張金濤，易卿武，王振嶺，魏海濤

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050081）

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段導(dǎo)航衛(wèi)星、地面段運(yùn)行控制系統(tǒng)和用戶段三大部分組成［1]。系統(tǒng)時間同步需要將導(dǎo)航衛(wèi)星和地面站同步到系統(tǒng)時間基準(zhǔn)上。一般來說，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)是由位于地面的系統(tǒng)控制中心產(chǎn)生和維持的［2]。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步需要使用星地和站間相結(jié)合的時間同步技術(shù)。

通常，在導(dǎo)航系統(tǒng)中采用無線電雙向偽距時間同步法來實現(xiàn)星地時間同步和站間時間同步［2]。無線電雙向時間同步設(shè)備的時延測量誤差是系統(tǒng)時間同步的主要誤差。為保證時間同步精度，需要對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中時間同步設(shè)備的發(fā)射鏈路和接收鏈路設(shè)備時延進(jìn)行測量和標(biāo)定。

1 時延定義

當(dāng)信號通過某一傳輸系統(tǒng)或某一網(wǎng)絡(luò)時，其輸出信號相對于輸入信號總會產(chǎn)生滯后時間，這就是時延［3]。而幾乎所有的信號傳輸系統(tǒng)（真空除外）都是有色散的，它隨信號頻率變化而變化。時延與信號頻率的關(guān)系稱為系統(tǒng)的時延特性。

設(shè)備時延是指信號在發(fā)射設(shè)備或接收設(shè)備內(nèi)部傳播所需的時間延遲，該時間延遲是設(shè)備自身的固有特性，并且其大小與設(shè)計有關(guān)。對于不同的設(shè)備或系統(tǒng)，根據(jù)個體的設(shè)計特殊性，其設(shè)備時延有著不同的確切定義。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常根據(jù)設(shè)備的性質(zhì)可以分為發(fā)射設(shè)備時延和接收設(shè)備時延。

1.1 發(fā)射設(shè)備時延

發(fā)射設(shè)備時延起點為發(fā)射基準(zhǔn)時刻前沿，發(fā)射設(shè)備時延終點在發(fā)射天線的相位中心處，發(fā)射設(shè)備時延組成由圖1所示。

圖1 發(fā)射設(shè)備時延示意圖

其中，發(fā)射設(shè)備時延共包括以下5個引入時延的主要環(huán)節(jié)：時頻處理延遲（τTF）：時頻信號的同步及鏈路處理時延；基帶處理延遲（τTB）：含時標(biāo)的數(shù)字信號調(diào)制和輸出的處理時延；信道處理延遲（τTC）：中頻信號到射頻信號的變頻放大處理時延；內(nèi)部傳輸延遲（τTS）：信號在設(shè)備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時延；天線時延（τTA）：信號自機(jī)箱輸出到天線發(fā)射相位中心的傳輸時延。

因此，發(fā)射設(shè)備時延可以表示為

1.2 接收設(shè)備時延

接收設(shè)備時延起點為接收天線的相位中心，終點為接收觀測基準(zhǔn)時刻前沿。接收設(shè)備時延組成由圖2所示。與發(fā)射設(shè)備時延近似，接收設(shè)備時延也包括以下5部分引入時延的主要環(huán)節(jié)：

接收時頻處理延遲（τRF）：時頻信號的同步及鏈路處理時延；接收基帶處理延遲（τRB）：含時標(biāo)的數(shù)字信號跟蹤處理時延；接收信道處理延遲（τRC）：射頻信號到中頻信號的放大變頻處理時延；接收內(nèi)部傳輸延遲（τRS）：信號在設(shè)備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時延；接收天線時延（τRA）：信號自天線相位中心到射頻接口的傳輸時延。

因此，接收設(shè)備時延可表示為

圖2 接收設(shè)備時延示意圖

2 設(shè)備時延測量方法

發(fā)射設(shè)備時延直接體現(xiàn)在信號相位特征上，可以直接測量，而接收設(shè)備時延無法直接測量。接收設(shè)備時延是通過測量發(fā)射與接收設(shè)備的組合時延來得到。

基于RFSR精密設(shè)備時延測量方法的原理［4]，研制了時延測量設(shè)備。通過“測量儀表和數(shù)字信號處理技術(shù)”相結(jié)合實現(xiàn)時延測量設(shè)備單向零值的精確標(biāo)定，這樣時延測量設(shè)備就成為一個時延特性已知的基準(zhǔn)設(shè)備，時延測量設(shè)備采用恒溫機(jī)箱設(shè)計，保持時延特性穩(wěn)定，通過組合時延測量，可以實現(xiàn)其他設(shè)備單項零值及時延差的精確測定。

時延測量設(shè)備進(jìn)行自身單向時延標(biāo)定，然后，與被測設(shè)備構(gòu)成環(huán)路進(jìn)行測試，使用時間間隔計數(shù)器測量時延測量設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點（計數(shù)器輸入口）、被測設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點間的時差，結(jié)合時延測量設(shè)備與被測設(shè)備環(huán)路測試值可以計算得被測設(shè)備的單向時延。

