GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 華,解建偉,劉連照

(1.石家莊諾通人力資源有限公司,河北 石家莊 050000;

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

3.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司,河北 石家莊 050081;

4.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

1980年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局首次發(fā)布了共視時(shí)間比對(duì)方法[1]。1983年,國(guó)際守時(shí)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了異地原子鐘之間的時(shí)間比對(duì)和同步[2]。受限于當(dāng)時(shí)GPS的發(fā)展,起初的共視時(shí)間比對(duì)主要基于GPS偽碼的單通道接收處理,共視時(shí)間比對(duì)的用戶需要遵循國(guó)際計(jì)量局定期更新發(fā)布的共視時(shí)刻表,在統(tǒng)一時(shí)刻接收約定的GPS衛(wèi)星,產(chǎn)生共視文件后通過數(shù)據(jù)交換完成時(shí)間比對(duì)[3]。隨著導(dǎo)航信號(hào)接收技術(shù)的進(jìn)步,目前時(shí)間比對(duì)接收機(jī)已發(fā)展為多通道接收機(jī),即在同一共視時(shí)刻能夠同時(shí)觀測(cè)到多顆衛(wèi)星,為時(shí)間比對(duì)性能的提高提供了基礎(chǔ)性支撐[4]。

國(guó)外生產(chǎn)時(shí)間比對(duì)設(shè)備的廠家主要有MESIT,SEPTENTRIO,PIKTIME和TFS等公司[5]。MESIT公司生產(chǎn)的GTR系列時(shí)間比對(duì)設(shè)備采用商用接收板卡搭配時(shí)差測(cè)量單元實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵部件采用恒溫控制,可自動(dòng)化收集保存測(cè)量數(shù)據(jù),支持多種輸出協(xié)議,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)[6];SEPTENTRIO公司生產(chǎn)的POLARX系列時(shí)間比對(duì)設(shè)備采用自研接收板卡實(shí)現(xiàn),整機(jī)進(jìn)行小型化、低功耗設(shè)計(jì),大小僅為235 mm×140 mm×37 mm,搭配上位機(jī)軟件使用,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng);PIKTIME公司生產(chǎn)的TTS系列時(shí)間比對(duì)設(shè)備采用商用接收板卡搭配時(shí)差測(cè)量單元實(shí)現(xiàn),內(nèi)置工控機(jī)運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)具備大尺寸監(jiān)控屏幕,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)[7]。國(guó)內(nèi)共視技術(shù)的研究起步較晚,目前已有多家科研機(jī)構(gòu)針對(duì)共視時(shí)間比對(duì)技術(shù)開展了研究[8-9],形成了多型號(hào)的接收設(shè)備及共視處理軟件,各廠家時(shí)間比對(duì)設(shè)備采用接收板卡搭配時(shí)差測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)了國(guó)產(chǎn)化的GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備,支持BDS,GPS,GLONASS及GALILEO系統(tǒng)信號(hào)接收及處理,利用觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后直接獲得鐘差信息,有效減少了時(shí)差測(cè)量單元引入的測(cè)量誤差。

1 共視比對(duì)原理

GNSS時(shí)間比對(duì)原理如圖1所示。

圖1 時(shí)間比對(duì)原理Fig.1 Principle diagram of time transfer

GNSS共視時(shí)間比對(duì)本質(zhì)上以相同的共視衛(wèi)星作為共同參考,位于異地的待同步地面站接收衛(wèi)星信號(hào),按照共視時(shí)間表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得本地時(shí)間與觀測(cè)衛(wèi)星間的相對(duì)鐘差,通過比較2站的相對(duì)鐘差,即可獲得異地待同步地面站間的鐘差[10-11]。

定義本地鐘相對(duì)于參考時(shí)間(GNSS系統(tǒng)時(shí)間)的鐘差為ΔT(t)=T(t)-tref(t),其中,T(t)為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的本地時(shí)間;tref(t)為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的參考時(shí)間。因此,在相同的GNSS時(shí)刻t,位于異地的A,B兩站對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)間的鐘差可分別記為[12]:

對(duì)于進(jìn)行共視時(shí)間比對(duì)的A站和B站,可將式(1)進(jìn)一步改寫為:

由此得:

上述即為A站、B站間進(jìn)行衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)的計(jì)算模型,由上式可知,A,B站的共視衛(wèi)星鐘差及共視衛(wèi)星發(fā)射時(shí)延被完全抵消。

