北斗授時原理及終端性能檢測技術(shù)

石 磊，孫祥福，李 騰

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

北斗授時原理及終端性能檢測技術(shù)

石 磊，孫祥福，李 騰

（中國電子科技集團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型產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)，對北斗單向授時、雙向授時的原理進行了介紹，提出了北斗授時終端檢測檢測系統(tǒng)的設(shè)計思路，并對北斗授時終端的基本性能指標的測試方法和評估方法進行了描述。

北斗導(dǎo)航；單向授時；雙向授時；授時精度；守時精度

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，它們對時間系統(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）和北斗授時技術(shù)的快速發(fā)展，目前北斗授時產(chǎn)品已逐步替代了GPS產(chǎn)品。

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

1 衛(wèi)星導(dǎo)航授時原理

1.1 單向授時

單向授時是北斗授時終端自主實現(xiàn)定時功能。即由授時終端接收衛(wèi)星信號，解算出基本觀測量信息和導(dǎo)航電文信息，進而獲得鐘差修正本地時間，使本地時間與UTC同步。單向授時分為RNSS單向授時與RDSS單向授時兩種模式。

1）RNSS單向授時

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

授時終端獲得本地時刻與UTC時間的差值ΔTJST-UTC為：

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

2）RDSS單向授時

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

其中，ΔTJST-UTC為本地時間與UTC時間的差值；ΔTJST-GNT為本地時間與RDSS系統(tǒng)時間差值，T測量為RDSS地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到授時終端的偽距時間，由授時終端測量獲得，T下行為RDSS衛(wèi)星到授時終端的空間幾何傳播時延，T其它為其它時延相關(guān)內(nèi)容，包括電離層、對流層、設(shè)備零值、轉(zhuǎn)發(fā)器時延等，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)時間與UTC時間差值。

1.2 RDSS雙向授時

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

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

其中，ΔTJST-UTC為本地時間與UTC時間差值；T測量為RDSS地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到授時終端的偽距時間，由授時終端測量獲得；T正向為RDSS出站信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器至授時終端的傳播時延；T接收零值為雙向授時終端的接收零值；ΔTGNT-UTC為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間與UTC時間差值。

雙向授時工作示意圖如圖1所示。

2 檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

為了保證測試結(jié)果的的科學性、準確性與可復(fù)現(xiàn)，北斗授時終端檢測環(huán)境是在實驗室環(huán)境中，利用北斗授時檢測系統(tǒng)，通過仿真衛(wèi)星導(dǎo)航星座、運動特性以及實際空間環(huán)境特性，模擬北斗授時終端天線口面接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，配合標準儀器和專用設(shè)備，完成對授時終端授時性能的檢測。

北斗授時檢測系統(tǒng)主要由測試評估軟件、導(dǎo)航信號模擬器、時頻基準源、通用儀器、微波暗室等組成，如圖2所示。

2.1 測試評估軟件

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

2.2 導(dǎo)航信號模擬器

圖1 雙向授時工作原理示意圖

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

2.3 時頻基準源

時頻基準源主要功能是為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間和頻率基準，并具備對授時終端輸出的時間信息與本地時間進行比對的能力，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間間隔計數(shù)器、頻率計數(shù)器等，用以輔助系統(tǒng)完成授時終端部分功能性能的測試。

2.5 微波暗室

微波暗室內(nèi)是用來模擬自由空間環(huán)境對授時終端進行的無線測試，內(nèi)部還包括測試天線、測試轉(zhuǎn)臺等。

圖2 檢測系統(tǒng)組成示意圖

3 性能檢測方法

3.1 授時精度

1）按照圖3連接測試設(shè)備。

2）導(dǎo)航信號模擬器、時間間隔計數(shù)器、被測授時終端等設(shè)備開機預(yù)熱時間不小于1 h，使各設(shè)備處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；

3）授時終端接收導(dǎo)航信號模擬器播發(fā)導(dǎo)航信號，并設(shè)置授時模式（單向授時或雙向授時），時間間隔計數(shù)器測量系統(tǒng)時頻基準1 pps信號與授時終端1 pps的時間間隔，測試24 h；

4）在進行時間間隔比對測量的同時，比對授時終端和時頻基準源的時間信息是否一致，若不一致則本次測試失敗；

5）獲得該授時終端的精度。

其中：

τ為被測授時終端的授時精度標準偏差；

t測量為時間間隔測量值并扣除被測電纜、空間傳播時延等獲得的被測授時終端與時頻基準偏差值；

t均值為系統(tǒng)被測授時終端定時偏差平均值。

3.2 守時精度

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

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

圖3 授時精度檢測連接示意圖

2）用時間間隔計數(shù)器測量授時終端輸出1 pps信號與時頻基準1 pps信號的時間間隔，測試時間一般設(shè)定為24 h；

3）在進行時間間隔比對測量的同時，比對授時終端和時頻基準源的時間信息是否一致，若不一致則本次測試失敗；

4）對測試時間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)按大小進行排序，取最大值即為該授時終端24 h內(nèi)的守時精度。

其中：

T 為被測授時終端的授時精度標準偏差；

t測量為時間間隔測量值并扣除被測電纜、空間傳播時延等獲得的被測授時終端與時頻基準偏差值。

3.3 頻率準確度

對于北斗授時終端輸出信號頻率準確度的測試可以采用直接測頻法進行測試，測試連接圖如圖4所示。

1）設(shè)備連接如圖4所示，等待授時終端進入穩(wěn)定工作狀態(tài)開始進行測試。

2）用頻率計數(shù)器讀取北斗授時終端輸出頻率測量值；統(tǒng)計次數(shù)不少于100次；

3）計算該授時終端的頻率準確度。

其中：

A為被測授時終端的授時精度準確度；

fi為授時終端輸出頻率的測量值；

f0為授時終端輸出頻率的標稱值；

圖4 頻率精確度檢測連接示意圖

m為測量樣本個數(shù)。

4 結(jié)束語

本文對北斗授時的基本工作原理進行了描述，提出了構(gòu)建北斗授時終端檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計思路，分別給出了北斗RNSS單向授時、北斗RDSS單向授時和北斗RDSS雙向授時的精度計算公式，從而實現(xiàn)對北斗授時終端性能進行科學、準確、可復(fù)現(xiàn)的質(zhì)量評估，從而進一步規(guī)范北斗授時終端的技術(shù)狀態(tài)，促進其在各個應(yīng)用行業(yè)更好的推廣。

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

[2]陳向東,鄭瑞鋒,陳洪卿,等．北斗授時終端及其檢測技術(shù) [M]．第1版．北京：電子工業(yè)出版社, 2016.

[3]陳錫春,譚志強,李鋒.北斗用戶終端測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程, 2015(1): 0-43.

[4]張延,黃佩誠.高精度時間間隔測量技術(shù)與方法[J].天文學進展, 2006, 24(1): 1-18.

[5]黃建生,王曉玲,王敬艷等. GPS導(dǎo)航定位設(shè)備測試技術(shù)研究[J]，電子技術(shù)與軟件工程, 2013(6): 36-37.

[6]劉會杰,張乃通.基于雙星系統(tǒng)的單向授時技術(shù)研究[J].遙測遙控, 2002, 23(3): 21-26.

石磊（1982.7.7- ），中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航檢測與認證。

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