謝維華,陳娉娉,孔敏

(北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

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北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端時延標定方法

謝維華,陳娉娉,孔敏

(北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

摘要：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端時延標定準確與否直接關系到用戶終端的定時精度,因此用戶終端在出廠前和進行定時精度測試時必須進行整機時延標定。本文研究分析了絕對時延和相對時延兩種衛(wèi)星導航用戶終端時延標定方案,針對無秒脈沖輸入(1 PPS)接口的北斗用戶終端,提出了整機標定和分段標定兩種絕對時延標定方法．實驗結果表明:這兩種標定方法的誤差不確定度優(yōu)于2 ns,滿足北斗定時用戶終端時延標定5 ns指標的要求。

關鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);用戶終端;時延;標定

0引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)用戶終端利用北斗RNSS導航信號來進行高精度時間測量,為國防、通信、交通、電力、金融等應用領域提供高精度時間基準。不同廠家生產(chǎn)的用戶終端,由于采用不同的硬件和數(shù)據(jù)處理算法,設備時延的差別很大。即使同一廠家的同一批產(chǎn)品,也會因為個體差異而設備時延不同。若無法精確測量用戶終端時延,會造成用戶終端的定時結果有較大偏差,無法滿足用戶對高精度時間同步的使用需求。因此用戶終端在出廠前必須進行時延標定,通常要求用戶終端時延的標定精度比授時精度高1個數(shù)量級,即5 ns.

衛(wèi)星導航用戶終端時延標定通常分為相對標定和絕對標定兩種方法。相對標定方法主要是測量兩臺用戶終端之間的時延差,即采用與絕對時延已知的參考用戶終端進行比對的方法進行標定,該方法簡單易行,但需要已知參考用戶終端的絕對時延。用戶終端絕對時延是指從用戶終端天線接收信號到用戶終端輸出秒脈沖信號(1 PPS)之間的電延遲。因此用戶終端絕對時延主要包括用戶終端內部時延、天線及電纜時延等。用戶終端絕對時延可通過接收實際衛(wèi)星信號并以GNSS系統(tǒng)時間為參考的方法進行標定[1]。該方法不僅需要GNSS系統(tǒng)時間作為參考,還易受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘、大氣延遲、多路徑等誤差影響,因此在實際中一般采用模擬信號源進行標定。模擬信號源模擬衛(wèi)星信號,用戶終端利用仿真信號進行定時,并輸出1 PPS與模擬信號源時間進行比較,可獲得用戶終端絕對時延。該方法由于測試場景可重復、且不受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘、大氣延遲、多路徑等誤差影響,是目前常用的一種方法。文獻[2]利用時延已知的天線來進行待測天線時延標定,但沒有給出已知天線的時延標定方法。文獻[3]～[6]提出利用GPS信號源對Ashtech Z12T和Septentrio PolaRx2進行絕對時延標定的方案,不過該方案要求接收機可同時接入外部同源的10 MHz和1 PPS信號。文獻[7]基于兩個天線時延相同的假設來進行時延標定。本文針對無秒脈沖(1 PPS)輸入接口的BDS用戶終端,提出一種利用模擬信號源進行絕對時延標定的方法,為北斗定時用戶終端在高精度時間同步領域的推廣應用提供技術支撐。

1絕對時延標定誤差分析

用戶終端絕對時延主要包括用戶終端內部時延、天線及電纜時延等,因此用戶終端絕對時延標定的不確定度主要受到模擬信號源的校準不確定度和測距精度、RF和1 PPS鏈路時延的不確定度、用戶終端晶振的穩(wěn)定度、用戶終端時鐘的分辨率以及測量儀器的不確定度等因素的影響。

模擬信號源生成的射頻信號和1 PPS參考信號到達用戶終端時,測距碼的翻轉點與1 PPS上升沿的過零點之間存在時延差,簡稱TtC延遲(tickto-code),可通過高速示波器測量出來,如圖1所示。TtC延遲可校準單元在模擬信號源每次開機時進行校準,校準不確定度一般優(yōu)于0.2 ns[2].另外,信號源輸出的偽距是精確已知的,其精度約為1 ns.