2 時(shí)間比對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備采用19英寸2U上架機(jī)箱設(shè)計(jì),如圖2所示。內(nèi)部采用插卡設(shè)計(jì),各導(dǎo)航系統(tǒng)采用獨(dú)立板卡,可根據(jù)不用應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行組合使用。

圖2 GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備Fig.2 GNSS time transfer equipment

GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備由全頻點(diǎn)天線、變頻模塊、解算模塊、時(shí)頻模塊、監(jiān)控模塊及軟件等組成,如圖3所示。

圖3 GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備組成Fig.3 Composition diagram of GNSS time transfer equipment hardware

全頻點(diǎn)天線為射頻信號(hào)輸入口,采用右旋圓極化設(shè)計(jì),能夠同時(shí)接收BDS,GPS,GLONASS,GALILEO系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào),并完成低噪聲放大;變頻模塊完成導(dǎo)航信號(hào)的下變頻功能,輸出中頻信號(hào);解算模塊以外部輸入的10 MHz,1 pps信號(hào)為參考,進(jìn)行信號(hào)的捕獲、跟蹤及原始數(shù)據(jù)輸出等;時(shí)頻模塊對(duì)外部輸入的10 MHz,1 pps信號(hào)進(jìn)行分路輸出,分配至內(nèi)部各模塊;監(jiān)控模塊采集整機(jī)的狀態(tài)信息用于設(shè)備前面板狀態(tài)顯示,同時(shí)上報(bào)整機(jī)數(shù)據(jù)至軟件;軟件用于顯示整機(jī)狀態(tài)及觀測(cè)數(shù)據(jù),觀測(cè)數(shù)據(jù)按照RINEX3.0格式要求進(jìn)行本地存儲(chǔ),同時(shí)按照共視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理得到CGGTTS文件。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備軟件處理流程如圖4所示。軟件在接收到時(shí)間比對(duì)設(shè)備上報(bào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)后按照RINEX格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),同時(shí)判斷是否為共視時(shí)刻,如果不是共視時(shí)刻則返回對(duì)下一時(shí)刻進(jìn)行判斷;若當(dāng)前為共視時(shí)刻則進(jìn)入共視處理過程,對(duì)測(cè)距信息進(jìn)行鏈路誤差修正,包括電離層誤差、對(duì)流層誤差及相對(duì)論誤差等,根據(jù)星歷參數(shù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的衛(wèi)星位置及衛(wèi)星鐘差,綜合利用偽距、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星鐘差及天線位置坐標(biāo)等信息分別得到本地相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的鐘差即REFSYS,本地相對(duì)衛(wèi)星的鐘差即REFSV,最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)室信息補(bǔ)充CGGTTS文件頭內(nèi)容,形成最終的CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)共視文件。

圖4 GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備軟件處理流程Fig.4 Flowchart of GNSS time transfer equipment software processing

3 測(cè)試驗(yàn)證

影響時(shí)間比對(duì)指標(biāo)的因素除空間誤差的修正外,設(shè)備自身的偽碼測(cè)量精度、設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性等也會(huì)有一定影響[14-15],因此時(shí)間比對(duì)設(shè)備的測(cè)試驗(yàn)證分為偽碼測(cè)量精度試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證、超短基線試驗(yàn)驗(yàn)證及300 km基線試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 偽碼測(cè)量精度試驗(yàn)驗(yàn)證

偽碼測(cè)量精度試驗(yàn)采用模擬源的方法,將待測(cè)設(shè)備與模擬源有線連接,調(diào)整各導(dǎo)航頻點(diǎn)發(fā)射信號(hào)功率,使到達(dá)待測(cè)設(shè)備的等效功率電平不小于各類信號(hào)的靈敏度電平。待設(shè)備工作穩(wěn)定后,每種信號(hào)連續(xù)工作24 h,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測(cè)設(shè)備輸出的偽距值與真值做差,使用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如表1所示。

表1 偽碼測(cè)量精度數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Pseudo-code measuring accuracy data record

3.2 設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性試驗(yàn)采用模擬源的方法,將待測(cè)設(shè)備與模擬源有線連接,調(diào)整各導(dǎo)航頻點(diǎn)發(fā)射信號(hào)功率,使到達(dá)待測(cè)設(shè)備的等效功率電平不小于各類信號(hào)的靈敏度電平。待設(shè)備工作穩(wěn)定后,每種信號(hào)連續(xù)工作24 h,并進(jìn)行3次開關(guān)機(jī)測(cè)試,每次開關(guān)機(jī)后測(cè)試2 h,共計(jì)30 h測(cè)試數(shù)據(jù),模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測(cè)設(shè)備輸出的偽距值與真值做差,使用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如表2所示。

