GNSS時間比對設備設計與實現

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.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

3.中華通信系統有限責任公司 河北分公司,河北 石家莊 050081;

4.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

1980年,美國國家標準局首次發布了共視時間比對方法[1]。1983年,國際守時實驗室應用該方法實現了異地原子鐘之間的時間比對和同步[2]。受限于當時GPS的發展,起初的共視時間比對主要基于GPS偽碼的單通道接收處理,共視時間比對的用戶需要遵循國際計量局定期更新發布的共視時刻表,在統一時刻接收約定的GPS衛星,產生共視文件后通過數據交換完成時間比對[3]。隨著導航信號接收技術的進步,目前時間比對接收機已發展為多通道接收機,即在同一共視時刻能夠同時觀測到多顆衛星,為時間比對性能的提高提供了基礎性支撐[4]。

國外生產時間比對設備的廠家主要有MESIT,SEPTENTRIO,PIKTIME和TFS等公司[5]。MESIT公司生產的GTR系列時間比對設備采用商用接收板卡搭配時差測量單元實現,關鍵部件采用恒溫控制,可自動化收集保存測量數據,支持多種輸出協議,共視文件支持GPS及GLONASS等導航系統[6];SEPTENTRIO公司生產的POLARX系列時間比對設備采用自研接收板卡實現,整機進行小型化、低功耗設計,大小僅為235 mm×140 mm×37 mm,搭配上位機軟件使用,共視文件支持GPS及GLONASS等導航系統;PIKTIME公司生產的TTS系列時間比對設備采用商用接收板卡搭配時差測量單元實現,內置工控機運行嵌入式系統具備大尺寸監控屏幕,共視文件支持GPS及GLONASS等導航系統[7]。國內共視技術的研究起步較晚,目前已有多家科研機構針對共視時間比對技術開展了研究[8-9],形成了多型號的接收設備及共視處理軟件,各廠家時間比對設備采用接收板卡搭配時差測量單元實現。

本文設計了國產化的GNSS時間比對設備,支持BDS,GPS,GLONASS及GALILEO系統信號接收及處理,利用觀測數據經數據處理后直接獲得鐘差信息,有效減少了時差測量單元引入的測量誤差。

1 共視比對原理

GNSS時間比對原理如圖1所示。

圖1 時間比對原理Fig.1 Principle diagram of time transfer

GNSS共視時間比對本質上以相同的共視衛星作為共同參考,位于異地的待同步地面站接收衛星信號,按照共視時間表進行數據處理獲得本地時間與觀測衛星間的相對鐘差,通過比較2站的相對鐘差,即可獲得異地待同步地面站間的鐘差[10-11]。

定義本地鐘相對于參考時間(GNSS系統時間)的鐘差為ΔT(t)=T(t)-tref(t),其中,T(t)為t時刻對應的本地時間;tref(t)為t時刻對應的參考時間。因此,在相同的GNSS時刻t,位于異地的A,B兩站對GNSS系統時間的鐘差可分別記為[12]:

對于進行共視時間比對的A站和B站,可將式(1)進一步改寫為:

由此得:

上述即為A站、B站間進行衛星共視時間比對的計算模型,由上式可知,A,B站的共視衛星鐘差及共視衛星發射時延被完全抵消。

2 時間比對設備設計

2.1 硬件設計

GNSS時間比對設備采用19英寸2U上架機箱設計,如圖2所示。內部采用插卡設計,各導航系統采用獨立板卡,可根據不用應用場景進行組合使用。

圖2 GNSS時間比對設備Fig.2 GNSS time transfer equipment

GNSS時間比對設備由全頻點天線、變頻模塊、解算模塊、時頻模塊、監控模塊及軟件等組成,如圖3所示。

圖3 GNSS時間比對設備組成Fig.3 Composition diagram of GNSS time transfer equipment hardware

全頻點天線為射頻信號輸入口,采用右旋圓極化設計,能夠同時接收BDS,GPS,GLONASS,GALILEO系統的導航信號,并完成低噪聲放大;變頻模塊完成導航信號的下變頻功能,輸出中頻信號;解算模塊以外部輸入的10 MHz,1 pps信號為參考,進行信號的捕獲、跟蹤及原始數據輸出等;時頻模塊對外部輸入的10 MHz,1 pps信號進行分路輸出,分配至內部各模塊;監控模塊采集整機的狀態信息用于設備前面板狀態顯示,同時上報整機數據至軟件;軟件用于顯示整機狀態及觀測數據,觀測數據按照RINEX3.0格式要求進行本地存儲,同時按照共視標準數據處理得到CGGTTS文件。

