李曉通，王文利，李孝輝,張慧君

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048)

0 引言

高精度的時(shí)間服務(wù)是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的重要支撐，對于深空探測、物理研究、導(dǎo)航定位、航空航天和信息傳遞等都具有極其重要的意義。其中，高精度遠(yuǎn)程時(shí)間測量技術(shù)是高精度時(shí)間服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。高精度遠(yuǎn)程時(shí)間測量是指使用時(shí)間比對設(shè)備獲得兩個(gè)(或多個(gè))參與比對的時(shí)間之間的偏差,目前應(yīng)用較多的遠(yuǎn)程時(shí)間測量技術(shù)包括：衛(wèi)星單向授時(shí)、衛(wèi)星共視時(shí)間測量、衛(wèi)星雙向時(shí)間測量和光纖時(shí)間測量等[1]。通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間測量的核心部件為衛(wèi)星接收機(jī)，目前，市面上成熟的時(shí)間測量型接收機(jī)多為雙頻衛(wèi)星接收機(jī)，例如，波蘭的TTS系列接收機(jī)、捷克的GTR51/GTR52接收機(jī)、比利時(shí)的Septentrio系列接收機(jī)等，它們憑著精度高、功能強(qiáng)、性能好等優(yōu)勢在時(shí)間頻率市場占據(jù)著主要地位[2]。但是這些接收機(jī)大多價(jià)格在10萬元以上，不便于大規(guī)模使用。而單頻授時(shí)模塊目前已經(jīng)可以達(dá)到優(yōu)于20 ns的授時(shí)精度，同時(shí)又具有成本低、體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。其中應(yīng)用較多的一款是瑞士u-blox公司生產(chǎn)的LEA-M8T芯片。它的尺寸僅為(17.0×22.4) mm，能同時(shí)接收GPS、北斗、GLONASS、Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，并且其接收器配合輔助GNSS功能可采集大于-157 dBm的信號，即使在城市建筑物遮擋的情況下也能夠快速捕獲。因此，筆者研制了基于LEA-M8T單頻授時(shí)模塊的時(shí)間測量接收機(jī)系統(tǒng)。

1 單頻時(shí)間測量接收機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

單頻時(shí)間測量接收機(jī)由授時(shí)模塊、電源模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及工控板組成，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。電源模塊實(shí)現(xiàn)AC/DC變換及多路DC/DC變換，為接收機(jī)內(nèi)各部分提供穩(wěn)定的直流電壓。LEA-M8T授時(shí)模塊接收衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)，主要包括星歷、偽距、衛(wèi)星模型參數(shù)等。接口轉(zhuǎn)換模塊為LEA-M8T授時(shí)模塊與工控板的通信提供電平轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的正常收發(fā)。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測量授時(shí)模塊1 PPS信號和外部1 PPS信號之間的時(shí)差。運(yùn)行在工控板內(nèi)的接收機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件對原始接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析和數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理模塊對來自時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的時(shí)差數(shù)據(jù)和來自接收機(jī)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出本地時(shí)間和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間偏差。

圖1 單頻時(shí)間測量接收機(jī)總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件部分主要由LEA-M8T單頻授時(shí)模塊、電源模塊和接口轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器和工控板構(gòu)成。LEA-M8T授時(shí)模塊是系統(tǒng)的核心，可接收GPS、北斗、GLONASS、Galileo等導(dǎo)航系統(tǒng)的信號進(jìn)行授時(shí)，并且具備自主完好性(RAIM)檢測功能。支持串口、USB、SPI以及I2C等通信接口。

本系統(tǒng)根據(jù)工控板可用資源及可靠性考慮選擇串口作為LEA-M8T授時(shí)模塊與工控板的通信接口。串口通信是設(shè)備間的一種串行通信方式，連線和控制方式均較為方便。但LEA-M8T授時(shí)模塊輸出的為TTL電平，而工控板使用的是RS232標(biāo)準(zhǔn)電平。為將兩者適配，采用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，完成兩模塊間的通信。

時(shí)間測量接收機(jī)內(nèi)各個(gè)模塊均需直流供電，但供電電壓要求各不相同，本文設(shè)計(jì)由市電作為輸入，采用開關(guān)電源和三端穩(wěn)壓結(jié)合的方式為各個(gè)模塊供電。開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率較高，但輸入紋波較大，三端穩(wěn)壓的轉(zhuǎn)換效率較低，但輸出電壓穩(wěn)定，紋波小。將二者結(jié)合為接收機(jī)提供低紋波、較穩(wěn)定的供電電壓。