表2 時(shí)延穩(wěn)定性數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Time delay stability data record

3.3 超短基線試驗(yàn)驗(yàn)證

超短基線測(cè)試原理框圖如圖5所示。

圖5 超短基線測(cè)試原理框圖Fig.5 Principle diagram of ultra-short baseline test

將天線A,B安裝于開闊無(wú)遮擋處,時(shí)間比對(duì)設(shè)備A,B同時(shí)接入時(shí)間基準(zhǔn)的10 MHz,1 pps信號(hào),連續(xù)記錄2天觀測(cè)數(shù)據(jù),使用PPP的方法對(duì)天線的位置坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)定,連續(xù)測(cè)量5天,通過計(jì)算機(jī)完成CGGTTS文件的產(chǎn)生與存儲(chǔ)。測(cè)試完成后,處理2臺(tái)衛(wèi)星共視比對(duì)接收機(jī)的CGGTTS數(shù)據(jù)得到鐘差數(shù)據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)方差的方法評(píng)估時(shí)間比對(duì)A類不確定度,使用GPS進(jìn)行時(shí)間比對(duì)的A類不確定度為0.20 ns,如圖6所示。使用BDS進(jìn)行時(shí)間比對(duì)的A類不確定度為0.41 ns,如圖7所示。

圖6 超短基線GPS共視比對(duì)結(jié)果Fig.6 Ultra-short baseline GPS common view comparison result

圖7 超短基線北斗共視比對(duì)結(jié)果Fig.7 Ultra-short baseline BDS common view comparison result

3.4 300km基線試驗(yàn)驗(yàn)證

300 km基線條件下,測(cè)試原理框圖如圖8所示。在A,B兩地待測(cè)時(shí)間比對(duì)設(shè)備與已知不確定度的基準(zhǔn)比對(duì)設(shè)備分別進(jìn)行同源超短基線連接,測(cè)試用線纜與超短基線測(cè)試用線纜一致。

圖8 300 km基線測(cè)試原理框圖Fig.8 Principle diagram of 300 km baseline test

利用2天的觀測(cè)數(shù)據(jù)使用PPP的方法對(duì)天線坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)定,連續(xù)測(cè)量6天。計(jì)算機(jī)完成時(shí)間比對(duì)設(shè)備CGGTTS文件的產(chǎn)生與存儲(chǔ),利用基準(zhǔn)比對(duì)設(shè)備連續(xù)測(cè)量6天,存儲(chǔ)CGGTTS文件,處理基準(zhǔn)比對(duì)設(shè)備的CGGTTS數(shù)據(jù),處理時(shí)間比對(duì)設(shè)備的CGGTTS數(shù)據(jù),基準(zhǔn)比對(duì)設(shè)備A與基準(zhǔn)比對(duì)設(shè)備B的時(shí)差記為T1,時(shí)間比對(duì)設(shè)備A與時(shí)間比對(duì)設(shè)備B的時(shí)差記為T2,則遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)結(jié)果T為:

T=T2-T1。

采用標(biāo)準(zhǔn)方差的方法評(píng)估時(shí)間比對(duì)A類不確定度,使用GPS進(jìn)行時(shí)間比對(duì)的A類不確定度為0.42 ns,如圖9所示。使用BDS進(jìn)行時(shí)間比對(duì)的A類不確定度為0.45 ns,如圖10所示。

圖9 300 km基線GPS共視比對(duì)結(jié)果Fig.9 300 km baseline GPS common view comparison result

圖10 300 km基線北斗共視比對(duì)結(jié)果Fig.10 300 km baseline result of BDS common view comparison test

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種GNSS時(shí)間比對(duì)設(shè)備,以用戶10 MHz,1 pps為內(nèi)部測(cè)量基準(zhǔn),輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠直接反應(yīng)鐘差信息,省去了傳統(tǒng)共視時(shí)間比對(duì)設(shè)備內(nèi)部的計(jì)數(shù)器單元。經(jīng)測(cè)試,設(shè)備自身的偽碼測(cè)量精度和時(shí)延穩(wěn)定性均優(yōu)于0.5 ns,超短基線及300 km基線條件下A類不確定度優(yōu)于1 ns,能夠滿足開展高精度時(shí)間比對(duì)的需求。隨著北斗系統(tǒng)的建設(shè),后續(xù)可進(jìn)一步開展基于北斗三號(hào)時(shí)間比對(duì)設(shè)備的研制工作。