韓 華，董仁智，劉連照

(1.石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；4.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

進(jìn)行地面站間高精度時間比對常用的方法有光纖雙向時間比對法、衛(wèi)星雙向時間比對法及衛(wèi)星共視時間比對法等[1]。光纖雙向時間比對法以光纖作為信號傳輸介質(zhì)，受傳輸鏈路影響較小，時間比對精密度優(yōu)于1 ns[2]；衛(wèi)星雙向時間比對以GEO衛(wèi)星為中介，雙向轉(zhuǎn)發(fā)測距信號，信號收發(fā)鏈路對稱，時間比對精密度優(yōu)于2 ns[3]；衛(wèi)星共視時間比對在相同時刻觀測共同的衛(wèi)星，有效消除了衛(wèi)星鐘差影響，時間比對精密度優(yōu)于5 ns[4]。上述3種時間比對手段，衛(wèi)星共視因使用費用低、比對精度高、覆蓋范圍廣及可連續(xù)運行等特點被廣泛應(yīng)用[5]。

影響衛(wèi)星共視比對精度的誤差主要為：信號傳播相關(guān)誤差、衛(wèi)星相關(guān)誤差及共視設(shè)備相關(guān)誤差等[6]。衛(wèi)星共視屬于長期連續(xù)運行系統(tǒng)，隨著時間的推移，設(shè)備老化、環(huán)境變化等因素都會影響共視設(shè)備零值的變化，進(jìn)而影響共視比對精度，因此定期對設(shè)備零值進(jìn)行校準(zhǔn)具有一定的必要性[7-9]。

國際權(quán)度局(BIPM)使用流動校準(zhǔn)設(shè)備對世界范圍內(nèi)的UTC(k)實驗室進(jìn)行定期相對零值校準(zhǔn)[10]，BIPM對UTC(k)實驗室以外的用戶不提供服務(wù)，因此對于UTC(k)實驗室以外用戶設(shè)備零值難以得到有效標(biāo)定。本文提出了一種時間比對設(shè)備零值的絕對校準(zhǔn)方法，使用基于模擬源與微波暗箱對時間比對設(shè)備零值進(jìn)行分段標(biāo)校，能夠?qū)r間比對設(shè)備進(jìn)行定期現(xiàn)場校準(zhǔn)且不受時間比對設(shè)備內(nèi)部部件替換限制，有利于提升時間比對設(shè)備比對精度。

1 零值校準(zhǔn)原理

零值校準(zhǔn)設(shè)備由導(dǎo)航信號模擬源、發(fā)射天線、微波暗箱、低噪聲放大器及線纜等組成。待校準(zhǔn)時間比對設(shè)備由接收天線、30 m天線線纜及共視設(shè)備主機(jī)等組成。零值校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 零值校準(zhǔn)原理Fig.1 Principle of zero value calibration

τa=τt+τr+τRF=(τs+τATT+τLT)+

(τATR+τLR+τREC)+τRF，

式中，τa為鏈路總零值；τt為發(fā)射零值；τr為待測的接收零值；τRF為信號空間傳播零值；τs為模擬源發(fā)射零值；τATT為發(fā)射線纜零值；τLT為發(fā)射天線零值；τATR為接收天線零值；τLR為接收線纜零值；τREC為待測共視設(shè)備零值。

由圖1可以看出，鏈路總零值通過計數(shù)器實時測量，模擬源發(fā)射零值使用高速示波器進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)射天線零值為已知值，發(fā)射線纜零值通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。本文以GPS L1頻點為例開展接收鏈路的校準(zhǔn)。

2 零值校準(zhǔn)過程

時間比對設(shè)備的零值定義為接收天線的相位中心至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號輸入?yún)⒖键c[11]，整個校準(zhǔn)分為：線纜校準(zhǔn)、共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)和接收天線校準(zhǔn)。

2.1 線纜校準(zhǔn)

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量時延的功能測試電纜時延。測試開始前需對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行自校準(zhǔn)，測試框圖如圖2(a)所示。線纜測試原理如圖2(b)所示。線纜校準(zhǔn)測試如圖3所示。測試選用30 m天線線纜，測量3次取平均值，得到天線線纜的時延為132 ns。

圖2 線纜校準(zhǔn)與測試原理Fig.2 Principle of cable calibration and test

圖3 線纜校準(zhǔn)測試Fig.3 Cable calibrate test

2.2 共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)