考慮到授時(shí)模塊輸出脈沖信號的性能以及樣機(jī)的測試指標(biāo)預(yù)算，選擇測量精度為50 ps的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測量授時(shí)模塊與外部信號的時(shí)差送至數(shù)據(jù)處理模塊。

工控板需要與授時(shí)模塊、計(jì)數(shù)器通信以及處理大量的原始電文數(shù)據(jù)，同時(shí)還要兼顧樣機(jī)的體積、功耗要求，因此選用低功耗，高集成度的嵌入式單板電腦內(nèi)部裝載數(shù)據(jù)處理軟件。

3 數(shù)據(jù)處理算法與軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本節(jié)針對基于單頻授時(shí)模塊時(shí)間測量接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理方法和軟件實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了介紹，詳細(xì)描述了相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算流程及軟件設(shè)計(jì)方法。

3.1 數(shù)據(jù)處理算法

時(shí)間測量接收機(jī)以二進(jìn)制格式輸出原始數(shù)據(jù)，且部分測量所需數(shù)據(jù)不直接提供。因此需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，才能得到時(shí)間測量所必需的衛(wèi)星坐標(biāo)、星鐘鐘差修正值、電離層延遲、對流層延遲、測站坐標(biāo)等觀測量[3]。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，接收機(jī)通過串口接收原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)包同步字，開始解析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包標(biāo)識判斷數(shù)據(jù)包類型，分別針對不同數(shù)據(jù)包進(jìn)行原始數(shù)據(jù)解析。解析完成后，再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得到所有接收機(jī)數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

此處對其中幾個(gè)關(guān)鍵算法作簡要介紹。

①協(xié)議解析

LEA-M8T單頻授時(shí)模塊采用UBX協(xié)議與工控板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，UBX協(xié)議是UBlox公司專有的二進(jìn)制協(xié)議格式，一個(gè)基本的UBX包如圖3所示，每一條數(shù)據(jù)包都以同步字0xB5,0x62開始，CLASS標(biāo)識數(shù)據(jù)包的基本類別，ID定義CLASS類別中具體消息，LENGTH表示數(shù)據(jù)的長度，Payload是數(shù)據(jù)包攜帶的具體內(nèi)容，CK_A和CK_B為校驗(yàn)和字節(jié)。協(xié)議解析算法根據(jù)消息類名和消息ID區(qū)分Payload中攜帶的內(nèi)容。從而對所需數(shù)據(jù)包的Payload進(jìn)行提取，提取后通過進(jìn)制轉(zhuǎn)化，得到所需信息。Payload的具體數(shù)據(jù)格式(除星歷數(shù)據(jù)外)參照ublox接收機(jī)手冊相關(guān)內(nèi)容。星歷數(shù)據(jù)的Payload格式與信息所屬導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)，需參照對應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)接口控制文件(ICD)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

圖3 UBX數(shù)據(jù)包格式

②衛(wèi)星位置計(jì)算

分別根據(jù)不同導(dǎo)航系統(tǒng)的接口控制文件進(jìn)行相應(yīng)衛(wèi)星位置的計(jì)算。需要注意的是北斗GEO衛(wèi)星軌道解算方法略有不同。由于GEO衛(wèi)星軌道傾角小，在軌道擬合時(shí)可能因?yàn)榫仃嚻娈惗皇諗?，所以要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使軌道傾角接近于0°的GEO衛(wèi)星軌道獲得較大的軌道傾角?；咀鴺?biāo)轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4 北斗GEO衛(wèi)星位置算法流程圖

基本坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用式(1)表示如下：

R′=Rz(ωtk)·Rx(-n)·Rz(-ωtk)·R,

(1)

式(1)中，R為按照MEO衛(wèi)星的計(jì)算方法得到地固系下的衛(wèi)星位置矢量，R′為經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的最終地固坐標(biāo)系下的衛(wèi)星位置矢量，n表示參考平面旋轉(zhuǎn)的角度，文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]證明了衛(wèi)星廣播星歷擬合精度對旋轉(zhuǎn)角n的取值不敏感，但為避免坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后軌道根數(shù)出現(xiàn)奇點(diǎn)，同時(shí)盡可能減少軌道傾角攝動被其他軌道根數(shù)攝動吸收，文獻(xiàn)[4]建議將坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角設(shè)為一個(gè)較大的值，一般為5°，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，tk=t-toe為瞬時(shí)歷元到參考?xì)v元的時(shí)間差。Rx(·)、Rz(·)表示初等變換矩陣，即

