陳婧亞，許龍霞，李孝輝

?

一種共視接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法

陳婧亞1,2,3，許龍霞1,2，李孝輝1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

定時(shí)接收機(jī)的時(shí)延校準(zhǔn)方法主要有相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)和絕對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)兩種，對(duì)參與共視時(shí)間比對(duì)的多臺(tái)接收機(jī)，只需進(jìn)行相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)。研究了一種接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的流動(dòng)校準(zhǔn)方法，該方法使用一套接收機(jī)設(shè)備作為參考，將參考接收機(jī)搬移到不同的地點(diǎn)，測量參考接收機(jī)與待校準(zhǔn)接收機(jī)間的相對(duì)時(shí)延，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)待校準(zhǔn)接收機(jī)間相對(duì)時(shí)延的測量。該方法整體考慮接收機(jī)端的各項(xiàng)時(shí)延，校準(zhǔn)步驟簡單，對(duì)環(huán)境沒有特殊要求。試驗(yàn)結(jié)論表明該方法的相對(duì)校準(zhǔn)精度可達(dá)納秒級(jí)，對(duì)于納秒級(jí)的時(shí)間比對(duì)可以采用該方法對(duì)接收機(jī)進(jìn)行相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)。

共視接收機(jī)；相對(duì)時(shí)延；絕對(duì)時(shí)延；流動(dòng)校準(zhǔn)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是進(jìn)行高精度時(shí)間頻率傳遞的重要手段，目前廣泛使用的授時(shí)方法是基于導(dǎo)航衛(wèi)星的單向授時(shí)技術(shù)，此種方法可以同時(shí)為多個(gè)用戶提供授時(shí)服務(wù)，且系統(tǒng)的服務(wù)容量不受限，用戶最高只能獲得約15 ns的授時(shí)精度[1]。對(duì)授時(shí)有高精度需求的用戶，使用基于GPS、GLONASS、BDS等GNSS系統(tǒng)的共視時(shí)間傳遞技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 ns的時(shí)間比對(duì)精度。共視接收機(jī)作為時(shí)間比對(duì)的工具，其時(shí)延的測量精度是直接影響時(shí)間比對(duì)結(jié)果的重要因素之一。因此，在進(jìn)行時(shí)間比對(duì)之前需要精確測量參與比對(duì)的接收機(jī)之間的相對(duì)時(shí)延。

目前，接收機(jī)時(shí)延的校準(zhǔn)方法主要有相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)和絕對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)[2]。接收機(jī)絕對(duì)時(shí)延的測量一直是一項(xiàng)國際難題，現(xiàn)有的測量方法大都復(fù)雜并且成本高。接收機(jī)時(shí)延的相對(duì)測量只需要測量兩臺(tái)接收機(jī)的時(shí)延差，不需要考慮接收機(jī)的絕對(duì)時(shí)延，具有操作簡單，校準(zhǔn)精度高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)共視時(shí)間比對(duì)而言，只需要對(duì)參與時(shí)間比對(duì)的共視接收機(jī)進(jìn)行相對(duì)時(shí)延測量即可。本文研究了一種接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的流動(dòng)校準(zhǔn)方法，參與時(shí)間比對(duì)的共視接收機(jī)分別與同一臺(tái)流動(dòng)的接收機(jī)進(jìn)行相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)，獲得相對(duì)于流動(dòng)接收機(jī)的相對(duì)時(shí)延，進(jìn)而測得參與比對(duì)接收機(jī)之間的相對(duì)時(shí)延差。在該校準(zhǔn)方法中，校準(zhǔn)時(shí)將接收機(jī)端的各部分時(shí)延包括天線時(shí)延、天線電纜時(shí)延、接收機(jī)內(nèi)部時(shí)延以及參考電纜時(shí)延等作為一個(gè)整體考慮，實(shí)施校準(zhǔn)。該方法簡化了校準(zhǔn)步驟，并且適合搬移到各個(gè)待校準(zhǔn)地點(diǎn)，不影響待校準(zhǔn)接收機(jī)的正常運(yùn)行。

