北斗高精度時間同步技術方案

徐 榮，趙金峰，田 湘，戴衛恒，李永強，呂 晶

北斗高精度時間同步技術方案

徐 榮1，趙金峰2，田 湘1，戴衛恒1，李永強1，呂 晶1

（1. 陸軍工程大學 通信工程學院，南京 210007；2. 61905部隊，沈陽 110000）

為了進一步提高北斗衛星導航系統（BDS）時間同步設備的授時和守時精度，提出一種高精度時間同步技術方案：由于秒脈沖馴服時鐘方案存在輸出秒脈沖短穩差，馴服周期長等缺點，可以利用微型銣鐘頻率穩定度高的優點，基于載波測量時鐘變化率來進行時間同步；既能解決輸出秒脈沖短期抖動大的問題，又可以快速馴服并保持守時長期精度。實驗結果表明，長期授時精度可達到10 ns，可以滿足第五代移動通信技術（5G）通信的最高時間同步需求。

微型銣鐘；時間同步；北斗衛星導航系統（BDS）授時；守時

0 引言

隨著北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）授時設備的廣泛應用，通信、電力、金融、交通等行業的高效運轉對時頻信息的依賴性越來越強。以移動通信為例，第五代移動通信技術（the fifth generation of mobile communicationtechnology, 5G）的基本業務時間同步需求為±1.5 μs，5G基站的帶內非連續載波聚合和帶間載波聚合的同步要求是±130 ns，帶內連續載波聚合的同步要求是±65 ns，其中聯合多天線發送和接收信號的技術（multiple input multiple output，MIMO）發送要求時間同步精度為±32.5 ns[1]。另外由于BDS衛星民用信號到達地面最大功率在-120 dBm左右[2]，在實際的使用環境中，容易受到電磁干擾影響，使得本地時間系統有時無法鎖定衛星信號，導致發生較大的時間偏差，會直接影響移動通信系統的穩定性。這些行業痛點對BDS時間同步設備的授時和守時精度提出了更高要求。

微型銣原子鐘（以下簡稱微型銣鐘）的出現可以很好地解決上述問題。微型銣鐘具有頻率穩準度高、功耗低、體積小等優點[3]，并且價格適中，可廣泛應用到上述行業。本文主要研究利用微型銣鐘頻率穩準度優勢提高BDS授時與守時精度。

1 衛星授時與守時基本原理

目前衛星授時大多采用靜態授時方式，可以分成位置未知和位置已知2種工作模式。

1）未知位置時的授時原理。此時，在位置未知工作模式下，接收機將通過接收4顆以上BDS衛星的信號，完成接收機空間三維位置及鐘差值的計算；當只能接收3顆衛星時，接收機將退化至二維工作模式，解算輸出經緯度和鐘差值。BDS授時接收機跟蹤這些衛星信號，并解擴解調信號，以測得用戶機到這些衛星的偽距并獲得這些衛星的導航電文。根據從導航電文中析出的電離層模型參數、衛星鐘差改正參數等對偽距進行偽距修正。根據電文中析出的星歷參數和衛星信號發送時刻，計算出衛星發送信號時的位置。由用戶機至這些顆BDS衛星的修正后的偽距以及衛星位置，可列出方程組為

2）位置已知時的授時原理。如果BDS授時接收機長時間固定位置進行授時，可將對輸出的用戶位置進行較長時間的平滑，減輕測量噪聲以及多徑誤差給位置解算帶來的影響，并將平滑后的接收機位置作為已知位置，并將工作模式轉為位置已知的授時工作方式。BDS授時接收機根據已知的精確位置信息，在捕獲到的衛星中，選擇仰角較高的衛星作為授時衛星。用戶機跟蹤該衛星信號，并解擴解調該信號，以測得用戶機到該衛星的偽距并獲得該衛星的導航電文。根據從導航電文中析出的電離層模型參數、衛星鐘差改正參數等對偽距進行偽距修正。根據電文中析出的星歷參數和衛星信號發送時刻，計算出衛星發出信號時的位置及至用戶機的距離。由修正后的偽距和衛星至用戶機的距離，就可得出BDS授時接收機鐘差，修正本地時間，即可使本地時間與BDS系統時間同步。

