馬紅皎，吳華兵,3，李夢(mèng),3，王康,3，武建鋒，何在民，胡永輝

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一種雙向測(cè)距與時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

馬紅皎1,2，吳華兵1,2,3，李夢(mèng)1,2,3，王康1,2,3，武建鋒1,2，何在民1,2，胡永輝1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

在研究雙向單程偽距測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙向測(cè)距與時(shí)間同步（DRTS）終端系統(tǒng)總體構(gòu)架，闡述了在系統(tǒng)中使用的技術(shù)，并搭建了基于DSP＋FPGA的雙向測(cè)距與時(shí)間同步系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)的碼速率為5MHz、中心頻率為15 MHz時(shí)，測(cè)距和時(shí)間同步的分辨率可達(dá)0.15cm和5ps（@1s），采用不同頻率源時(shí)測(cè)距和時(shí)間同步的精度分別為1.038 m和3.46 ns, 采用相同頻率源時(shí)分別為0.28 cm和9.43 ps（參考頻率穩(wěn)定度1×10-10/d量級(jí)）。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比具有測(cè)量精度優(yōu)勢(shì)，但考慮通用性，此系統(tǒng)的硬件仍需進(jìn)一步優(yōu)化，軟件上需要做到碼速率可調(diào)。

精密測(cè)距；時(shí)間同步；雙向單程偽距測(cè)量；雙向測(cè)距與時(shí)間同步（DRTS）

0 引言

隨著航天航空試驗(yàn)、導(dǎo)航、通信、電力等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程和科學(xué)領(lǐng)域需要精密時(shí)間同步。比如：世界各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室需要納秒或亞納秒量級(jí)的高精度時(shí)間同步；衛(wèi)星發(fā)射、測(cè)控，試驗(yàn)靶場(chǎng)的原子鐘需要標(biāo)校；導(dǎo)航衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站、地面站之間需要高精度時(shí)間同步；另外，自主編隊(duì)航天器（AFF）、組網(wǎng)飛行器等，也需精密基線測(cè)量和時(shí)間同步。基于雙向精密測(cè)距的時(shí)間同步終端，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟商業(yè)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)用戶目前主要依靠進(jìn)口。

本文在介紹雙向單程偽距測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙向測(cè)距與時(shí)間同步（dual ranging and time synchronization，DRTS）系統(tǒng)。分析了此DRTS系統(tǒng)構(gòu)成框架、系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)射與跟蹤信號(hào)質(zhì)量的判別，最后給出系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果和配套計(jì)算機(jī)軟件的功能模塊及本軟件中所使用的新技術(shù)與新方法。

1 雙向單程偽距測(cè)量原理[1-2]

雙向單程偽距測(cè)量（dual one-way ranging，DOWR）是在兩終端各自安裝發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，通過(guò)偽碼和載波相位測(cè)量，各自得到相對(duì)偽距，通過(guò)雙向測(cè)量消除鐘差，實(shí)現(xiàn)兩終端間精密測(cè)距和時(shí)間同步。DOWR的時(shí)序原理如圖1所示。

圖1 DOWR的時(shí)序原理

由圖1可知：

2 DRTS系統(tǒng)構(gòu)成框架

本文設(shè)計(jì)的DRTS系統(tǒng)由接收通道、發(fā)送通道、頻率基準(zhǔn)、中頻信號(hào)處理機(jī)、顯控計(jì)算機(jī)、電源配電器6大部分構(gòu)成，如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括銣鐘、多普勒模擬單元，基準(zhǔn)源放大及分路器、頻率綜合器、噪聲源、A/D采樣、綜合基帶處理單元，BPSK調(diào)制器及設(shè)備監(jiān)控單元和計(jì)算機(jī)等主要組成單元。

圖2 DRTS單套設(shè)備總體功能框圖

3 DRTS系統(tǒng)中使用的技術(shù)

DRTS系統(tǒng)的單程偽距測(cè)量與GNSS偽距測(cè)量方法相同：終端A的碼跟蹤環(huán)在鎖定后輸出幀同步計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)位計(jì)數(shù)、擴(kuò)頻碼相位計(jì)數(shù)和擴(kuò)頻碼片相位計(jì)數(shù)，這樣終端A可計(jì)算得到本地信號(hào)發(fā)送時(shí)刻與終端B信號(hào)接收時(shí)刻的時(shí)延測(cè)量值。此方法計(jì)算獲得的距離是終端B發(fā)出傳輸幀頭時(shí)刻終端A和B之間的距離值，每收到終端B發(fā)出的幀頭就輸出一次新的距離值，因此距離計(jì)算值輸出周期即為傳輸幀長(zhǎng)周期。

