一種高精度秒脈沖產生方法

欒 超，孫 峰，陳 杰，趙 娜

一種高精度秒脈沖產生方法

欒 超，孫 峰，陳 杰，趙 娜

（和芯星通科技（北京）有限公司，北京 100094）

針對目前全球定位系統接收機輸出的秒脈沖精度較低，并且隨著時間的推移會有階段性偏差，整體授時性能只在百納秒量級的問題，提出一種基于全系統多頻點接收機頻率預補償修正秒脈沖輸出的方法：采用接收機觀測值噪聲間接分析全系統多頻點接收機的誤差成分，確定接收機晶振的誤差項和秒穩性能；分析影響秒脈沖精度的主要因素；最后在全系統多頻點接收機上進行實驗驗證。結果表明，該方法能長時間穩定地輸出秒脈沖，整體性能可達到24 h峰峰值小于11 ns，1倍標準差(1)小于2 ns。

接收機鐘差；高精度授時；全球定位系統

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）可為地球表面和近地空間的用戶提供全天時、大范圍、長期連續實時高精度的定位、測速和授時服務。用于輸出授時秒脈沖（pulse per second, PPS）的GNSS接收機正是使用GNSS衛星信號進行位置、速度和時間解算，再通過濾波擬合等方法調整本地的秒脈沖相位，從而精確輸出秒脈沖信號。

目前用于輸出秒脈沖的GNSS接收機廣泛應用于通信基站、時間基準站以及電力系統等行業。在電力系統中，電網的故障檢測及分析要求時間精度達到毫秒級，其電力相位對時間精度的要求達到微秒級。在4G網絡通信系統中，對GNSS接收機輸出秒脈沖的精度要求為1.5 ns。這樣的精度要求目前的主流授時型GNSS接收機，如UBlox M8T(1σ為20 ns)，Trimble Mini-T(1為15 ns)等都可以滿足。但是在未來5G移動基站的布局中，目前要求GNSS接收機的秒脈沖輸出精度峰峰值小于30 ns，顯然目前市場上的主流GNSS接收機的秒脈沖輸出精度是不滿足要求的。

并且目前主流用于授時的GNSS接收機受制于芯片集成度等原因都是單系統單頻點或者雙系統單頻點。這樣的系統配置帶來的問題有2點：①單頻接收機易受電離層擾動的影響，電離層擾動較為活躍的時候PPS會有15~30 ns的不確定度；②雙系統特別是單系統接收機，在其使用的GNSS系統信號受到干擾或者由于政策、戰爭等原因某些系統關閉了其指定區域的GNSS信號時，在這些受干擾或者被關閉系統服務的區域，GNSS接收機就不能正確運行。

為了解決上述精度、系統頻率受限的問題，本文根據各系統信號以及所使用的低成本溫補晶振的特點，提出一種基于全系統多頻點GNSS接收機的頻率預補償方法來實時修正接收機秒脈沖相位，從而達到提高授時脈沖精度的目的。并且全系統多頻點接收機能夠最大限度地將個別系統受干擾或者信號關閉帶來的惡化影響降低到最低。

1 全系統多頻點接收機授時原理

以全球定位系統（global positioning system, GPS）為例，衛星不間斷地播發其自身的射頻信號，其中包含載波和偽碼信息；并且不間斷地播發自身的星歷參數、星鐘參數等導航電文信息。用戶接收機在接收到這些信號以及導航電文后通過解算會得到接收機的位置速度以及時間信息。當接收機正確解算出時間信息后，結合GNSS系統時以及本地的鐘差信息共同維護本地的PPS時，補償諸如天線、射頻以及處理時延后將PPS時間對準到指定的GNSS系統時，這里即為GPS時；最后將擬合好的PPS時間驅動PPS脈沖輸出，即為PPS授時脈沖。授時接收機原理如圖1所示。

由圖1可知GNSS系統信號經由GNSS天線接收至前端的前置放大器，在經過下變頻、模數轉換器（analog to digital converter, ADC）信號采集后轉換為數字中頻信號，經由GNSS接收機基帶處理通道進行捕獲跟蹤，經由基帶中的環路對本地復制的偽碼和載波進行調整從而提高觀測值精度，再將產生的觀測值以及導航電文送入定位測速定時（position, velocity, time, PVT）模塊進行計算，從而得到本地接收機鐘差進而調整出精確的PPS脈沖信號。

2 影響接收機PPS輸出準確度及精度的因素分析

2.1 天線及線纜時延對授時精度的影響

信號由天線相位中心經射頻線纜至接收機的ADC進行采樣。這一射頻鏈路存在著固定的射頻時延，此射頻時延由天線的群時延、射頻線纜的傳輸時延等共同決定；但此時延在使用的天線以及線纜型號和線纜長度確定后是一個固定值，反映到授時精度上則是PPS的固定偏差，而授時型接收機則可以通過寫入固定的授時時延對此偏差進行補償：所以此天線及線纜的時延對運行過程中的授時脈沖不會帶來精度上的影響。