(2)

(3)

實(shí)際應(yīng)用中，在計(jì)算GEO衛(wèi)星觀測瞬間升交點(diǎn)經(jīng)度時(shí)，不考慮ωtk項(xiàng)，因此省去第①步繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過兩步坐標(biāo)變換得到GEO衛(wèi)星位置。

③衛(wèi)星鐘差計(jì)算

與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間相比，衛(wèi)星上的原子鐘存在著時(shí)間偏差、頻率偏差和頻率漂移。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面監(jiān)控部分通過對衛(wèi)星信號的監(jiān)測，將衛(wèi)星時(shí)鐘在t時(shí)的衛(wèi)星鐘差Δt(s)描述成以下的一個(gè)二項(xiàng)式[7]：

Δt(s)=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2,

(4)

式(4)中，3個(gè)二項(xiàng)式系數(shù)af0，af1和af2以及參考時(shí)間toc均由星歷信息解出。除此之外，衛(wèi)星鐘差還應(yīng)該包括相對論效應(yīng)校正量Δtr。Δtr用公式(5)計(jì)算[7]:

(5)

④時(shí)延修正

時(shí)間測量系統(tǒng)中需要修正的時(shí)延主要包括電離層時(shí)延、Sagnac效應(yīng)、對流層時(shí)延和接收機(jī)時(shí)延。其中電離層時(shí)延采用參考文獻(xiàn)[8]中給出的Klobuchar模型進(jìn)行修正。對流層時(shí)延采用文獻(xiàn)[9]給出的以m為單位的對流層延時(shí)模型進(jìn)行修正。Sagnac效應(yīng)采用文獻(xiàn)[10]給出的修正方法進(jìn)行修正。接收機(jī)時(shí)延以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)為參考進(jìn)行測試，結(jié)合T公報(bào)給出的UTC與GPST的偏差和UTC與UTC(NTSC)的偏差修正獲得。

3.2 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理軟件選擇C語言使用Visual Studio 2008在Windows 7系統(tǒng)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。軟件完成用戶交互、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信3個(gè)功能，分為串口通信、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通信五大模塊。軟件架構(gòu)如圖5所示。

用戶前端界面使用MFC圖形化界面語言搭建。串口通信模塊采用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。協(xié)議解析模塊對LEA-M8T發(fā)來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析和進(jìn)制轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)計(jì)算模塊根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理方法對原始接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。數(shù)據(jù)存儲模塊以固定格式將接收機(jī)數(shù)據(jù)存儲至本地介質(zhì)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊利用UDP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定IP地址和端口。

為了提高軟件數(shù)據(jù)處理效率。對數(shù)據(jù)計(jì)算模塊中的算法進(jìn)行了分解。利用分布式計(jì)算的思想，減少算法中的嵌套和循環(huán)進(jìn)而減小算法運(yùn)算的時(shí)間復(fù)雜度。軟件運(yùn)行界面截圖如圖6所示，整個(gè)界面共分為3個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)監(jiān)視區(qū)、串口操作區(qū)、操作區(qū)。數(shù)據(jù)監(jiān)視區(qū)對經(jīng)過處理和計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括接收機(jī)位置信息、時(shí)間信息以及衛(wèi)星的狀態(tài)信息。方便用戶監(jiān)視接收機(jī)狀態(tài)和記錄數(shù)據(jù)。串口操作區(qū)保證用戶可以直接通過二進(jìn)制命令與接收機(jī)進(jìn)行交互。操作區(qū)完成系統(tǒng)的開啟和退出。

圖5 軟件架構(gòu)圖

圖6 軟件運(yùn)行界面

4 系統(tǒng)測試與分析

本節(jié)針對基于單頻授時(shí)模塊的時(shí)間測量接收機(jī)的兩種測試方法進(jìn)行了詳細(xì)的理論描述，同時(shí)依據(jù)這兩種測試方法對本文中設(shè)計(jì)完成的接收機(jī)進(jìn)行了測試，給出了測試結(jié)果及分析。

