車載衛星雙向時間同步系統研究

張金濤，魏海濤，李 雋，鄭曉冬

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,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)

車載衛星雙向時間同步系統研究

張金濤1,2，魏海濤1,2，李 雋1,2，鄭曉冬1,2

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,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)

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

雙向時間同步；設備時延；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，如各種雷達系統、測控系統和衛星導航地面站等，由多個分布在不同位置的站(設備)組成。各站為了確保測量數據的時間一致，要求各個站(設備)之間有一個統一的時間標準[1-2]。

衛星雙向時間頻率傳遞(TWSTFT)是目前應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]。衛星雙向系統的校準是具體的工程問題，主要方案有2種：① 基于衛星模擬器的地球站實時收發延遲測量方案；② 基于移動參考站的站間相對延遲測量方案。衛星模擬器延遲測量設備可以安裝在衛星雙向地球站，對地球站收發相對時延進行近實時監測，但對TWSTFT系統的校準或驗證不夠直接。移動參考站法較直接，是國際衛星雙向鏈路校準的基本方案[5-6]，可以采用車載衛星雙向時間同步系統對衛星雙向的發射接收設備進行標校。

1 總體設計

車載衛星雙向時間同步系統集成在一臺依維柯車中，如圖1所示，車內包含時間同步發射單元、上變頻器、下變頻器、時間同步接收單元、時頻設備和監控與數據處理設備等設備，車輛頂部安裝1.8 m天線，車內還包含溫控設備、調平設備和標校設備等輔助設備，功放和場放等設備放置在車載平臺方艙頂部。

圖1 車載衛星雙向時間同步系統組成

時間同步發射單元產生時間同步信號，經過發射信道設備的處理，再通過天線發射給GEO衛星。通過天線接收時間同步信號，經過接收信道設備，變頻到中頻提供給時間同步接收單元設備進行解調處理以及偽距測量。

1.1 發射單元設計

發射單元是車載衛星雙向時間同步系統的主要部分之一，完成時間同步信號的產生。

發射單元基于PXI總線和FPGA+DSP構架，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模塊對監控發來的控制命令和參數進行解析，產生信號生成的控制參數提供給FPGA，并對D/A模塊進行控制，協調整個單元的信號處理流程。FPGA模塊在DSP解析的信號參數控制下實現偽隨機碼生成、擴頻調制、信息組幀、信道編碼、動態調整和正交調制等功能。數字化的調制數據通過高速D/A進行數模轉換，輸出中頻信號。

1.2 接收單元設計

接收單元是車載衛星雙向時間同步系統的主要部分之一，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，FPGA處理模塊包括正交下變頻、載波NCO、偽碼NCO、可配置偽碼發生器、相關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信號的數據處理工作，主要包括偽碼的解擴、偽碼環路和載波環路的跟蹤、數據解調以及譯碼和電文組幀等?？膳渲脗未a發生器可以實現不同偽碼的生成，以適應輸入信號要求。為實現良好的跟蹤及觀測精度，相關處理可根據要求采取不同的相關間隔，以滿足不同跟蹤精度的要求。

1.3 發射信道設計

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

1.4 接收信道設計

接收信道設備主要由下變頻器和場放等設備組成。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 天線設計

1.8 m車載天線設備由饋源網絡、天線反射器、天線座架和伺服控制跟蹤等組成。

饋源網絡包括波紋喇叭、網絡和饋線等部分；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、俯仰機構、驅動裝置、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、驅動控制組合和安全保護裝置等部分。

1.6 時頻設備設計

時頻設備由高精度原子鐘、信號分配和保持設備組成，可以為車載衛星雙向時間同步系統其他設備提供精確、穩定和統一的時頻基準信號。

1.7 監控與業務處理軟件設計

監控與業務處理軟件是整個車載衛星雙向時間同步系統的指揮調度、監控和數據處理中心。主要包括信息接收與解析、數據處理、數據存儲與管理、數據通信和設備與系統狀態監控等功能。

根據軟件功能，監控與處理軟件分為顯示與控制模塊、信息接收與解析模塊、數據庫管理模塊、數據通信模塊和數據處理模塊，軟件模塊劃分如圖2所示。

圖2 監控與業務處理軟件模塊劃分

2 關鍵技術

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

2.1 設備時延穩定技術

采用了多種設計技術和測量手段來降低設備時延誤差，提高設備的時延穩定性。

溫度、濕度等環境因素是衛星導航設備時延的主要因素[8]，準確的檢測和采用合理的溫度控制方式是實現高精度溫度濕度控制的有效途徑[9]。從設計角度對車內設備進行環境參數的精密控制，對車內的溫度、濕度進行精密控制；對于室內和室外設備的連接，使用溫度系數較低的穩相電纜；同時對室外環境參數進行監控，對室外設備的時延變化進行補償。

設備老化是長期內衛星導航設備時延不穩定的主要因素。在衛星導航產品生產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，在車載站設備集成完畢后進行設備時延的零值標定；在車載站設備運行間隙使用在線標校手段對設備時延進行測量。

2.2 基于高速示波器的高精度設備時延標定技術

高精度設備時延標定技術的應用主要是為了提高車載衛星雙向時間同步系統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備時延標定技術以及該技術的使用。該技術在本系統中主要用于對車載衛星雙向時間同步設備的發射、接收設備時延的初值裝訂、穩定性測試和調整性能等進行測試，該技術成果是車載衛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

如果沒有高精度的時頻，車載衛星雙向時間同步系統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，為系統提供較高的守時精度。而在移動車載平臺的原子鐘設備需要考慮小體積、低功耗和抗震性能好的產品，因此只能選擇銣鐘。為了防止銣鐘守時過程中的調整對系統設備零值的影響，采用了測試期間不進行同步調整，只對兩地時間差進行實時監測的技術。

3 同源零基線驗證實驗

為了更加準確、真實地反映車載衛星雙向時間同步系統的性能，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站內進行，將標準的時頻基準送入車載衛星雙向時間同步系統和時間同步A站，利用SR620計數器測得車載衛星雙向時間同步系統和時間同步A站的鐘差。車載衛星雙向時間同步系統通過GEO衛星和時間同步A站進行衛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，就可以解算出系統組合時延值。

圖3 零基線測試示意

保持時間同步A站狀態不變，對車載衛星雙向時間同步系統進行了3次開關機實驗和1次跑車實驗。開關機實驗中，每次將車載衛星雙向時間同步系統關機1 h，開機恢復1 h，然后記錄2 h。跑車恢復實驗中，將車載衛星雙向時間同步系統開出20 km，然后再開回來，設備恢復2 h，再記錄2 h。

4 實驗結果分析

同源零基線實驗中，系統組合時延值初值為：231.52ns。實驗結果如表1所示，3次開關機、跑車恢復實驗測得系統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。系統組合時延差值還包含著時間同步A站的時延穩定性。該實驗表明，車載衛星雙向時間同步系統時延穩定，其不確定度在0.4ns之內，可以完成對衛星雙向時間比對鏈路設備時延高精度的校準。

表1 同源零基線實驗結果

5 結束語

車載衛星雙向時間同步系統具有靈活、方便的特點，雖然其應用條件較固定站差，但其精度也能夠達到較高的水平。可廣泛應用在各種需要遠距離無線電時間傳遞的系統中，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，需要通過繼續深化誤差分析，逐步優化系統設計，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：衛星導航。

魏海濤 男，(1979—)，高級工程師。主要研究方向：衛星導航。

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.車載衛星雙向時間同步系統研究[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”培養基金資助項目(A201400116)。

TN967.1

A

1003-3106(2016)11-0051-04