3）守時原理。守時是衛星授時設備在失去衛星信號時利用本地時鐘繼續輸出時間信號。不過任何時鐘在工作時，頻率都會容易向某一方向漂移，因此在鎖定衛星信號時要進行時鐘建模馴服本地時鐘，從而在守時期間對時鐘頻率漂移進行修正，獲得更穩準的輸出。

時鐘模型的建立包括了時鐘模型描述以及參數優化計算2個部分。如果在某一時間段內，BDS授時接收機工作正常，接收機時鐘的頻率漂移也已穩定，那么可以用這段時間內的時鐘偏差變化來建立二項式時鐘偏差模型。對于參數的優化計算可以采用最小二乘法、Kalman濾波法等多種手段，這些手段可以有效克服測量噪聲以及干擾時測量野值的影響，獲得可靠的模型參數估計值[4]。鐘差特性的描述為[5-7]。

2 基于微型銣鐘的BDS授時與守時技術方案

目前市面上的授時設備大都是采用BDS授時商用模塊的秒脈沖（one pulse per second, 1PPS）來馴服銣鐘[8]。如圖1所示，該方案的時間和頻率輸出以商用模塊輸出的1PPS信號為基準參考，但由于商用模塊一般用溫度補償晶體振蕩器（temperature compensate xtal oscillator, TCXO）作為本地時鐘，溫補晶振利用補償電壓發生器，通過產生隨溫度變化的頻率與補償電壓相補償，改善晶振性能，可在更寬的溫度范圍內獲得更高的穩定度，但短期穩定度可能受影響[9]。因其1PPS每秒有十幾ns的抖動，一般需要幾個小時才能完成時鐘馴服，限制了校頻和時間同步精度的提高，所以無法滿足更高的授時與守時精度要求。

圖1 傳統BDS時間同步技術方案

本文的設計方案如圖2所示，通過自主研發BDS授時接收機接收BDS衛星導航信號，以微型銣鐘為本地時鐘參考，實現衛星信號觀測與銣鐘鐘差的緊耦合解算，提升了授時與守時精度。

圖2 基于微型銣鐘的BDS時間同步技術方案

微型銣鐘采用美國微芯科技公司的SA.35m（如圖3所示）。該款原子鐘是小型商業化的微型原子鐘，頻率穩準度好，有利于長期守時的準確性；另外工作功耗低，正常工作狀態下小于5 W。

圖3 微芯科技公司的SA.35 m

常見的BDS授時接收機一般采用碼相位觀測值進行解算，獲得解算時刻的本地鐘與系統時的鐘差，然后在本地時加上鐘差值累積等于整秒時輸出秒脈沖。由于每秒輸出一個脈沖，因此每秒僅需完成一次解算，然后在下一個秒脈沖時調整輸出。這種方法實時簡單，計算量也較小，但精度不高。由于解算算法只能獲得觀測時刻的本地鐘和系統鐘的差值，而觀測時刻與秒脈沖輸出時刻存在一定的時間差，在這個時間差內由于本地鐘的頻差會引入新的鐘差，而這個鐘差沒有體現在解算算法中，因此僅依據解算鐘差進行時間調整的方法不夠精確。普通授時接收機常用TCXO，頻率穩定度在1×10-7左右，也就是說1 s時間會滑動100 ns左右；當觀測時刻與解算時刻相差0.5 s以上時，時鐘滑動帶來的誤差就會達到50 ns，從而嚴重限制了授時精度的提升。

為此，本文提出了觀測結合預測的鐘差計算和調整方式，可以較好地解決這個問題。BDS授時接收機的鐘差通過碼偽距觀測值來計算，鐘差變化率通過基于載波相位觀測的偽多普勒值計算。偽多普勒值的觀測精度可以達到0.1 Hz[10]，結合BDS系統的時間幾何精度因子（time dilution of precision, TDOP）值分布，可以獲得的鐘差變化率計算精度能達到2×10-10s/s，即每秒滑動0.2 ns。當觀測時刻與秒脈沖輸出時刻相差0.5 s時，由于時鐘滑動帶來的鐘差變化的補償精度可以達到0.1 ns，大大提高了授時精度。同時為了精確估算測量時刻與脈沖調整時刻之間的時間差，必須將本地時間調整至與BDS系統時同步，這樣觀測時間和系統時采用同樣一個時間刻度，可以精確估計出2個時刻之間的時間差，結合計算出來的鐘差變化率就可以推算出觀測和調整時刻間的時鐘滑動情況。結合上述原理分析，提出并實現了基于閉環方式的1PPS調整，如圖4所示。

