS出站電文中獲得。

其中，ΔTJST-UTC為本地時(shí)間與UTC時(shí)間的差值；ΔTJST-GNT為本地時(shí)間與RDSS系統(tǒng)時(shí)間差值，T測(cè)量為RDSS地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到授時(shí)終端的偽距時(shí)間，由授時(shí)終端測(cè)量獲得，T下行為RDSS衛(wèi)星到授時(shí)終端的空間幾何傳播時(shí)延，T其它為其它時(shí)延相關(guān)內(nèi)容，包括電離層、對(duì)流層、設(shè)備零值、轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延等，ΔT上行為RDSS系統(tǒng)地面中心站到RDSS衛(wèi)星的上行傳播時(shí)延，該值可以從RDSS出站電文中獲得；ΔTGNT-UTC為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間與UTC時(shí)間差值。

1.2 RDSS雙向授時(shí)

RDSS雙向授時(shí)設(shè)備具備出站信號(hào)接收和應(yīng)答發(fā)射入站信號(hào)的能力，通過與地面中心站進(jìn)行往返測(cè)量，由中心站獲得授時(shí)終端與地面中心站的時(shí)間差值，可以避免授時(shí)終端天線位置誤差、電離層/對(duì)流層改造殘差等諸多不確定因素引起的單向授時(shí)偏差，相對(duì)于RDSS單向授時(shí)，雙向授時(shí)具有較高的授時(shí)精度。

RDSS雙向授時(shí)是一種由授時(shí)終端發(fā)起授時(shí)申請(qǐng)，授時(shí)終端與地面中心站進(jìn)行交互，向地面中心站發(fā)送定時(shí)申請(qǐng)，地面中心站計(jì)算其與授時(shí)終端的時(shí)間差，并通過出站信號(hào)播發(fā)給該授時(shí)終端，授時(shí)終端返回的正向傳播時(shí)延信息T正向及出站電文獲得的RDSS系統(tǒng)時(shí)間與UTC時(shí)間差值ΔT(GNT-UTC)，修正本地時(shí)間使其與UTC時(shí)間同步完成雙向授時(shí)。

其中，ΔTJST-UTC為本地時(shí)間與UTC時(shí)間差值；T測(cè)量為RDSS地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到授時(shí)終端的偽距時(shí)間，由授時(shí)終端測(cè)量獲得；T正向?yàn)镽DSS出站信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器至授時(shí)終端的傳播時(shí)延；T接收零值為雙向授時(shí)終端的接收零值；ΔTGNT-UTC為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間與UTC時(shí)間差值。

雙向授時(shí)工作示意圖如圖1所示。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

為了保證測(cè)試結(jié)果的的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與可復(fù)現(xiàn)，北斗授時(shí)終端檢測(cè)環(huán)境是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用北斗授時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過仿真衛(wèi)星導(dǎo)航星座、運(yùn)動(dòng)特性以及實(shí)際空間環(huán)境特性，模擬北斗授時(shí)終端天線口面接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，配合標(biāo)準(zhǔn)儀器和專用設(shè)備，完成對(duì)授時(shí)終端授時(shí)性能的檢測(cè)。

北斗授時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)試評(píng)估軟件、導(dǎo)航信號(hào)模擬器、時(shí)頻基準(zhǔn)源、通用儀器、微波暗室等組成，如圖2所示。

2.1 測(cè)試評(píng)估軟件

測(cè)試控評(píng)估軟件是整個(gè)檢測(cè)檢測(cè)的“大腦”，其主要功能是完成測(cè)試條件配置、測(cè)試流程的控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、測(cè)試結(jié)果的分析與評(píng)估。

2.2 導(dǎo)航信號(hào)模擬器

圖1 雙向授時(shí)工作原理示意圖

導(dǎo)航信號(hào)模擬器主要由數(shù)學(xué)仿真軟件和信號(hào)模擬仿真源兩部分組成。數(shù)學(xué)仿真軟件的主要任務(wù)是仿真北斗授時(shí)終端在不同條件下接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星電文及其觀測(cè)數(shù)據(jù)，為信號(hào)模擬仿真提供數(shù)據(jù)源，為測(cè)試評(píng)估軟件提供評(píng)估基準(zhǔn)。信號(hào)模擬仿真源主要任務(wù)是把數(shù)學(xué)仿真軟件生成的導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)精確地生成射頻模擬信號(hào)，提供給測(cè)試環(huán)境使用。導(dǎo)航信號(hào)模擬器具備GPS、北斗RNSS、北斗RDSS信號(hào)仿真能力。

2.3 時(shí)頻基準(zhǔn)源

時(shí)頻基準(zhǔn)源主要功能是為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)，并具備對(duì)授時(shí)終端輸出的時(shí)間信息與本地時(shí)間進(jìn)行比對(duì)的能力，優(yōu)先選用銫原子鐘或氫原子鐘。

2.4 通用儀器

通用儀器主要包括時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)數(shù)器等，用以輔助系統(tǒng)完成授時(shí)終端部分功能性能的測(cè)試。

2.5 微波暗室

微波暗室內(nèi)是用來模擬自由空間環(huán)境對(duì)授時(shí)終端進(jìn)行的無線測(cè)試，內(nèi)部還包括測(cè)試天線、測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