1 接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法分析

目前國際上主要有兩種接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法，一種是以一臺(tái)內(nèi)部時(shí)延已精確測定的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)型接收機(jī)作為參考，待校準(zhǔn)接收機(jī)與參考接收機(jī)進(jìn)行相對(duì)時(shí)延測量，實(shí)現(xiàn)相對(duì)時(shí)延測量。另一種是利用GNSS信號(hào)模擬器測量待校準(zhǔn)接收機(jī)之間的相對(duì)時(shí)延，這種校準(zhǔn)方法首次被定義和使用是在科羅拉多大學(xué)，并首次在NRL進(jìn)行運(yùn)用[3]。

1.1 基于參考接收機(jī)的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法

該方法通常選用一臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室長期穩(wěn)定運(yùn)行的共視接收機(jī)作為參考接收機(jī)。接收機(jī)在長期運(yùn)行過程中需要定期對(duì)其絕對(duì)時(shí)延進(jìn)行標(biāo)校。以這臺(tái)接收機(jī)為參考，待校準(zhǔn)接收機(jī)與參考接收機(jī)零基線共鐘（即使用相同的時(shí)間參考源）配置，同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行比對(duì)測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)待校準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)延的測量。BIPM對(duì)全球各實(shí)驗(yàn)室之間的共視時(shí)間比對(duì)接收機(jī)均采用這種校準(zhǔn)方法。圖1給出了待校準(zhǔn)接收機(jī)與參考接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)的示意圖。在待校準(zhǔn)地點(diǎn)按照規(guī)定的程序和文件格式對(duì)接收機(jī)單元及參考鐘信號(hào)之間的所有延遲進(jìn)行測量。兩臺(tái)接收機(jī)使用同一臺(tái)鐘輸出的時(shí)頻信號(hào)作為參考[4-5]。

該方法的缺點(diǎn)是在進(jìn)行相對(duì)校準(zhǔn)之前需要對(duì)參考接收機(jī)進(jìn)行絕對(duì)時(shí)延的測量，而參考接收機(jī)的物理參數(shù)也會(huì)在使用過程中發(fā)生變化，所以需要對(duì)參考接收機(jī)定期進(jìn)行絕對(duì)時(shí)延的校準(zhǔn)，而絕對(duì)時(shí)延的測量是設(shè)備時(shí)延校準(zhǔn)的難點(diǎn)，在不具備絕對(duì)校準(zhǔn)條件的實(shí)驗(yàn)室很難進(jìn)行應(yīng)用。

圖1 基于參考接收機(jī)的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法

1.2 基于信號(hào)模擬器的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法

使用信號(hào)模擬器進(jìn)行接收機(jī)相對(duì)校準(zhǔn)的原理如圖2所示，信號(hào)模擬器輸出兩路信號(hào)，一路為模擬的GNSS射頻信號(hào)，一路為1 PPS參考信號(hào)[3]。利用功率分配放大器將GNSS模擬信號(hào)分成功率、相位一致的兩路信號(hào)分別輸入至參考接收機(jī)和待校準(zhǔn)接收機(jī)，兩臺(tái)接收機(jī)在零基線共鐘的配置條件下同時(shí)運(yùn)行，保存觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間比對(duì)。與1.1節(jié)中的方法相比，該方法只是將真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)用模擬的導(dǎo)航信號(hào)替代，兩種方法的校準(zhǔn)原理是一致的，都需要事先測得參考接收機(jī)的絕對(duì)時(shí)延。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)模擬器能提供實(shí)時(shí)，重復(fù)可用的衛(wèi)星星空環(huán)境。同時(shí)在校準(zhǔn)時(shí)由于模擬器輸出的導(dǎo)航信號(hào)直接輸出給接收機(jī)，所以既不存在衛(wèi)星端的星鐘、星歷誤差，也避免了信號(hào)傳播路徑中的電離層對(duì)流層延遲誤差和多徑效應(yīng)的影響。不足是采用的模擬器模擬出的導(dǎo)航信號(hào)與真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)存在差異，對(duì)于不同類型的接收機(jī)數(shù)據(jù)處理的方法也不同，且校準(zhǔn)成本高昂[3-4]。

圖2 使用信號(hào)模擬器進(jìn)行相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)的原理圖