2.2 硬件處理抖動對授時精度的影響

對于授時型的GNSS接收機，授時脈沖的精度受硬件的影響較大，包括前端放大器、下變頻器、ADC等器件的影響，以及本地晶振抖動的影響。對于所有影響授時精度的噪聲可以使用接收機的偽距噪聲來衡量。

偽距測量值為

從式（1）中可以看出，接收機偽距測量值除了與衛星和接收機之間的幾何距離有關，還與接收機鐘差值、衛星鐘差值、電離層、對流層以及接收機偽距測量噪聲等有關。為了使用偽距測量值衡量出偽距噪聲，就須去除其他項的影響。

雙差測量值是2臺接收機在同一時刻內對2顆衛星的測量值（如圖2所示）。即在站間單差的基礎上再求一次星間的差分。

圖2 雙差示意

圖3為接入同一個天線的2個GNSS接收機零基線24 h內GPS所有可見衛星的3個頻點（L1,L2,L5）偽距噪聲非差統計值。從圖3中可以看出，對于使用雙頻點（L1、L2）進行解算的接收機，L1頻點的偽距噪聲統計值為0.041 m，L2頻點的偽距噪聲為0.126 m 。圖4為24 h內的時間精度因子（time dilution of precision, TDOP），其值每變化一次打印一個點。考慮對時間誤差的影響時，以其最大值1.062 4估算對接收機的影響。由文獻[2-4]可知在使用雙頻進行定位和授時的情況下，雙頻校正后的偽距測量值為

圖3 GPS24h內所有可見衛星的3個頻點偽距噪聲值

圖4 24h內接收機TDOP值

2.3 PPS計算環路的影響

影響PPS時間精度的因素有觀測值質量、定位精度、晶振頻率抖動和漂移的影響。而無論是上述哪種影響帶來的PPS秒的抖動，在算法上都可以對PPS秒時間使用環路濾波進行消減。

由于晶振在工作過程中溫度變化等外界因素會導致其頻率不斷地變化，并且變化量隨著溫度及頻率變化量調整，因而存在2階量以及微小的3階量；所以在使用環路對鐘差輸入量進行濾波調整時使用如圖5所示的3階環路濾波器。

圖5 PPS計算環路框圖

圖6 PPS三階環路PPS結果

2.4 PVT鐘差計算對授時精度的影響

由偽距觀測方程式（1）可知，偽距觀測值除了與衛星到接收機的真實距離以及衛星和接收機的鐘差、觀測噪聲有關外，還受電離層延時和對流層延時的影響。

3 高精度PPS同步改進方法及實驗驗證

本文基于此，對使用PVT計算得到的鐘差及鐘飄值進行預擬合補償，并使用預補償鐘差結果對驅動PPS脈沖輸出的計數器頻率進行預補償從而得到較為精確的PPS時間秒時刻。在整體計算中，對使用的GNSS系統的鐘差參數直接使用，對本地計算得到的接收機鐘差進行平滑濾波后送入PPS模塊，并對平滑后的本地時鐘鐘飄值對計算的結果進行修正，從而得到下一秒的秒時刻。

圖8 GNSS接收機PPS與國家授時中心標準秒脈沖對比結果

4 結束語

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A method of high-precise second pulse generation

LUAN Chao, SUN Feng, CHEN Jie, ZHAO Na

（Unicore Communications, Inc., Beijing 100094, China）

Aiming at the problems that the PPS precision of GPS receiver is in low precision, and there exists a bias over time, resulting in the time services of GPS receiver in one-hundred nanoseconds level, the paper proposed a second pulse output method based on the all system multi-frequency point receiver frequency pre-compensation correction: the error components of the all system multi-frequency point receiver were analyzed indirectly by using the measurement noise of the receiver, to determine the errors and instability performance of the receiver crystal; and the influence factors of second pulse accuracy were analyzed; then the verification was carried out with the all system multi-frequency point receiver. Experimental result showed that the proposed method coud help steadily output second pulse with a long time, and the overall performance could achieve the maximum time interval error (MTIE) less than 11 ns, and 1less than 2 ns within 24 h.

receiver clock error; high-precise time services; global positioning system

P228

A

2095-4999(2019)03-0102-06

2018-09-07

欒超（1987—），男，吉林長春人，碩士，工程師，研究方向為衛星導航基帶算法。

孫峰（1982—），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向為衛星導航基帶算法。

欒超，孫峰，陳杰，等.一種高精度秒脈沖產生方法[J].導航定位學報,2019,7(3):102-107.（LUAN Chao, SUN Feng, CHEN Jie, et al.A method of high-precise second pulse generation[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):102-107.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190317.