圖1　模擬信號源輸出的射頻信號與1 PPS信號之間的延遲

RF射頻電纜和1 PPS電纜的時延可通過矢量網(wǎng)絡分析儀進行標定,標定的不確定度優(yōu)于0.5 ns.各種轉接頭的時延不確定度在0.1 ns以內。

用戶終端通常采用較便宜的溫補晶振(TCXO),TCXO的穩(wěn)定度會因溫度改變和受到振動而發(fā)生變化,在1 s內其漂移率可達30 ns.若采用短穩(wěn)達1.3×10-13/s的時鐘單元(含超恒溫晶振)提供的基準頻率來驅動用戶終端,則由基準頻率漂移引起的用戶終端時延標定誤差可忽略不計。

北斗用戶終端時鐘頻率是62 MHz,其分辨率約16 ns,因此用戶終端輸出的1 PPS信號含有16 ns以內的截斷誤差。若采用時鐘單元提供的基準頻率,多次測量取均值,則由時鐘分辨率引起的用戶終端時延標定誤差可小于1 ns.

用戶終端絕對時延標定過程中,時間間隔計數(shù)器(TIC)用于測量1 PPS比對結果,矢量網(wǎng)絡分析儀(PNA)用于測量天線或電纜時延,兩者的測量不確定度均優(yōu)于0.5 ns.

2用戶終端絕對時延標定方法

用戶終端的絕對時延一般分為用戶終端內部時延、天線時延和電纜時延三部分,可采用整機標定方法或分段標定方法來進行標定。

2.1整機標定方法

整機無線標定方法即測量出時標從天線口面到整機時標脈沖輸出端的整體時延,如圖2所示。

圖2　北斗定時用戶終端整機無線標定方法示意圖

整機無線標定由于是在微波暗室中進行,不易受其他電磁波信號特別是多徑的影響,所以用戶終端絕對時延標定可以獲得很高的精度。時間間隔計數(shù)器的測量數(shù)值扣除4根線纜時延、空間距離時延以及時間間隔計數(shù)器本身時延后,即用戶終端絕對時延。多次測量求均值,可進一步減小測量隨機誤差影響。

整機無線標定方法操作簡單易行,但靈活性較差,用戶終端一旦更換天線或電纜,整機絕對時延就需要重新標定。

2.2分段標定方法

分段標定法是對天線時延、電纜時延和用戶終端內部時延分別進行標定,最后合計出整機的絕對時延。

2.2.1天線時延標定

1) 無源天線時延標定

無源天線時延標定方法如圖3所示。首先,利用矢量網(wǎng)絡分析儀測量出兩根電纜的時延;其次,在暗室內測量兩個天線和傳播空間總時延,扣除兩根電纜、發(fā)射天線(為標準天線,時延已知)、空間距離的時延,即為接收天線時延。

圖3　無源天線時延標定方法示意圖

標準天線時延的標定是關鍵。若標準天線時延已知,即可直接標定待測天線;若標準天線時延未知,則必須先標定標準天線時延。本文提出一種采用三個性能穩(wěn)定、時延未知的無源天線A、B、C作為待測對象,來確定標準天線的時延方法。

按圖3所示進行連接,可獲得天線A和天線B的時延和為X

A+B=X.

(1)

同樣,在置換天線后,分別可以測得:

A+C=Y,

(2)

B+C=Z,

(3)

由式(1)、(2)和(3)可計算得到每個天線的時延

(4)

通過上述方法,可以獲得三個天線的時延。它們都可以用作標準天線,來標定其他待測天線的時延。

2) 有源天線時延標定

有源天線時延標定方法如圖4所示。與無源天線標定方法類似,將無源標準天線作為發(fā)射天線,有源天線作為接收天線,主要區(qū)別是需要增加一個饋電模塊,隔離直流信號,使其不能輸入到測試系統(tǒng),但同時又能給用戶終端有源天線供電。通過矢量網(wǎng)絡分析儀測量獲得發(fā)射天線和接收天線的總時延,扣除發(fā)射天線時延,即為有源天線時延。

圖4有源天線時延標定示意圖

饋電模塊的時延不確定度小于0.1 ns.經(jīng)計算,有源天線時延標定的不確定度為

2.2.2線纜時延標定

天線線纜的時延標定采用矢量網(wǎng)絡分析儀進行,如圖5所示。

圖5　天線線纜時延標定示意圖

2.2.3用戶終端主機時延標定

用戶終端主機時延標定與整機無線標定方法相似,主要區(qū)別是采取有線的方式將信號源的射頻仿真信號輸出與用戶終端射頻信號輸入相連接,標定方法如圖6所示。

圖6　用戶終端主機時延標定示意圖

模擬信號源的精度可優(yōu)于1.02 ns,4根1 PPS線纜的時延不確定度小于1 ns,時間間隔計數(shù)器的不確定度為0.5 ns,衰減器的時延標定不確定度小于0.2 ns, 用戶終端1 PPS截斷誤差引起的不確定度為1 ns.因此,用戶終端內部時延標定的不確定度為