共視設(shè)備主機(jī)校準(zhǔn)需使用GNSS導(dǎo)航信號模擬源搭建閉合環(huán)路進(jìn)行測試，因此需先標(biāo)定GNSS導(dǎo)航信號模擬源發(fā)射零值，模擬源發(fā)射零值定義為模擬源射頻輸出線纜末端至模擬源1 pps信號輸出接口。利用寬帶高速采樣存儲示波器和專用的信號時延分析軟件對射頻信號進(jìn)行時域觀測[12]，如圖4所示。設(shè)置模擬源，使其產(chǎn)生射頻信號，通過高速示波器在整秒時刻比較模擬器輸出的1 pps信號及標(biāo)校端口輸出的衛(wèi)星信號的相位翻轉(zhuǎn)點，從而確定模擬器的發(fā)射零值，測量3次取平均值，得到模擬源發(fā)射零值為275.49 ns。

圖4 模擬源校準(zhǔn)原理Fig.4 Principle of signal simulator calibration

使用校準(zhǔn)完成的GNSS導(dǎo)航信號模擬源與待測共視設(shè)備主機(jī)搭建閉合測試環(huán)境，如圖5所示。共視設(shè)備主機(jī)零值定義為30 m線纜輸入端至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號輸入端，共視設(shè)備主機(jī)使用外部輸入的1 pps作為偽距測量基準(zhǔn)，因此共視設(shè)備主機(jī)射頻輸入端口至主機(jī)內(nèi)部1 pps基準(zhǔn)參考點的零值可由模擬源的發(fā)射偽距與共視設(shè)備主機(jī)的接收偽距做差獲得；主機(jī)內(nèi)部1 pps基準(zhǔn)參考點至共視設(shè)備主機(jī)1 pps信號輸入端的零值由時間間隔計數(shù)器測量獲得。

連續(xù)采集1 h數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到共視設(shè)備主機(jī)零值為463.21 ns。

圖5 主機(jī)校準(zhǔn)原理Fig.5 Principle of host calibration

2.3 接收天線校準(zhǔn)

接收天線校準(zhǔn)在線纜、共視設(shè)備主機(jī)完成校準(zhǔn)后進(jìn)行測試，測試框圖如圖6所示。

圖6 天線校準(zhǔn)原理Fig.6 Principle of antenna calibration

校準(zhǔn)實物如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)實物Fig.7 Picture of calibration equipment

測試鏈路除待測天線零值未知外，還需扣除射頻信號在微波暗箱中的傳輸時延，使用激光測距儀測量收、發(fā)天線間距離，計算得到傳輸時延。連續(xù)采集1 h數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接收天線零值為62.35 ns。

3 零值校準(zhǔn)驗證

按照上述方法分別選取時間比對設(shè)備A，B進(jìn)行零值校準(zhǔn)，測試結(jié)果如表1所示。則時間比對設(shè)備A，B間的相對零值為3.78 ns，作為后續(xù)測試的零值參考值。

表1 零值校準(zhǔn)記錄表
Tab.1 Results of zero value calibration

序號設(shè)備類別測量值/ns1A線纜133.68主機(jī)463.21天線63.152B線纜135.15主機(jī)458.76天線62.35

將時間比對設(shè)備A和B搭建同源、超短基線環(huán)境進(jìn)行測試驗證，天線置于開闊無遮擋處，連續(xù)采集2 d原始觀測數(shù)據(jù)使用PPP的方法標(biāo)定位置坐標(biāo)，使用該坐標(biāo)位置進(jìn)行共視數(shù)據(jù)處理，連續(xù)測量3次，每次測量周期的24 h，每次測量后設(shè)備進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作，最終得到數(shù)據(jù)如表2所示。表中測量值表示3次同源測試結(jié)果。

表2 超短基線測試記錄表 ns

Tab.2 Results of mini-baseline test

序號零值參考值超短基線測量值偏差1233.783.890.114.020.243.920.14

由表2可以看出，使用本文所示方法對共視設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.3 ns。

4 結(jié)束語

本文研究了一種時間比對設(shè)備零值的絕對校準(zhǔn)方法，利用模擬源與微波暗箱的組合對待測設(shè)備零值進(jìn)行分段校準(zhǔn)，基于該方法對2套時間比對設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定，并搭建了同源、超短基線環(huán)境進(jìn)行測試驗證，測試結(jié)果表明該方法可以實現(xiàn)優(yōu)于0.3 ns的校準(zhǔn)精度。后續(xù)可將所涉及的校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行便攜化設(shè)計并進(jìn)行軟件自動化測試功能開發(fā)，從而進(jìn)一步滿足工程應(yīng)用。