2 接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的流動(dòng)校準(zhǔn)方法

對(duì)于遠(yuǎn)距離的多臺(tái)接收機(jī)間的時(shí)間比對(duì)，使用一套與各校準(zhǔn)站點(diǎn)接收機(jī)類似的接收機(jī)流動(dòng)校準(zhǔn)是較好的方法。首先將第一臺(tái)待校準(zhǔn)的接收機(jī)選為參考接收機(jī)，將流動(dòng)接收機(jī)與參考接收機(jī)在零基線同參考源條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，再將流動(dòng)接收機(jī)搬運(yùn)到其他待校準(zhǔn)地點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，最后，將流動(dòng)校準(zhǔn)接收機(jī)移動(dòng)至參考接收機(jī)處，再次進(jìn)行相對(duì)時(shí)延的測量。測量過程中，固定一套接收機(jī)單元、天線、天線電纜及參考電纜，組成接收機(jī)流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，原理如圖3所示。參考接收機(jī)與流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在循測開始和循測結(jié)束前的相對(duì)時(shí)延觀測量反映了參考接收機(jī)和流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在該次完整校準(zhǔn)過程中的變化。在計(jì)算各校準(zhǔn)站間的相對(duì)時(shí)延時(shí)，需要考慮該變化的影響。

圖3 接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的流動(dòng)校準(zhǔn)方法原理圖

以待校準(zhǔn)接收機(jī)數(shù)量為兩臺(tái)說明上述校準(zhǔn)過程，設(shè)兩臺(tái)待校準(zhǔn)接收機(jī)編號(hào)為A，B，放置兩臺(tái)接收機(jī)的站點(diǎn)為A，B站點(diǎn)，流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)用編號(hào)M表示。校準(zhǔn)過程包括以下5個(gè)步驟:

① 流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)搬運(yùn)至A接收機(jī)所在地，在零基線共鐘條件下測量與待校準(zhǔn)接收機(jī)A的相對(duì)時(shí)延，校準(zhǔn)原理如圖3所示。流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)輸出的時(shí)差值用表示，含義是本地參考與導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差。則兩者的相對(duì)時(shí)延值可用式（1）表達(dá)：

② 流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在A站完成測量后，被搬運(yùn)到B站，在零基線共鐘條件下測量與待校準(zhǔn)接收機(jī)B的相對(duì)時(shí)延，可用式（2）表示：

。 （2）

③ 流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)再次返回A站，與A站接收機(jī)再次進(jìn)行相對(duì)時(shí)延的測量，校準(zhǔn)結(jié)果可用式（3）表示：

， （4）

。 （6）

至此完成了一次完整的測量。該方法固定流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成，不需要單獨(dú)考慮各個(gè)部分的時(shí)延，相對(duì)1.1節(jié)與1.2節(jié)中的相對(duì)校準(zhǔn)方法簡單易操作，且上述校準(zhǔn)方法對(duì)環(huán)境沒有特殊要求。最重要的是，不需要事先測量流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)延值，避免了絕對(duì)校準(zhǔn)的難題，同時(shí)考慮了流動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在校準(zhǔn)期間時(shí)延發(fā)生變化引起的測量不確定性。

3 接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)結(jié)果

針對(duì)第二部分提出的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)方法，開展相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)試驗(yàn)。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院國家授時(shí)中心的兩臺(tái)型號(hào)相同的多模（GPS/GLONASS）多通道共視接收機(jī)，一臺(tái)作為流動(dòng)接收機(jī)記為A，另一臺(tái)為待校準(zhǔn)接收機(jī)記為B。兩臺(tái)接收機(jī)均以國家授時(shí)中心保持的UTC（NTSC）時(shí)間信號(hào)為參考，零基線運(yùn)行，接收機(jī)每分鐘輸出一組符合標(biāo)準(zhǔn)共視格式GGTTS的數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星號(hào)（PRN），時(shí)標(biāo)（STTIME）及本地鐘相對(duì)于GPS/GLONASS系統(tǒng)時(shí)的偏差（REFGPS）這些觀測數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。接收機(jī)可以同時(shí)接收GPS和GLONASS系統(tǒng)的信號(hào)，數(shù)據(jù)中的代表本地參考時(shí)間UTC（NTSC）與導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)差。