2.2 軟件設計

GNSS時間比對設備軟件處理流程如圖4所示。軟件在接收到時間比對設備上報的觀測數據后按照RINEX格式進行數據存儲,同時判斷是否為共視時刻,如果不是共視時刻則返回對下一時刻進行判斷;若當前為共視時刻則進入共視處理過程,對測距信息進行鏈路誤差修正,包括電離層誤差、對流層誤差及相對論誤差等,根據星歷參數計算當前時刻的衛星位置及衛星鐘差,綜合利用偽距、衛星位置、衛星鐘差及天線位置坐標等信息分別得到本地相對導航系統的鐘差即REFSYS,本地相對衛星的鐘差即REFSV,最終結合實驗室信息補充CGGTTS文件頭內容,形成最終的CGGTTS標準共視文件。

圖4 GNSS時間比對設備軟件處理流程Fig.4 Flowchart of GNSS time transfer equipment software processing

3 測試驗證

影響時間比對指標的因素除空間誤差的修正外,設備自身的偽碼測量精度、設備時延穩定性等也會有一定影響[14-15],因此時間比對設備的測試驗證分為偽碼測量精度試驗驗證、設備時延穩定性試驗驗證、超短基線試驗驗證及300 km基線試驗驗證。

3.1 偽碼測量精度試驗驗證

偽碼測量精度試驗采用模擬源的方法,將待測設備與模擬源有線連接,調整各導航頻點發射信號功率,使到達待測設備的等效功率電平不小于各類信號的靈敏度電平。待設備工作穩定后,每種信號連續工作24 h,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測設備輸出的偽距值與真值做差,使用統計的方法對各頻點數據進行處理,結果如表1所示。

表1 偽碼測量精度數據記錄Tab.1 Pseudo-code measuring accuracy data record

3.2 設備時延穩定性試驗驗證

設備時延穩定性試驗采用模擬源的方法,將待測設備與模擬源有線連接,調整各導航頻點發射信號功率,使到達待測設備的等效功率電平不小于各類信號的靈敏度電平。待設備工作穩定后,每種信號連續工作24 h,并進行3次開關機測試,每次開關機后測試2 h,共計30 h測試數據,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測設備輸出的偽距值與真值做差,使用統計的方法對各頻點數據進行處理,結果如表2所示。

表2 時延穩定性數據記錄Tab.2 Time delay stability data record

3.3 超短基線試驗驗證

超短基線測試原理框圖如圖5所示。

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

將天線A,B安裝于開闊無遮擋處,時間比對設備A,B同時接入時間基準的10 MHz,1 pps信號,連續記錄2天觀測數據,使用PPP的方法對天線的位置坐標進行精確標定,連續測量5天,通過計算機完成CGGTTS文件的產生與存儲。測試完成后,處理2臺衛星共視比對接收機的CGGTTS數據得到鐘差數據,采用標準方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進行時間比對的A類不確定度為0.20 ns,如圖6所示。使用BDS進行時間比對的A類不確定度為0.41 ns,如圖7所示。

圖6 超短基線GPS共視比對結果Fig.6 Ultra-short baseline GPS common view comparison result

圖7 超短基線北斗共視比對結果Fig.7 Ultra-short baseline BDS common view comparison result

3.4 300km基線試驗驗證

300 km基線條件下,測試原理框圖如圖8所示。在A,B兩地待測時間比對設備與已知不確定度的基準比對設備分別進行同源超短基線連接,測試用線纜與超短基線測試用線纜一致。

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

利用2天的觀測數據使用PPP的方法對天線坐標進行精確標定,連續測量6天。計算機完成時間比對設備CGGTTS文件的產生與存儲,利用基準比對設備連續測量6天,存儲CGGTTS文件,處理基準比對設備的CGGTTS數據,處理時間比對設備的CGGTTS數據,基準比對設備A與基準比對設備B的時差記為T1,時間比對設備A與時間比對設備B的時差記為T2,則遠程時間比對結果T為:

T=T2-T1。

采用標準方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進行時間比對的A類不確定度為0.42 ns,如圖9所示。使用BDS進行時間比對的A類不確定度為0.45 ns,如圖10所示。

圖9 300 km基線GPS共視比對結果Fig.9 300 km baseline GPS common view comparison result

圖10 300 km基線北斗共視比對結果Fig.10 300 km baseline result of BDS common view comparison test

4 結束語

本文設計了一種GNSS時間比對設備,以用戶10 MHz,1 pps為內部測量基準,輸出的觀測數據能夠直接反應鐘差信息,省去了傳統共視時間比對設備內部的計數器單元。經測試,設備自身的偽碼測量精度和時延穩定性均優于0.5 ns,超短基線及300 km基線條件下A類不確定度優于1 ns,能夠滿足開展高精度時間比對的需求。隨著北斗系統的建設,后續可進一步開展基于北斗三號時間比對設備的研制工作。