孫海燕，孫文龍，楊玉婷，馬 煦

（北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

1 研究背景

時統(tǒng)終端用于產生標準的時間信號、標準頻率信號和實現(xiàn)局域時間同步。它可為各類電子信息設備和信息系統(tǒng)提供標準的時間和頻率以及精密時間同步服務。它廣泛應用于科學研究、工業(yè)檢測、工程建設、計量測試、試驗鑒定等領域[1-3]。傳統(tǒng)的時統(tǒng)終端因為接收信號源受限，產生和輸出的標準時間頻率信號可能存在漂移和精度受限問題，影響了其應用范圍和精度水平[4-5]。

新一代北斗時統(tǒng)終端是指通過接收北斗導航衛(wèi)星信號生成和輸出標準時間信號、標準頻率信號和時間同步信號的設備。與傳統(tǒng)的時統(tǒng)終端相比，其接入了更高精度的北斗衛(wèi)星導航信號，可以全天候接收外部時間源且時間源信號精度更高，達到納秒量級。因此，接收北斗衛(wèi)星信號的時統(tǒng)終端輸出標準時間、標準頻率和時間同步信號精度比傳統(tǒng)時統(tǒng)終端精度更高，并可實時接收北斗輸入信號，將各類電子信息設備和信息系統(tǒng)時間鎖定到北斗系統(tǒng)時間，實現(xiàn)實時時間同步，因此拓展了其應用范圍和精度。傳統(tǒng)時統(tǒng)終端借助北斗衛(wèi)星導航技術實現(xiàn)了質的躍升。

對新一代北斗時統(tǒng)終端的測試是保證其精度水平和功能正常性的必須技術手段。由于新一代北斗時統(tǒng)終端有別于傳統(tǒng)的時統(tǒng)終端，必須對其功能和性能指標進行深入分析和分類，為測試工作的開展提供技術條件。

本文在綜合分析新一代北斗時統(tǒng)終端分類的基礎上，對關鍵的性能技術指標進行提取，并提出測試方法。此外，通過實驗驗證的手段對時間保持性能指標測試方法進行探討。該測試技術為研制測試系統(tǒng)并測試北斗時統(tǒng)終端提供了有力的技術支撐。

2 北斗時統(tǒng)終端概述

2.1 北斗時統(tǒng)終端定義

北斗時統(tǒng)終端應具備北斗標準時間接收、保持、輸出和完好性判別功能。標準時間接收功能：能接收北斗單向授時、雙向定時信號等包含標準時間信息的授時信號，并可擴展接收其他系統(tǒng)的授時信號。標準時間輸出功能：能輸出5MHz/10MHz和1PPS等標準時間頻率信號以及時間碼IRIG-B碼。標準時間保持功能：經定時后建立標準時間，在不接收授時信號情況下，一定時期內連續(xù)地保持下去，使絕對同步偏差保持在一定的允許偏差限度之內。標準時間完好性判別功能：通過授時系統(tǒng)本身的完好性監(jiān)測系統(tǒng)或不同授時系統(tǒng)之間授時信息的比對，對授時系統(tǒng)發(fā)播的授時信息進行完好性判別。通過這些功能要求和性能指標要求，使得北斗時統(tǒng)終端輸出的標準時間頻率信號達到連續(xù)性、穩(wěn)定性、準確性、可靠性和實時性要求，保障標準時間、標準頻率和高精度時間同步用戶實際需求。

北斗時統(tǒng)終端與傳統(tǒng)終端的區(qū)別：北斗時統(tǒng)終端具備接收北斗/GNSS衛(wèi)星無線授時的標準時間信號而非本地外頻標信號；部分北斗時統(tǒng)終端除具有常規(guī)的標準秒脈沖信號和頻率信號輸出能力外，還具備網絡授時能力；北斗時統(tǒng)終端應具備較高的時間保持能力，在無法收到衛(wèi)星信號等外界授時信號的情況下，能夠進行獨立時間保持，并輸出準確的標準時間。因此，北斗時統(tǒng)終端在功能和性能指標上與傳統(tǒng)終端有所不同，測試方法相應有所區(qū)別。主要區(qū)別在于要考察終端接收北斗授時信號能力、時間保持能力和網絡授時能力等。此外，隨著接收衛(wèi)星授時信號的北斗時統(tǒng)終端廣泛應用于車船、飛機等不同動態(tài)載體上，需要適應不同環(huán)境要求，包括高溫、濕熱、沖擊振動、抗電磁干擾等情況。因此，在不同模擬環(huán)境下對北斗時統(tǒng)終端進行環(huán)境適應性測試也是亟需考慮的問題。