以接收機(jī)接收GPS信號(hào)為例，接收機(jī)A觀測某顆GPS衛(wèi)星（1～32）得到的記為，同理接收機(jī)B觀測某顆GPS衛(wèi)星得到的記為，在同一時(shí)刻，A接收機(jī)觀測到顆GPS衛(wèi)星，B接收機(jī)觀測到顆GPS衛(wèi)星，接收機(jī)相對(duì)時(shí)延（包含接收機(jī)纜線時(shí)延，內(nèi)部時(shí)延，外部參考時(shí)延）記為。則在每個(gè)時(shí)刻有：

同理，可以得到接收機(jī)在時(shí)刻通過觀測GLONASS衛(wèi)星獲得的相對(duì)時(shí)延值。圖4所示為兩臺(tái)接收機(jī)分別基于GPS和GLONASS衛(wèi)星在1個(gè)月（約化儒略日57126～57156）內(nèi)的相對(duì)時(shí)延變化。

圖4 基于GPS，GLONASS的共視接收機(jī)相對(duì)時(shí)延變化

表1 GPS，GLONASS相對(duì)時(shí)延的均值和方差 ns

為了分析相對(duì)時(shí)延隨著時(shí)間的變化情況，本文分析計(jì)算了相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)結(jié)果在不同的取樣間隔下的穩(wěn)定度，即時(shí)間方差TDEV，其是一種時(shí)間穩(wěn)定度的表征手段：

圖5和圖6分別為基于GPS，GLONASS的相對(duì)時(shí)延在一個(gè)月時(shí)間的時(shí)間方差圖。通過GPS測得的相對(duì)時(shí)延在取樣間隔1 d時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間穩(wěn)定度為4×10-10，取樣間隔為5 d時(shí)的時(shí)間穩(wěn)定度約為1×10-10。通過GLONASS測得的相對(duì)時(shí)延在取樣間隔1 d時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間穩(wěn)定度為4×10-10，取樣間隔為5 d時(shí)的時(shí)間穩(wěn)定度約為2×10-10。從結(jié)果來看，基于兩種導(dǎo)航系統(tǒng)測得的結(jié)果的時(shí)間穩(wěn)定度基本是一致的，反映了兩臺(tái)接收機(jī)間相對(duì)時(shí)延的變化特性，即平均1 d的影響是0.4 ns，平均5 d的影響為0.1 ns。對(duì)于精度納秒量級(jí)的授時(shí)方法而言，該方法測得的相對(duì)時(shí)延精度可以滿足要求。

圖5 基于GPS衛(wèi)星的接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的時(shí)間方差

圖6 基于GLONASS衛(wèi)星的接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的時(shí)間方差

GPS與GLONASS系統(tǒng)采用的信號(hào)調(diào)制技術(shù)是不同的。GPS使用碼分多址技術(shù)，接收機(jī)端通過復(fù)現(xiàn)不同衛(wèi)星的PRN碼來識(shí)別衛(wèi)星。GLONASS使用頻分多址技術(shù)，所有衛(wèi)星的PRN碼是相同的，通過不同的載波頻率來區(qū)分不同的衛(wèi)星。每顆GLONASS衛(wèi)星的L1，L2載波頻率設(shè)計(jì)如下：

， （10）

式（9）和（10）中，為頻率通道號(hào)，變化范圍從-7～6。根據(jù)GLONASS頻率號(hào)與衛(wèi)星號(hào)的關(guān)系[4, 7]，對(duì)于L1頻點(diǎn)，= 6時(shí)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星號(hào)為4和8，= -7時(shí)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星號(hào)為10和14。這兩對(duì)衛(wèi)星的載波頻率相差最大，在分析頻間偏差對(duì)相對(duì)時(shí)延的影響時(shí)，重點(diǎn)分析這4顆衛(wèi)星的相對(duì)時(shí)延變化。