3 性能檢測(cè)方法

3.1 授時(shí)精度

1）按照?qǐng)D3連接測(cè)試設(shè)備。

2）導(dǎo)航信號(hào)模擬器、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、被測(cè)授時(shí)終端等設(shè)備開機(jī)預(yù)熱時(shí)間不小于1 h，使各設(shè)備處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；

3）授時(shí)終端接收導(dǎo)航信號(hào)模擬器播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，并設(shè)置授時(shí)模式（單向授時(shí)或雙向授時(shí)），時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)頻基準(zhǔn)1 pps信號(hào)與授時(shí)終端1 pps的時(shí)間間隔，測(cè)試24 h；

4）在進(jìn)行時(shí)間間隔比對(duì)測(cè)量的同時(shí)，比對(duì)授時(shí)終端和時(shí)頻基準(zhǔn)源的時(shí)間信息是否一致，若不一致則本次測(cè)試失??；

5）獲得該授時(shí)終端的精度。

其中：

τ為被測(cè)授時(shí)終端的授時(shí)精度標(biāo)準(zhǔn)偏差；

t測(cè)量為時(shí)間間隔測(cè)量值并扣除被測(cè)電纜、空間傳播時(shí)延等獲得的被測(cè)授時(shí)終端與時(shí)頻基準(zhǔn)偏差值；

t均值為系統(tǒng)被測(cè)授時(shí)終端定時(shí)偏差平均值。

3.2 守時(shí)精度

守時(shí)精度是指授時(shí)終端在某些特殊情況下無法鎖定導(dǎo)航信號(hào)，依靠授時(shí)終端內(nèi)部的晶振或銣原子鐘在一定時(shí)間內(nèi)維持時(shí)間和頻率的能力。

1）設(shè)備連接如圖3所示，待授時(shí)終端進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，關(guān)閉導(dǎo)航信號(hào)模擬器輸出。

圖3 授時(shí)精度檢測(cè)連接示意圖

2）用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量授時(shí)終端輸出1 pps信號(hào)與時(shí)頻基準(zhǔn)1 pps信號(hào)的時(shí)間間隔，測(cè)試時(shí)間一般設(shè)定為24 h；

3）在進(jìn)行時(shí)間間隔比對(duì)測(cè)量的同時(shí)，比對(duì)授時(shí)終端和時(shí)頻基準(zhǔn)源的時(shí)間信息是否一致，若不一致則本次測(cè)試失?。?/p>

4）對(duì)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)按大小進(jìn)行排序，取最大值即為該授時(shí)終端24 h內(nèi)的守時(shí)精度。

其中：

T 為被測(cè)授時(shí)終端的授時(shí)精度標(biāo)準(zhǔn)偏差；

t測(cè)量為時(shí)間間隔測(cè)量值并扣除被測(cè)電纜、空間傳播時(shí)延等獲得的被測(cè)授時(shí)終端與時(shí)頻基準(zhǔn)偏差值。

3.3 頻率準(zhǔn)確度

對(duì)于北斗授時(shí)終端輸出信號(hào)頻率準(zhǔn)確度的測(cè)試可以采用直接測(cè)頻法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試連接圖如圖4所示。

1）設(shè)備連接如圖4所示，等待授時(shí)終端進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)開始進(jìn)行測(cè)試。

2）用頻率計(jì)數(shù)器讀取北斗授時(shí)終端輸出頻率測(cè)量值；統(tǒng)計(jì)次數(shù)不少于100次；

3）計(jì)算該授時(shí)終端的頻率準(zhǔn)確度。

其中：

A為被測(cè)授時(shí)終端的授時(shí)精度準(zhǔn)確度；

fi為授時(shí)終端輸出頻率的測(cè)量值；

f0為授時(shí)終端輸出頻率的標(biāo)稱值；

圖4 頻率精確度檢測(cè)連接示意圖

m為測(cè)量樣本個(gè)數(shù)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)北斗授時(shí)的基本工作原理進(jìn)行了描述，提出了構(gòu)建北斗授時(shí)終端檢測(cè)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，分別給出了北斗RNSS單向授時(shí)、北斗RDSS單向授時(shí)和北斗RDSS雙向授時(shí)的精度計(jì)算公式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗授時(shí)終端性能進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確、可復(fù)現(xiàn)的質(zhì)量評(píng)估，從而進(jìn)一步規(guī)范北斗授時(shí)終端的技術(shù)狀態(tài)，促進(jìn)其在各個(gè)應(yīng)用行業(yè)更好的推廣。

[1]吳海濤,李變,吳建峰,等．北斗授時(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[M]．第1版．北京：電子工業(yè)出版社, 2016.

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石磊（1982.7.7- ），中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航檢測(cè)與認(rèn)證。

BeiDou Timing Principle and Terminal Performance Testing Technology

SHI Lei, SUN Xiang-fu, LI Teng
(The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081)

According to the current mainstream of BeiDou timing type product’s application technology, this paper introduces the principle of BeiDou one-way timing or two-way timing, and puts forward the design idea of BeiDou timing terminal testing system. In addition, this paper describes the basic performance index of BeiDou timing terminal’s testing methods and evaluation methods.

BeiDou navigation; one-way timing; two-way timing; timing accuracy; punctuality accuracy

TN98

A

1004-7204（2017）02-0011-04