DRTS系統(tǒng)的技術(shù)主要包括：測(cè)距信號(hào)的設(shè)計(jì)、產(chǎn)生和發(fā)送，信號(hào)格式類似GPS，擴(kuò)頻碼采用5 Mcps的偽隨機(jī)碼，測(cè)距電文的幀頭采用13位巴克碼，為降低誤碼率，電文采用BCH（15，11，1）碼加交織方式進(jìn)行糾錯(cuò)；DRTS系統(tǒng)還涉及測(cè)距信號(hào)的快速捕獲、信號(hào)跟蹤和解調(diào)和高精度的信號(hào)處理方法。時(shí)間同步的精度取決于偽距的測(cè)量精度，其中采用載波相位平滑偽距進(jìn)行偽距的測(cè)量，詳細(xì)內(nèi)容介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。同時(shí)，為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境，跟蹤環(huán)路中采用2階鎖頻環(huán)輔助3階鎖相環(huán)的算法。圖3、4和5為仿真結(jié)果，其仿真環(huán)境為：速度8 km/s，加速度20 g，加加速度2 g/s。從圖3至圖5中可以看出，鑒相器估計(jì)的載波相位殘差、載波頻率殘差和偽碼相位殘差，都在信號(hào)捕獲2s后趨于0，說(shuō)明系統(tǒng)的跟蹤環(huán)路可適應(yīng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境。

圖3 載波相位殘差

圖4 載波頻率殘差

圖5 偽碼相位殘差

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 DRTS系統(tǒng)樣機(jī)

DRTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)如圖6所示。

圖6 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)圖

4.2 信號(hào)跟蹤質(zhì)量的判別

發(fā)射與跟蹤的偽碼示波器的顯示如圖7所示，由圖7可以看出發(fā)射與跟蹤部分明顯存在一定量的固定時(shí)延。

圖7 發(fā)射與跟蹤的偽碼示波器顯示

DLL環(huán)鑒相器輸出誤差，表征碼環(huán)的跟蹤精度；同理載波環(huán)鑒相器輸出誤差，表征載波的跟蹤精度。在FPGA中，碼跟蹤環(huán)路濾波器的輸出是0.2 ms一個(gè)數(shù)據(jù)。每秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)后計(jì)算碼相位跟蹤誤差＝0.004 87 chip，如圖8所示。載波相位跟蹤誤差＝0.398°，如圖9所示。

圖8 碼相位跟蹤誤差

圖9 載波相位跟蹤誤差

4.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

用60 m同長(zhǎng)對(duì)稱電纜，模擬空間鏈路。設(shè)雙向?qū)ΨQ60 m同軸電纜的延遲為，那么等于信號(hào)在電纜中每米的傳播時(shí)延（ns）與電纜長(zhǎng)度之乘積和系統(tǒng)的發(fā)射延遲1以及系統(tǒng)的接收延遲2之和，即＝60×+1+2，通過(guò)多次測(cè)試求解，可得信號(hào)在同軸電纜中每米的傳播時(shí)延約為5 ns，設(shè)備在當(dāng)時(shí)開(kāi)機(jī)情況下的發(fā)射和接收延遲之和約為40.2 ns。

然后，使用同源和不同源銣鐘分別進(jìn)行測(cè)試，可以得到本地偽距、對(duì)方偽距、鐘差和真實(shí)距離等值，測(cè)試結(jié)果如圖10和11所示。對(duì)整機(jī)終端系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明不同源的銣原子頻標(biāo)日穩(wěn)定度在1×10-10、準(zhǔn)確度在1×10-9時(shí)，該終端機(jī)能夠達(dá)到的測(cè)距精度和時(shí)間同步精度分別為小于等于1.038 m和3.46 ns（），滿足原來(lái)的設(shè)計(jì)要求，可以用于自主編隊(duì)飛行器等星間組網(wǎng)伴飛等的精密基線測(cè)量和時(shí)間同步測(cè)量。如果在同源時(shí)相等量級(jí)的銣標(biāo)情況下，測(cè)試精度均值為0.279cm/9.3ps（），這個(gè)值表征了此環(huán)境下，設(shè)備的測(cè)量最佳極值。系統(tǒng)的測(cè)距和時(shí)間同步的分辨率可達(dá)0.15cm和5 ps（@1 s），比國(guó)外同類產(chǎn)品[4]優(yōu)越1倍。詳細(xì)比較見(jiàn)表1。由于與國(guó)外同類產(chǎn)品所使用的參考頻率源的穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度量級(jí)均低，測(cè)距與時(shí)間同步的精度沒(méi)有直接可比性，但從數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，如果使用相同量級(jí)的頻率參考源時(shí)，本系統(tǒng)仍具有優(yōu)勢(shì)。