2.2 北斗時統(tǒng)終端分類

根據實際應用需要，接收北斗衛(wèi)星導航信號的北斗時統(tǒng)終端分類如下：

（1）從終端型態(tài)分類。北斗時統(tǒng)終端分為箱式終端和嵌入式終端。箱式終端是獨立儀器形式進行工作的終端，嵌入式終端是以板卡、模塊等形式嵌入到整體系統(tǒng)中工作的終端。嵌入式終端設備可與宿主設備根據需要進行不同程度的耦合集成，因此嵌入式終端除遇到箱式終端可能遇到的情況外，還可能受到電磁環(huán)境干擾等情況。

（2）從終端應用分類。北斗時統(tǒng)終端分為固定型終端（室內外）、低動態(tài)型終端（車/船）和高動態(tài)終端（飛機）。固定型終端是在穩(wěn)定環(huán)境下運行的終端，可能放置在室內恒溫恒濕環(huán)境工作，也可能放置在室外溫差較大的地方工作。低動態(tài)終端是在低速度條件下運行的終端，例如車載終端和船載終端，可能遇到常溫、高溫、高濕、鹽霧等情況。高動態(tài)終端是在高速度條件下運行的終端，例如機載終端，可能遇到高熱、高壓等情況。

北斗時統(tǒng)終端在形態(tài)、結構和指標上存在顯著差異，分別適用于不同的用戶和場景。從測試評估角度而言，存在測試功能和性能指標的差異以及測試環(huán)境的差異。因此，需要根據不同終端在實際使用中的不同需求來論證測試指標以及環(huán)境適應性測試要求。

3 北斗時統(tǒng)終端測試指標分類

要考察北斗時統(tǒng)終端的綜合性能，需要對其進行測試。對北斗時統(tǒng)終端的測試指標進行梳理分類，并構建測試指標體系既要考慮目前實際測試的終端設備需求，也要滿足將來可能出現(xiàn)的終端設備需求。現(xiàn)將已測試過的各類北斗時統(tǒng)終端設備功能和性能指標進行梳理匯總，為測試指標體系構建提供參考依據。目前各類北斗時統(tǒng)終端具體名稱不統(tǒng)一，其中一部份功能有相似之處，可以歸為一類終端進行測試。因此，首先梳理匯總終端名稱和主要功能如表1所示：

表1 已測北斗時統(tǒng)終端名稱和主要功能

北斗時統(tǒng)終端測試指標按大類分為功能指標測試和性能指標測試兩類。兩者主要區(qū)別在于功能指標無量化指標參數(shù)，是定量描述；性能指標有量化的指標參數(shù)，是定性描述。測試項目必須包括主要的功能測試和性能測試指標。

綜合來看，根據對各種時統(tǒng)終端設備的測試情況，北斗時統(tǒng)終端測試重要的功能項目有標準時間接收功能、標準時間保持功能、標準時間輸出功能和標準時間完好性判別功能等。重要的性能指標測試項目有固定時間偏差、定時偏差、時間保持偏差、1PPS信號質量、相對頻率偏差、頻率穩(wěn)定度、頻率信號質量（5MHz和10MHz）、相位噪聲、網絡定時偏差等。

結合上述設備測試情況和體系構建原則，初步構建了北斗時統(tǒng)終端必須測試的功能和性能指標體系，包括必測項目和選測項目。與北斗時間接收、保持、輸出等密切相關的項目屬于必測項目，是重點測試內容。被測試設備的用戶如有其它測試需求，在具備測試環(huán)境條件的情況下進行選擇性測試，屬于選測項目。

4 北斗時間相關指標測試

4.1 固定時間偏差測試

固定時間偏差是指被測設備從北斗衛(wèi)星接收導航信號到輸出標準時間的整條鏈路產生的系統(tǒng)性的、固定的時間偏差。相當于被測設備時間與標準時間同步的系統(tǒng)誤差。其包括了導航信號接收鏈路、接收天線和設備時延等產生的時間偏差，而不僅僅是設備零值。對固定時間偏差的標定并置入設備，相當于被測設備輸出時間與標準時間進行了時間同步[6]。

固定時間偏差可按照如下方法進行測量和計算：

圖1 固定時間偏差測試連接框圖

如圖1連接，時間間隔計數(shù)器接入外頻標，外頻標信號由UTC（x）產生，并加到時間間隔計數(shù)器的外標輸入端。被測設備的秒脈沖加到時間間隔計數(shù)器的啟動輸入端。標準時間信號源的秒脈沖加到時間間隔計數(shù)器的停止輸入端。時間間隔計數(shù)器的兩條輸入線纜長度相等，產生的線纜時延相同并在計算時抵消。

