基于衛(wèi)星導(dǎo)航的時間位置標定儀器研究

劉依楠 左申正

摘? 要：氣象雷達各個分系統(tǒng)工作運行需要一個精準的時間戳標定，以便軟件后臺處理數(shù)據(jù)，并且雷達系統(tǒng)每次運行時都要對天線反射體進行方位、仰角的標定。本文結(jié)合實際的應(yīng)用場景，在傳統(tǒng)NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的功能基礎(chǔ)上增加了位置信息的測量，設(shè)計了一種可以同時對方位、仰角、時間進行標定的儀器，該標定儀器可以提高氣象雷達觀測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航;仰角;時間信息;雷達

中圖分類號：TN967.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0081-03

Abstract：Radar run each subsystem work requires a precise time stamp for calibration，In order to software processing data;and radar system run will be calibration the azimuth and angle of the antenna reflector. In this paper，on the basis of the function of the traditional NTP network time server to increase the measurement location information，combined with the actual application scenario design a calibration of the instrument for the azimuth，angle，time. The calibration instrument can improve the real-time performance and reliability of weather radar data.

Keywords：satellite navigation;elevation;time information;radar

0? 引? 言

氣象雷達系統(tǒng)分布的各個分系統(tǒng)、探測設(shè)備在獲取觀測資料時，系統(tǒng)的時間信息不準確可能導(dǎo)致觀測資料不可用，以及從觀測資料中獲取的預(yù)報產(chǎn)品不可信。依賴數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)以及其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的背后存在一個基本的信任：網(wǎng)絡(luò)里的計算機都有準確的時間。

氣象雷達工作時都需要標定天線方位仰角，目前依靠傳統(tǒng)的太陽法，這種方法受太陽本身在天空中位置的影響，測量時間不自由、局限性大、精度也得不到精確的保證;另外，測量出的位置信息的時間戳和雷達系統(tǒng)可能存在偏差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可靠性降低。

本文以此為出發(fā)點，為氣象雷達系統(tǒng)設(shè)計提供一個準確的時間基準，使各個分布式的采集觀測站有統(tǒng)一的時間標準，提高觀測資料的時間戳的可靠性，為每個探測設(shè)備提供一個第三方時間基準源，這樣就可以保證整個觀測網(wǎng)中的設(shè)備觀測時間統(tǒng)一，并且通過衛(wèi)星定位獲取對應(yīng)時間的高精度位置信息。

1? 工作原理

目前標定系統(tǒng)時間戳的通用方法基本采用NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器，市面上的NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器基本都是采用單測量站的方式接收GPS系統(tǒng)中各個衛(wèi)星的原子鐘頻（也可以根據(jù)不同的要求選擇其他衛(wèi)星授時系統(tǒng)，例如北斗、GLONASS、伽利略作為時間的基準源），設(shè)備由高精度衛(wèi)星接收機、高可靠性工業(yè)級信號處理主板、高亮度LED顯示屏和工業(yè)機箱等部件組成，采用高效的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

由于本文的設(shè)計背景是應(yīng)用于氣象雷達系統(tǒng)，在對各分系統(tǒng)進行時間標定的同時，還需要為雷達系統(tǒng)提供相應(yīng)時次的可靠方位仰角位置信息，故本文在傳統(tǒng)NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的基礎(chǔ)上進行升級，采用雙測量站（主站、從站）和兩個高精度大地測量型天線，主站的位置信息作為基準，標定從站的位置信息，進行RTK處理，最終將高可靠性的位置信息傳輸?shù)叫盘柼幚碇靼澹⑶矣蓮恼精@取衛(wèi)星系統(tǒng)的原子鐘頻，向信號處理主板發(fā)送高精度的UTC時間。

2? 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要由高精度大地測量天線、高精度測量站和信號處理主板構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

2.1? 高精度大地測量天線

測量天線是本系統(tǒng)處理衛(wèi)星信號的首個器件，它將接收到的衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號，以供測量站攝取與處理。因為系統(tǒng)賴以定位的信息基本全部來自于天線接收到的衛(wèi)星信號，所以接收天線的性能直接影響整個系統(tǒng)的定位性能，它對系統(tǒng)整體所起的作用和貢獻絕對不容忽視。

測量天線部分完成射頻信號的接收，即把衛(wèi)星播發(fā)的電磁波轉(zhuǎn)換成便于處理的電信號。具有優(yōu)良指標的天線在提高整機的接收靈敏度、減小地形、地貌以及環(huán)境因素對設(shè)備的影響等方面有非常重要的作用。在天線單元的選擇中，除保證寬波束、高增益和寬軸比帶寬外，天線單元在整個波束帶寬內(nèi)還應(yīng)該提供均勻的幅度響應(yīng)和均勻的相位響應(yīng)。

外置測量天線選擇的是集GPS L1&L2，BDS B1&B2 &B3和GLONASS G1&G2三星七頻測量天線，可廣泛應(yīng)用于大地測量、橋梁施工、海洋測量、水下地形測量等工作場景。該天線采用多饋點設(shè)計，保證天線相位中心和幾何中心的重合，提高測量精度。內(nèi)置低噪聲放大模塊，采用前置及多級濾波器濾除干擾信號，保證在惡劣電磁環(huán)境下正常工作。具有高增益、低噪聲、體積小巧、重量輕等優(yōu)點。