如圖3所示，時延測量設(shè)備完成自身單向時延標(biāo)定后，與被測設(shè)備構(gòu)成環(huán)路進(jìn)行測試。通過時間間隔計數(shù)器測量時延測量設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點（計數(shù)器輸入口）、被測設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點間的時差。通過接口單元進(jìn)行信號電平匹配，方便時延測量設(shè)備和被測導(dǎo)航設(shè)備的信號接收。結(jié)合時延測量設(shè)備與被測設(shè)備環(huán)路測試值可以計算得被測設(shè)備的單向時延。

被測導(dǎo)航發(fā)射設(shè)備發(fā)射導(dǎo)航信號，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，時延測量接收設(shè)備接收，獲得組合時延觀測量τTR.時延測量接收設(shè)備時延值為τR，接口單元以及附加射頻電纜的時延可以通過矢網(wǎng)或時延測量設(shè)備進(jìn)行精確標(biāo)定，時延值為τd，時間間隔計數(shù)器測得1PPS基準(zhǔn)差為τ1PPS，則被測設(shè)備的發(fā)射時延值τT為

圖3 導(dǎo)航設(shè)備時延測量連接圖

時延測量發(fā)射設(shè)備發(fā)射導(dǎo)航信號，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，被測導(dǎo)航設(shè)備接收，獲得組合時延觀測量τTR.時延測量發(fā)射設(shè)備時延值為τT，接口單元以及附加射頻電纜的時延值為τd，時間間隔計數(shù)器測得1PPS基準(zhǔn)差為τ1PPS，則被測設(shè)備的接收時延值τR為

3 導(dǎo)航設(shè)備時延測量實驗

3.1 導(dǎo)航設(shè)備時延測量有效性實驗

某導(dǎo)航設(shè)備A與某導(dǎo)航設(shè)備B是雙向時間同步設(shè)備。使用時延測量設(shè)備測量導(dǎo)航設(shè)備A的發(fā)射時延和接收時延分別為1 425.21ns、138.32ns.使用時延測量設(shè)備測量導(dǎo)航設(shè)備B的發(fā)射時延和接收時延分別為1 558.21ns、282.33ns.

導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B可以互發(fā)互收，進(jìn)行組合時延測試。如圖4所示，導(dǎo)航設(shè)備A發(fā)射信號1，導(dǎo)航設(shè)備B接收；而導(dǎo)航設(shè)備B發(fā)射信號2，導(dǎo)航設(shè)備A接收。對于信號1來說，導(dǎo)航設(shè)備A與B直接測得組合時延是1 707.35ns；對于信號2來說，導(dǎo)航設(shè)備A與B直接測得組合時延是1 696.69ns.

通過時延測量設(shè)備測得的組合時延，對于信號1來說，組合時延（信號1）＝導(dǎo)航設(shè)備A的發(fā)射時延＋導(dǎo)航設(shè)備B的接收時延＝1 425.21＋282.33＝1 707.54ns；對于信號2來說，組合時延（信號2）＝導(dǎo)航設(shè)備B的發(fā)射時延＋導(dǎo)航設(shè)備A的接收時延＝1 558.21＋138.32＝1 696.53ns.

圖4 導(dǎo)航設(shè)備A與B時延測量連接圖

結(jié)合導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B組合時延測試結(jié)果，可以進(jìn)行時延測量設(shè)備測試的正確性驗證。驗證結(jié)果如表1所示，導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B直接測試組合時延與測量獲得的組合時延對于信號1來說組合時延差為1 707.54－1 707.35＝0.19ns，對于信號2來說組合時延差為1 696.53－1 696.69＝－0.16ns，其差的絕對值均小于0.2 ns.此實驗，驗證了使用時延測量設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)備時延測量的有效性。

表1 導(dǎo)航設(shè)備A與B組合時延

3.2 導(dǎo)航設(shè)備時延測量準(zhǔn)確性實驗

在被測導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)射設(shè)備射頻信號鏈路中串入高精度可編程延遲線，如圖5所示，通過改變可編程延遲線的延遲量模擬被測導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)射時延變化，并與時延測量設(shè)備測量得到的結(jié)果進(jìn)行比對，分析測量結(jié)果是否正確。

驗證結(jié)果如表2所示，時延測量設(shè)備測得被測導(dǎo)航設(shè)備時延變化量與可變延遲線變化量相差較小，其絕對值均小于0.15ns.此實驗，驗證了使用時延測量設(shè)備可以較準(zhǔn)確的測出導(dǎo)航設(shè)備時延的變化。

圖5 導(dǎo)航設(shè)備時延測量連接圖

表2 可編程延遲線時延測量表

4 結(jié) 論

綜上所述，使用時延測量設(shè)備可以進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備收發(fā)鏈路的時延測量。通過實踐以及實驗驗證表明了該方法是可行的且有效。

［1]ELLIOTT D K，Christopher J H.Understanding GPS principles and applications［M].2nded.BOSTON LONDON ARTECH HOUSE，2006.

［2]譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程 ［M].2版.北京，國防工業(yè)出版社，2010.

［3]李德儒.群時延測量技術(shù)［M].北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［4]魏海濤，蔚保國，李 剛，等.衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時延精密標(biāo)定方法與測試技術(shù)研究［J].中國科學(xué)：物理學(xué)·力學(xué)·天文學(xué)，2010，40（5）：623－627.