計算機連接時間間隔計數(shù)器進行數(shù)據采集。數(shù)據采樣間隔為1s，連續(xù)測量8，6400s。記錄測試數(shù)據并計算結果。

記錄時間間隔計數(shù)器每次測量得的時差值為Δti（i=1，2，…86400）。按照公式（1）計算ti的平均值，設為ΔT。ΔT的數(shù)值和符號分別表示了其與標準參考源之間的偏差量和關系。

根據前期測量，確定時間頻率測試系統(tǒng)秒信號輸出端口相對標準時間UTC（x）的時延值為t0。故固定時間偏差R可計算如下，見公式（2）：

4.2 定時偏差測試

定時偏差是指北斗時統(tǒng)終端（被測設備）輸出的時間與標準時間的偏差除去固定時間偏差后，用合成不確定度方式表示的剩余時差。相當于被測設備時間與標準時間同步的隨機誤差。從接收導航衛(wèi)星信號能力的角度來講，定時偏差也通常稱為授時精度。一般定時偏差是通過測量被測時統(tǒng)終端輸出的1PPS信號來完成的。

按北斗衛(wèi)星導航定位體制的不同，定時偏差測試要針對RNSS單向授時和RDSS雙向授時的不同工作模式進行，其中RNSS單向授時還分為單星單向授時和多星單向授時兩種工作模式。

RNSS單星單向授時模式：北斗時統(tǒng)終端只接收一顆北斗導航衛(wèi)星信號，利用單星信號進行定時，在此情況下輸出授時信號。測量單星授時模式下輸出的授時信號與標準時間偏差可以表征在固定位置的任意時刻標準時統(tǒng)終端輸出授時信號的精度。

RNSS多星單向授時模式：北斗時統(tǒng)終端接收多顆北斗導航衛(wèi)星信號，利用多星信號進行定時，在此情況下輸出授時信號。測量多星授時模式下輸出的授時信號與標準時間偏差可以表征在位置移動時的任意時刻標準時統(tǒng)終端輸出授時信號的精度。

RDSS雙向授時模式：北斗時統(tǒng)終端接收北斗導航衛(wèi)星信號，設置工作模式在雙向授時模式，在此情況下輸出授時信號。測量雙向授時模式下輸出的授時信號與標準時間偏差。由于北斗導航系統(tǒng)時間精度高于終端內頻標，RDSS雙向定時偏差高于RNSS單向定時偏差。RDSS雙向授時為北斗導航系統(tǒng)特有技術，且精度優(yōu)于GPS系統(tǒng)單向授時，因此為北斗特色優(yōu)勢之一。

雖然測試要考慮到終端工作的不同模式，需要分別在不同工作模式下分別進行定時偏差測試，但測試方法、流程和數(shù)據處理方式基本相同，在下文中一并論述。

按信號源不同，將測試方法分為兩種：

方法1：直接接收衛(wèi)星信號。

設備連接方法參考圖1連接。時間間隔計數(shù)器的主振器采用外頻標，外頻標信號為UTC（x）產生的信號。被測設備的秒脈沖加到時間間隔計數(shù)器的啟動輸入端；標準時間信號源的秒脈沖加到時間間隔計數(shù)器的停止輸入端。時間間隔計數(shù)器的兩條輸入線纜長度相等，產生的線纜時延相同并在計算時抵消。計算機連接時間間隔計數(shù)器進行數(shù)據采集。數(shù)據采樣間隔為1s，連續(xù)測量86400s，獲得時差數(shù)據。

北斗時統(tǒng)終端分別工作在RNSS單星單向授時、RNSS多星單向授時和RDSS雙向授時模式下進行測試，得到不同工作模式下的終端定時偏差。

方法2：間接接收衛(wèi)星信號（北斗導航信號模擬器）。

圖2 時差法（間接接收衛(wèi)星信號）測量圖

在無法接收到北斗導航衛(wèi)星信號情況下，采用間接接收衛(wèi)星信號法進行測試。北斗導航信號模擬器溯源至標準時間裝置，此時時間基準為北斗導航信號模擬器輸出的1PPS信號。如圖2連接，北斗導航信號模擬器分別設置在RNSS單星單向授時、RNSS多星單向授時和RDSS雙向授時模式下輸出導航信息，通過有線方式傳輸至北斗時統(tǒng)終端。采用時間間隔計數(shù)器測試箱式固定型終端輸出的1PPS信號與北斗導航信號模擬器輸出的1PPS信號的時間偏差。標準頻率源為時間間隔計數(shù)器提供外頻標參考信號。在此環(huán)境下，測試得到在RNSS單星單向授時、RNSS多星單向授時和RDSS雙向授時模式下，箱式固定型終端的定時偏差。