綜上所述,采用分段標定方法,用戶終端絕對時延的標定不確定度為

滿足指標5 ns的要求。

對比分析分段標定方法與整機標定方法,兩者的不確定度均在2 ns左右,但分段標定方法較靈活,若用戶終端更換天線或線纜,只需對所更換的天線或線纜進行標定,即可重新計算得到用戶終端絕對時延。

3實驗與分析

采用分段標定方法對3臺北斗定時用戶終端B3頻點的絕對時延進行標定。

1) 無源天線標定

由于沒有時延已知的標準天線,故首先進行標準天線時延的標定。準備4個北斗無源天線(分別命名為1#、2#、3#、4#)。取1#、2#和3#兩兩組合,測量每個組合的時延。待矢量網(wǎng)絡分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)記錄5次數(shù)據(jù),測量結果取平均值,標定結果如表1所示。

表1　標準天線的時延標定結果

計算后可得1#、2#和3#天線的時延分別為7.731 ns、7.316 ns和11.160 ns.為了對計算結果進行驗證,取4#天線分別與1#、2#、3#天線組合,測量組合時延,結果如表2所示。

表2　4#天線的時延標定

由表2可以看出,1#、2#和3#無源天線分別作為標準天線時,得到4#天線時延的標定結果基本一致,最大相差0.485 s.

2) 源天線標定

采用1#無源天線作為標準天線,分別標定3臺用戶終端的有源天線(分別命名為天線A、天線B和天線C)時延。待矢量網(wǎng)絡分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)記錄10次數(shù)據(jù),測量結果取均值,如表3所示。

表3　有源天線的時延標定結果

由于定時用戶終端天線B中采用了自研的低噪放模塊,含有濾波器,故天線時延值較大。而天線A和天線C采用了低噪放模塊,不含濾波器,故天線時延值較小,與之前標定的無源天線時延相差不大。

為了驗證有源天線時延的標定結果,采用2#無源天線作為標準天線,分別對3個用戶終端有源天線時延進行標定,標定結果如表4所示。

表4　有源天線的時延標定結果

對比表3和表4用戶天線時延的標定結果,可得用戶終端有源天線A、B和C的時延的兩次標定結果分別相差0.322 ns、0.327 ns和0.128 ns,驗證了該方法的有效性和正確性。

3) 天線線纜時延標定

利用矢量網(wǎng)絡分析儀可以測得3臺用戶終端天線線纜的時延,結果如表5所示。

表5　用戶終端天線線纜的時延標定結果

4) 用戶終端主機時延標定

待用戶終端正常工作,時間間隔計數(shù)器讀數(shù)穩(wěn)定后,連續(xù)采樣10 min,測量結果取平均值,標定結果如表6所示。

表6　用戶終端主機時延的標定結果

經(jīng)計算,3臺用戶終端B3頻點的絕對時延如表7所示。

表7　3臺北斗用戶終端B3頻點的絕對時延

4結束語

為滿足國防、金融等行業(yè)高端用戶采用北斗定時用戶終端實現(xiàn)高精度時間同步的需求,本文提出了用戶終端整機標定和分段標定兩種絕對時延標定方法,并采用該方法對3臺北斗定時用戶終端B3頻點的絕對時延進行標定。實驗結果表明,這兩種標定方法合理、可行,標定誤差不確定度優(yōu)于2 ns,滿足北斗定時用戶終端時延標定5 ns指標的要求。

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謝維華(1979-)，男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導航接收機技術研究。

陳娉娉(1975-),男,工程師,主要從事衛(wèi)星導航接收機技術研究。

孔敏(1975-)工程師,主要從事衛(wèi)星導航接收機技術研究。

Time Delay Calibration Method for User Terminal of The BeiDou Navigation Satellite System

XIE Weihua,CHEN Pingping,KONG Min

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

Abstract:The accuracy of time delay calibration for the user terminal of the BeiDou navigation satellite system has a great impact on the timing accuracy of the user terminal. So the time delay calibration must be carried out before timing accuracy test. In this paper, two kinds of time delay calibration schemes for satellite navigation users with absolute delay and relative delay are studied. For the BeiDou user terminal without one pulse per-second(1PPS) input interface, two absolute time delay calibration methods are proposed. Experimental results show that the error of these two calibration methods is better than 2 ns, which meets the requirements of the 5 ns index for the time delay calibration of the BeiDou user terminal.

Keywords:BeiDou navigation satellite system; user terminal; time delay; calibration

作者簡介

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-08-01

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.006

聯(lián)系人： 謝維華 E-mail: 18901080599@163.com