圖4 1PPS產生與調整過程圖

1PPS與測量基本時間幀（fundamental time frame, FTF）同步，FTF以間隔時間對各信號跟蹤碼環進行采樣觀測，分別通過基于偽距和偽距變化率的最小二乘法解算出鐘差及其變化率。由于本地時間與系統時間同步，因此基于觀測時刻可以準確計算出觀測時刻距調整時刻的時間差，然后與鐘差變化率相乘獲得修正量。并通過狀態轉移方程預測下一個FTF時刻的時間調整量d。

根據這一預測，對FTF脈沖溢出時刻進行調整，通過一系列的調整過程，FTF將與BDS時間對齊，由于本機時間以FTF作為計時基礎，于是實現了本地時間與系統時間的同步，同時實現1PPS信號的準確輸出。

在進行1PPS調整的同時進行微型銣鐘馴服，但微型銣鐘冷啟動時，前幾十分鐘頻率漂移特別快，不適合做為長期馴服的初始參數。具體流程如圖5所示：開機后首先判定BDS衛星信號是否鎖定，鎖定則進行PVT解算，在解算有效后測量微型銣鐘的頻差，并進行時鐘建模訓練；BDS衛星信號未鎖定時判斷時鐘模型參數是否完成訓練，未有效則本地時鐘在守時時自由振蕩；有效則預測頻差漂移，在守時期間利用預測頻差調整時間輸出，提升守時精度。

圖5 微型銣鐘馴服守時流程

3 實驗與結果分析

為驗證方案的可行性，利用經過計量校準的時頻綜合測試儀和時間間隔計數器，在室溫靜態條件下分別進行采用微型銣鐘作為參考的BDS時間同步設備時間同步精度測試（如圖6所示）。

圖6 時間同步精度測試系統

經過14 d左右的授時精度測試，結果如圖7(a)所示，其授時標準差10.4 ns，峰峰值50.83 ns；然后將時頻綜合測試儀輸出1PPS設偏900 ns，拔掉BDS授時設備的天線轉入守時，經過23 h左右守時，結果如圖7(b)所示，時間間隔計數器測量授時偏差280 ns。

圖7 測試結果

4 結束語

時間同步系統是現代科技社會正常運行的基石，因此時間同步技術至關重要。本文介紹秒脈沖馴服時鐘的不足之處，提出利用微型銣鐘穩定度高的優點，直接作為本地接收機時鐘，進行鐘差變化率直接測量，再結合觀測鐘差進行1PPS相位調整，并進行時鐘建模。實驗結果表明長期授時精度能夠滿足5G通信等領域高精度時間同步需求。

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Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technology

XU Rong1, ZHAO Jinfeng2, TIAN Xiang1, DAI Weiheng1, LI Yongqiang1, LYU Jing1

（1.Institute of Communication Engineering, Army Engineering University, Nanjing 210007, China;2. Troops 61905, Shenyang 110000, China）

BeiDou navigation satellite system (BDS) timing service has been widely used in power grid, mobile communication and other industries due to its global coverage, all-weather, and high-precision advantages. However, with the emergence of new technologies such as the fifth-generation (5G) communications, higher precision timing and punctuality requirements are put forward for time synchronization equipment. For the one pulse per second pulse discipling clock scheme, the output second pulse stability is poor, and the discipling cycle is long, a time synchronization technical scheme based on the carrier wave to measure the clock change rate is proposed by using the micro rubidium clock with the advantages of high frequency stability. which not only solves the problem of output the problem of short-term jitter of the second pulse, but also can be quickly disciplined, and long-term accuracy of timekeeping can be maintained. The experimental results show that the long-term timing accuracy reaches 10 ns, which can meet the highest time synchronization requirements of 5G communication.

miniature rubidium atomic clock; time synchronization; BeiDou navigation satellite system (BDS) timing; timekeeping

P228

A

2095-4999(2023)01-0154-05

徐榮，趙金峰，田湘，等. 北斗高精度時間同步技術方案[J]. 導航定位學報, 2023, 11(1): 154-158.（XU Rong, ZHAO Jinfeng, TIAN Xiang, et al. Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technology[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(1): 154-158.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230123.

2022-05-16

徐榮（1980—），男，江蘇興化市人，本科學歷，副教授，研究方向為衛星導航授時與導航對抗。