在考慮單顆衛(wèi)星對(duì)接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的影響時(shí)，接收機(jī)A，B在相同時(shí)刻，觀測到某顆GLONASS衛(wèi)星，通過兩臺(tái)接收機(jī)輸出此時(shí)刻的本地參考時(shí)間與GLONASS衛(wèi)星時(shí)間的時(shí)差值和，得到接收機(jī)相對(duì)時(shí)延為

GLONASS 4顆衛(wèi)星在約化儒略日57 126~57 156時(shí)間的相對(duì)時(shí)延變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 GLONASS載波頻率對(duì)接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)結(jié)果的影響

由圖7可以看出當(dāng)GLONASS衛(wèi)星的載波頻率相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)延值也較為接近，如4，8號(hào)衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)延值，10，14號(hào)衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)延值。而當(dāng)載波頻率相差較大時(shí)，相對(duì)時(shí)延值就有較明顯的變化。為了進(jìn)一步分析，建立對(duì)應(yīng)不同衛(wèi)星不同頻率的接收機(jī)時(shí)延查找表如表2所示。該表給出所有GLONASS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)不同頻率的相對(duì)時(shí)延值，從表中數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)頻率范圍在1605.3750~ 1600.8750MHz時(shí)，除個(gè)別衛(wèi)星外不同衛(wèi)星的相對(duì)時(shí)延值變化不大，但當(dāng)載波頻率再減小超出上述范圍時(shí)，相對(duì)時(shí)延有較明顯的減小趨勢，可見GLONASS頻間偏差對(duì)相對(duì)時(shí)延的影響不呈線性關(guān)系，最大影響量為6 ns，是共視時(shí)間比對(duì)中不可忽視的因素。因此，在使用GLONASS進(jìn)行接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)時(shí)，需要針對(duì)不同的載波頻率分別校準(zhǔn)。

表2 GLONASS不同衛(wèi)星不同頻率的接收機(jī)時(shí)延表

4 結(jié)論

本文研究了一種接收機(jī)時(shí)延的相對(duì)校準(zhǔn)方法，該方法沒有對(duì)接收機(jī)每部分的時(shí)延值分別考慮，利用一套流動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備整體實(shí)現(xiàn)對(duì)待校準(zhǔn)接收機(jī)的時(shí)延測量，可以方便靈活地對(duì)時(shí)間比對(duì)鏈路中的接收機(jī)進(jìn)行高精度的校準(zhǔn)。基于該方法開展了試驗(yàn)，分析了在基于不同導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行接收機(jī)相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)獲得的相對(duì)時(shí)延的穩(wěn)定度，分析結(jié)果表明該方法可以實(shí)現(xiàn)精度優(yōu)于1 ns的相對(duì)時(shí)延測量，可應(yīng)用于納秒級(jí)的時(shí)間比對(duì)接收機(jī)校準(zhǔn)。根據(jù)GLONASS衛(wèi)星的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)結(jié)果，分析驗(yàn)證了GLONASS頻間偏差對(duì)接收機(jī)相對(duì)時(shí)延的影響，為用戶使用該方法進(jìn)行相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)提供了參考。

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A method for calibrating relative delay of common-view receivers

CHEN Jing-ya1,2,3, XU Long-xia1,2, LI Xiao-hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The methods for calibrating the delay of timing receivers mainly include differential calibration method and absolute calibration method. For the several receivers participating in common-view observations, only the relative calibration is needed. A mobile calibration method for receiver time-delay is studied, in which a set of traveling receiver equipment is used as the reference and the relative delays between the mobile receiver and the receivers needed to be calibrated are measured, then the relative delays among the several receivers can be obtained. The calibration steps are simplified in this method because all kinds of receiver delays are treated integrally, moreover, no special environment is required for this method. Experiment results indicate that the calibration accuracy can reach the order of nanoseconds, therefore this relative calibration method can be used to calibrate the relative delay of receivers in nanoseconds-level time transfer.

common-view receivers; relative delay; absolute delay; mobile calibration

TN965.5

A

1674-0637(2017)01-0019-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-01-0019-08

2016-05-18

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（11503030）；地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（SKLEIE2014-M-2-5）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃“西部博士”資助項(xiàng)目（2013BS24）

陳婧亞，女，碩士，主要從事接收機(jī)校準(zhǔn)和共視授時(shí)相關(guān)研究。