4.1 單向法

基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單向法測量是通過一臺接收機(jī)測量本地參考時(shí)間與衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間之間的鐘差。單向法精度受偽距觀測量包含的各種誤差的影響，主要誤差Δterror包括星鐘誤差，星歷誤差，電離層延遲改正誤差，對流層延遲改正誤差和設(shè)備時(shí)延[11-12]。測試系統(tǒng)連接如圖7所示，將接收機(jī)輸出的1 PPS信號與中國科學(xué)院國家授時(shí)中心保持的UTC(NTSC)的1 PPS信號分別接入時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的通道1和通道2，記錄兩個(gè)輸出脈沖之間的時(shí)間間隔ΔtReceiver-UTC(NTSC)。結(jié)合中國科學(xué)院國家授時(shí)中心對UTC(NTSC)與GPST偏差的監(jiān)測值ΔtGPST-UTC(NTSC)和接收機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算的各項(xiàng)誤差改正量Δterror，最終將授時(shí)偏差結(jié)果改正到GPST，即

ΔtReceiver-UTC(NTSC)=ΔtReceiver-UTC(NTSC)-ΔtGPST-UTC(NTSC)-Δterror,

(6)

由于接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出的時(shí)間信號代表GPST，所以理論上ΔtReceiver-GPST應(yīng)為0，但由于接收機(jī)授時(shí)性能所限，此項(xiàng)不為0，因此ΔtReceiver-GPST結(jié)果的波動即反映了時(shí)間測量接收機(jī)的單向授時(shí)性能。圖8為GPS同一顆衛(wèi)星在24 h可觀測時(shí)間段內(nèi)ΔtReceiver-GPST的測試數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算，單向授時(shí)偏差最大值為13.83 ns，最小值為-12.88 ns，時(shí)差波動約為±15 ns，標(biāo)準(zhǔn)差約為6.19 ns。

圖7 單向授時(shí)測試系統(tǒng)框圖

圖8 單向授時(shí)性能評估結(jié)果

4.2 零基線共視時(shí)間比對試驗(yàn)

零基線共視時(shí)間比對試驗(yàn)的基本原理是利用衛(wèi)星共視技術(shù)來進(jìn)行時(shí)間的比對，零基線比對試驗(yàn)連接關(guān)系如圖9所示。由于時(shí)間測量接收機(jī)A和B分別得到的都是同一個(gè)本地參考時(shí)間與衛(wèi)星鐘的鐘差，理論上兩接收機(jī)的測量結(jié)果相同，將兩站同一時(shí)刻的時(shí)差結(jié)果相減，各部分誤差也得到抵消，結(jié)果應(yīng)為0。但由于兩臺接收機(jī)內(nèi)部噪聲和信號通道時(shí)延變化，零基線比對的結(jié)果不為0，該結(jié)果反映共視時(shí)間測量系統(tǒng)的不確定度[13-14]。

數(shù)據(jù)處理方法采用參考文獻(xiàn)[1]中提出的改進(jìn)的衛(wèi)星共視方法。該方法不使用國際權(quán)度局建議的共視跟蹤表進(jìn)行共視觀測，而采用連續(xù)比對，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)一個(gè)觀測周期結(jié)束時(shí)，馬上進(jìn)入下一個(gè)觀測周期，中間無間隙，去除了傳統(tǒng)共視傳遞方法中每個(gè)觀測周期內(nèi)的觀測死時(shí)間[1]。經(jīng)過連續(xù)56 h的觀測，將兩站的時(shí)差值對應(yīng)相減，剔除其中的奇異值后得到比對數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10所示，經(jīng)計(jì)算兩站該時(shí)段內(nèi)時(shí)差最大值為9.89 ns，最小為-9.21 ns,波動約為±10 ns，標(biāo)準(zhǔn)差約為3.63 ns。

圖9 零基線共視測試原理圖

圖10 零基線共視時(shí)間比對結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于LEA-M8T單頻授時(shí)模塊完成了一款應(yīng)用于時(shí)間測量領(lǐng)域的接收機(jī)設(shè)計(jì),給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)單向授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.19 ns，零基線共視比對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.63 ns,與傳統(tǒng)時(shí)間測量接收機(jī)相比，該設(shè)計(jì)成本較低，設(shè)計(jì)方案簡單易行，便于嵌入其他系統(tǒng)。已成功應(yīng)用于中國科學(xué)院國家授時(shí)中心遠(yuǎn)程時(shí)間復(fù)現(xiàn)終端項(xiàng)目中。