圖10 60 m同源

圖11 60 m不同源

表1 本系統(tǒng)DRTS與德國(guó)SATRE MODEM的比較

4.4 計(jì)算機(jī)配套軟件

計(jì)算機(jī)配套軟件功能模塊包括：

1）串行通信口的選擇、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)的控制；

2）數(shù)值的顯示和圖形界面的顯示：包括兩站之間各自的偽距測(cè)量值、兩站間的鐘差、兩站間的真距；

3）數(shù)據(jù)的分析和處理模塊：包括數(shù)據(jù)采集、結(jié)果顯示和結(jié)果儲(chǔ)存。

本軟件中使用的新技術(shù)與新方法包括：

1）根據(jù)分辨率自動(dòng)調(diào)整軟件界面文字和控鍵的大小和位置；

2）程序從系統(tǒng)注冊(cè)表中讀取已有串口邏輯端口數(shù)，并提供給用戶進(jìn)行選擇。這樣避免了程序盲目顯示，用戶盲目選擇串口的問(wèn)題；

3）在通信中創(chuàng)建專門的線程，保證了通信的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

雙向測(cè)距與時(shí)間同步系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)配套軟件界面如圖12所示。

圖12 計(jì)算機(jī)軟件界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

DOWR原理中，由于測(cè)量路徑的對(duì)稱性而消除了兩點(diǎn)之間共同的誤差，從而獲得比單向測(cè)距更高的測(cè)量精度。本文利用雙向單程偽碼和載波相位精密測(cè)距，對(duì)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行了初步探索。系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于兩個(gè)方面，即由射頻前端引起的零漂和基帶電路引起的組合零漂，以及由溫度引起的射頻相位延遲變化[5]。另外，考慮設(shè)備的通用性，以及與國(guó)外同類產(chǎn)品的無(wú)縫對(duì)接，本系統(tǒng)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。雙向測(cè)距和時(shí)間同步系統(tǒng)，可應(yīng)用于未來(lái)天地一體化的航空航天測(cè)控、信息傳輸領(lǐng)域的高精度時(shí)間測(cè)控平臺(tái)中，為衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站、飛行器之間、站間等多種模式提供時(shí)間服務(wù)。

[1] KO U D. Analysis of the Characteristics of the Grace Dual One-Way Ranging System[D]. USA: the University of Texas at Austin, 2008: 161.

[2] THOMAS J B. An analysis of gravity-field estimation based on intersatellite dual-1-way biased ranging[R]. California: JPL Publication, 1999.

[3] 李夢(mèng). 載波相位平滑偽距在雙向測(cè)距與時(shí)間同步中的應(yīng)用[C]//第四屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 武漢: 2013中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì), 2013.

[4] SA-TIM-MA-1004. SATRE Modem Overview[K]. 2002.

[5] WU Hua-bing, HU Yong-hui. Design and implementation of precise ranging and time synchronization system based on DOWR [C]//2012 International Conference on Measurement, Harbin: IEEE Computer Society, 2012: 239-243.

Design and analysis of system of dual ranging and timesynchronization

MA Hong-jiao1,2, WU Hua-bing1,2,3, LI Meng1,2,3, WANG Kang1,2,3, WU Jian-feng1,2, HE Zai-min1,2, HU Yong-Hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A framework of DRTS(dual ranging and time synchronization) system was designed based on the principle of DOWR(dual one-way ranging). The technique used in the system was demonstrated. And a hardware/software platform for DRTS system was built based on DSP and FPGA. The results from experiment show that the ranging resolution and time synchronization resolution are 0.15 cm and 5 ps(for 1s time interval) respectively for the DRTS system when the code rate is 5MHz and the centric frequency is 15 MHz, and the ranging precision and time synchronization precision are 1.038 m and 3.46 ns respectively when different frequency references are used as well as the ranging precision and time synchronization precision are 0.28cm and 9.43 ps respectively when the same frequency reference with a frequency stability of 10-10is used. The DRTS system is superior to foreign similar products in measuring precision. However, in view of versatility, the hardware of the DRTS system still needs further optimization and the software of the DRTS system should be improved to be able to adjust the code rate.

precise ranging; time synchronization; dual one-way ranging; DRTS(dual ranging and time synchronization)

TN96

A

1674-0637(2014)01-0018-07

2013-03-21

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（O905YR2601）

馬紅皎，男，博士，副研究員，主要從事時(shí)間頻率傳遞、衛(wèi)星導(dǎo)航研究。