定時偏差由兩個分量共同組成—— 平均值和標準偏差，即對已經標定過固定時間偏差的時統(tǒng)終端進行時差測量，對獲得的時差數(shù)據進行處理，計算得到平均值和時間標準偏差，再取二者的均方根值（RMS）即作為此時統(tǒng)終端的定時偏差。

計算平均值：“平均值”相當于JJF1403-2013《全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機（時間測量型）校準規(guī)范》第7.2.12.1的“定時準確度”[7]，見公式（3）：

式中，n為測量次數(shù)，（i=1，Ln）；xi為第i次測量值；為測量均值。

計算時間標準偏差：“時間標準偏差”相當于JJF1403-2013《全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機（時間測量型）校準規(guī)范》第7.2.12.2的“定時穩(wěn)定度”[7]，見公式（4）：

式中，S為時間標準偏差。

計算定時偏差：

式中，σ為定時偏差。

4.3 時間保持偏差測試

時間保持偏差，又稱“時間保持精度”。是指被測設備在正常接收北斗衛(wèi)星導航信號狀態(tài)下，突然無法收到或斷開衛(wèi)星授時信號后一段時間內自主保持標準時間的精度。應包括頻率偏差和時間偏差。在此主要關注時間偏差，用時間偏差變化的最大值表示。時間保持偏差相當于用北斗衛(wèi)星導航信號對被測設備進行頻率駕馭（馴服）后的時鐘速率[8]，即時間偏差在一天內的變化量。

自主時間保持工作模式是北斗導航時統(tǒng)終端最重要的工作模式之一。因為衛(wèi)星導航信號均為弱信號，容易受到干擾和遮擋。在無外部信號時，標準時統(tǒng)終端必須增強自主授時能力，提高時間保持偏差。因此，時間保持偏差測試也是終端測試的最重要的一個項目，必須測試。

其測試原理是先對被測設備進行導航衛(wèi)星信號授時，然后在無授時信號模式下，用時間間隔計數(shù)器采集在一段時間內被測設備輸出時間信號與標準時間之間的時間偏差，再進行相應計算得到測試結果。測試設備連接如圖3。

圖3 時間保持偏差測試連接框圖

工作模式為無導航信號接收模式下工作，設置方式如下：

為被測設備衛(wèi)星導航天線設置電磁屏蔽罩，使天線接收不到北斗導航衛(wèi)星信號；將被測設備的外接衛(wèi)星導航天線與設備接頭取下來，使設備工作在無外接天線狀態(tài)，因此接收不到北斗衛(wèi)星信號。

在此情況下進行時間保持偏差測試。測試步驟如下：分別將同步器和UTC（x）的1PPS秒信號輸入接到SR620時間間隔計數(shù)器的兩個測試通道A/B（同步器接B通道，UTC（x）接A通道）；將外頻標接入計數(shù)器后端；串口線與測試筆記本連接；將SR620時間間隔計數(shù)器設置為DC模式、觸發(fā)電平均為0.7V，采樣間隔為1s；斷開所有在線參考，在設備進入保持模式1天后，利用時間間隔計數(shù)器采集測試兩個通道信號上升沿的時間間隔值，利用計算機的采集軟件采集24小時數(shù)據。

采集一天（86400s）的測試數(shù)據，則：時間保持偏差=最大值-最小值（1天中）。

4.4 網絡定時偏差測試

NTP和PTP網絡授時是基于網絡來使計算機時間同步化的協(xié)議，可以提供高精度的時間校準。NTP網絡時間保持LAN上可達到與時間源差小于1ms。測試內容為NTP網絡定時偏差，即被測時統(tǒng)設備輸出NTP信號與標準時間信號的時間偏差。

采用多模時間測試儀對被測設備輸出的頻率信號進行網絡定時偏差指標測試。標準時間信號源為多模時間測試儀提供參考頻率信號，如圖4所示：

圖4 網絡定時偏差測試框圖

測試步驟如下：在網絡鏈接通暢的情況下進行測試；將被測設備產生的PTP/NTP授時信號接入多模時間測量儀的測試接口，與標準時間產生的1PPS秒脈沖信號進行時間比對；測試儀取樣間隔1s，取樣時間100s，計算每組時差算數(shù)平均值得到時差數(shù)據