2.2? 高精度測量站

由于本文設(shè)計的應(yīng)用背景是為氣象雷達系統(tǒng)提供方位仰角位置信息和時間基準，所以需要采用兩個高精度測量站，一個主站，一個從站，主站的位置信息作為基準標定從站的位置信息，二者進行RTK處理，最終得到具有高可靠性、高穩(wěn)定性的位置信息數(shù)據(jù)，并且通過測量從站獲取高精度的UTC時間。本設(shè)計選擇的測量站的時間精度為20nS、測量位置精度水平方向2cm、垂直方向5cm。

測量站由射頻器（RF）、信號通道（基帶）、數(shù)據(jù)處理器（CPU）組成。其任務(wù)是對天線饋送來的微弱信號進行放大、濾波、下變頻，最終輸出較低的中頻信號并經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻，通過信號通道完成信號捕獲、跟蹤、解擴、解調(diào)及偽距測量、載波相位測量，最終送到CPU對觀測數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)算出定位結(jié)果、時間信息和物體運動速度等。

射頻前端處理模塊通過天線接收所有可見衛(wèi)星的信號，經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后，再與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進行混頻而下變頻成中頻（IF）信號，最后經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將中頻信號轉(zhuǎn)變成離散時間的數(shù)字中頻信號。

基帶數(shù)字信號處理模塊通過處理射頻前端輸出的數(shù)字中頻信號，復(fù)制出與接收機的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽距信號，從而實現(xiàn)對信號的捕獲與跟蹤，并且從中獲得偽距和載波相位等測量值，解調(diào)出導(dǎo)航電文。

在基帶數(shù)字信號處理模塊處理完數(shù)字中頻信號后，各個通道分別輸出其所跟蹤的衛(wèi)星信號的偽距、多普勒頻移和載波相位等測量值以及信號上解調(diào)出來的導(dǎo)航電文，而這些衛(wèi)星測量值和導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)等信息再經(jīng)過后續(xù)的定位導(dǎo)航運算功能模塊的處理，接收機最終獲得定位結(jié)果，或者再輸出各種導(dǎo)航信息。

測量站的三大功能模塊如圖2所示。

2.3? 信號處理主板

信號處理主板采用Linux2.6內(nèi)核，內(nèi)建Web服務(wù)器和FTP服務(wù)器，用于接收、瀏覽和顯示跟蹤到的導(dǎo)航衛(wèi)星，圖形化的人機交互界面用于請求產(chǎn)品、顯示分析和運行參數(shù)設(shè)置，接收實時觀測量，解算數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成指定的數(shù)據(jù)格式，并定時打包數(shù)據(jù)上傳到指定的FTP服務(wù)器。這一部分是整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理部分，采用的技術(shù)方案是使用嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、解析、打包上傳等。最終通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口為雷達系統(tǒng)授時和標定方位仰角。

3? 系統(tǒng)測試

選擇公司風(fēng)廓線雷達配合系統(tǒng)測試，架設(shè)好天線，并確保模塊供電正常之后，軟件每秒鐘從模塊獲取經(jīng)緯度、方向和時間信息，同時每兩秒廣播此信息給風(fēng)廓線工作軟件。我們通過分析記錄在文件中的這些信息，對系統(tǒng)進行評估。

方向測試說明：風(fēng)廓線雷達波束指向精度為0.5°，所以這里的期望值比其指向精度高一個數(shù)量級。結(jié)果如表1所示。

經(jīng)度測試說明：沿赤道，1°經(jīng)度差對應(yīng)的距離在所有緯度中最大。0.0001°的誤差表征11.13米左右的距離誤差（赤道周長取40075704米）。

此誤差小于移動風(fēng)廓線雷達盲區(qū)覆蓋半徑（28米）。結(jié)果如表2所示。

緯度測試說明：0.0001°的緯度誤差表征11.11米左右的距離誤差（子午線周長取40008548米）。

此誤差小于移動風(fēng)廓線雷達盲區(qū)覆蓋半徑（28米）。結(jié)果如表3所示。

定向信息獲取速度（從模塊上電開始計時），如表4所示。

原始測試數(shù)據(jù)格式：

由于篇幅原因，截取部分測試數(shù)據(jù)，如圖3所示。

4? 結(jié)? 論

在氣象雷達系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，本文在傳統(tǒng)NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的基礎(chǔ)上增加了測量方位仰角的功能，并已應(yīng)用于公司的相關(guān)雷達產(chǎn)品中，目前獲取的觀測數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了氣象雷達系統(tǒng)整個觀測網(wǎng)中的設(shè)備觀測時間統(tǒng)一，并且通過衛(wèi)星定位獲取對應(yīng)時間的高精度位置信息。

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作者簡介：劉依楠（1987.06-），男，漢族，北京人，中級工程師，碩士研究生，研究方向：電路與系統(tǒng)方向。