計算每組的時差數(shù)據計算公式同（3）：

其中，n為測量次數(shù)，n=100。

計算時差測量結果，見公式（6）：

計算被測設備的網絡定時偏差：

設標準時間源輸出端口時間為T0，被測設備網絡授時端口輸出時間為T1。標準時間源到多模時間測試儀之間線纜時延為r0，被測設備到多模時間測試儀之間線纜時延為r1，則計算見公式（7）：

計算得到網絡定時偏差，見公式（8）：

式中，線纜時延r0和r1可以單獨測量得到，為已知數(shù)。如果兩條線纜等長，r0=r1，則網絡網絡定時偏差T1見公式（9）：

5 時間保持偏差測試評估驗證

時間保持偏差是指被測設備在沒有時間參考信號輸入的情況下自主保持標準時間的精度。其測試方法是使用時間間隔計數(shù)器采集在一段時間內被測設備輸出時間信號與標準時間之間的時間偏差，再進行相應計算得到測試結果。

北斗衛(wèi)星導航授時易于受到信號干擾，因此在實際應用中，北斗授時終端在接收不到衛(wèi)星授時信號條件下采用自主時間保持模式工作。常規(guī)測試評估方法是利用授時信號同步本地頻標一段時間后，關掉外部天線接收信號，讓終端工作在自主運行狀態(tài)測試終端輸出信號與標準信號的時差。該方法測試結果準確，但測量時間較長。因此需要對北斗時統(tǒng)終端時間保持偏差測試方法的選擇參數(shù)進行優(yōu)化研究，討論得到合適的測試參數(shù)，縮短測試周期，提高測試工作效率。

本文以某型北斗時鐘作為測試對象，分兩種情形研究時間保持偏差的測試參數(shù)：

第一種：授時時間相同情況下，自主時間保持偏差變化。

情形1：授時1天自主保持60天，分析自主保持1天、8天、15天、20天情況下設備時間保持偏差。

以某型北斗時鐘作為測試對象，在授時1天后，分別采集了若干天時間的自主保持時差數(shù)據，圖5給出1天、8天、15天、22天、50天、60天設備自主保持的時差曲線：

圖5 時間保持偏差時差測量曲線1

分別計算得到設備時間保持偏差如表2所示：

表2 時間保持偏差表

討論：經過1天授時，在設備自主保持1天、8天、15天、22天時其時間保持偏差大約在同一個量級。因此，在測試時間有限的情況下，可以用1天的時間保持能力去評估時統(tǒng)終端設備1月以內的時間保持能力，在0.1s以下量級。但在較長天數(shù)之后，比如50天和60天之后時間保持偏差不在同一個量級。因此，對于此類時統(tǒng)終端不能用時間自主保持1天的時間保持偏差結果評價約30天（1個月）以后的時間保持能力。

對于此類北斗時鐘可以判斷內頻標精度較低，不具備高精度時間保持能力，不適合用于對時間保持能力要求較高的應用場合。

第二種：衛(wèi)星授時時間不同，對自主時間保持偏差的影響。

情形2：分別讓指揮所時鐘授時1天、2天、3天、8天后，自主時間保持1天，測試時鐘時間保持偏差。如圖6所示：

圖6 時間保持偏差時差測量曲線2

分別計算得到設備時間保持偏差如表3：

表3 時間保持偏差表

討論：該型北斗時鐘授時時間的長短對于時間保持偏差的影響很小。在以后對此類終端時間保持偏差進行測試時，可采用較短的授時時間（達到開機穩(wěn)定狀態(tài)）后，即可開始時間保持偏差的時差數(shù)據采集。

對于此類北斗時鐘可以判斷內部采用晶振做為內頻標，時間保持能力低，且未進行頻率馴服控制。如果采用銣頻標作為內部頻標，且做了衛(wèi)星授時信號對銣頻標的頻率馴服控制，可能衛(wèi)星授時時間越長，設備時間保持偏差越高。

6 結束語

本文針對接收北斗衛(wèi)星信號的新一代北斗時統(tǒng)終端的定義、分類、測試指標等進行深入分析，提出功能和性能測試指標體系。在此基礎上，重點分析了與北斗時間相關的指標測試方法，并對時間保持偏差測試方法進行實驗評估驗證。北斗時統(tǒng)終端的測試指標和測試方法分析論證為構建測試系統(tǒng)并進行測試提供了技術支撐。隨著北斗系統(tǒng)全球化建設及新一代北斗時統(tǒng)終端在電力、通信、交通、金融等行業(yè)的廣泛應用，對北斗時統(tǒng)終端的測試技術能力和應用范圍必將快速發(fā)展和提升。