韓 華,解建偉,劉連照

(1.石家莊諾通人力資源有限公司,河北 石家莊 050000;

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.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司,河北 石家莊 050081;

4.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

1980年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局首次發(fā)布了共視時間比對方法[1]。1983年,國際守時實驗室應(yīng)用該方法實現(xiàn)了異地原子鐘之間的時間比對和同步[2]。受限于當(dāng)時GPS的發(fā)展,起初的共視時間比對主要基于GPS偽碼的單通道接收處理,共視時間比對的用戶需要遵循國際計量局定期更新發(fā)布的共視時刻表,在統(tǒng)一時刻接收約定的GPS衛(wèi)星,產(chǎn)生共視文件后通過數(shù)據(jù)交換完成時間比對[3]。隨著導(dǎo)航信號接收技術(shù)的進(jìn)步,目前時間比對接收機(jī)已發(fā)展為多通道接收機(jī),即在同一共視時刻能夠同時觀測到多顆衛(wèi)星,為時間比對性能的提高提供了基礎(chǔ)性支撐[4]。

國外生產(chǎn)時間比對設(shè)備的廠家主要有MESIT,SEPTENTRIO,PIKTIME和TFS等公司[5]。MESIT公司生產(chǎn)的GTR系列時間比對設(shè)備采用商用接收板卡搭配時差測量單元實現(xiàn),關(guān)鍵部件采用恒溫控制,可自動化收集保存測量數(shù)據(jù),支持多種輸出協(xié)議,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)[6];SEPTENTRIO公司生產(chǎn)的POLARX系列時間比對設(shè)備采用自研接收板卡實現(xiàn),整機(jī)進(jìn)行小型化、低功耗設(shè)計,大小僅為235 mm×140 mm×37 mm,搭配上位機(jī)軟件使用,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng);PIKTIME公司生產(chǎn)的TTS系列時間比對設(shè)備采用商用接收板卡搭配時差測量單元實現(xiàn),內(nèi)置工控機(jī)運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)具備大尺寸監(jiān)控屏幕,共視文件支持GPS及GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)[7]。國內(nèi)共視技術(shù)的研究起步較晚,目前已有多家科研機(jī)構(gòu)針對共視時間比對技術(shù)開展了研究[8-9],形成了多型號的接收設(shè)備及共視處理軟件,各廠家時間比對設(shè)備采用接收板卡搭配時差測量單元實現(xiàn)。

本文設(shè)計了國產(chǎn)化的GNSS時間比對設(shè)備,支持BDS,GPS,GLONASS及GALILEO系統(tǒng)信號接收及處理,利用觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后直接獲得鐘差信息,有效減少了時差測量單元引入的測量誤差。

1 共視比對原理

GNSS時間比對原理如圖1所示。

圖1 時間比對原理Fig.1 Principle diagram of time transfer

GNSS共視時間比對本質(zhì)上以相同的共視衛(wèi)星作為共同參考,位于異地的待同步地面站接收衛(wèi)星信號,按照共視時間表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得本地時間與觀測衛(wèi)星間的相對鐘差,通過比較2站的相對鐘差,即可獲得異地待同步地面站間的鐘差[10-11]。

定義本地鐘相對于參考時間(GNSS系統(tǒng)時間)的鐘差為ΔT(t)=T(t)-tref(t),其中,T(t)為t時刻對應(yīng)的本地時間;tref(t)為t時刻對應(yīng)的參考時間。因此,在相同的GNSS時刻t,位于異地的A,B兩站對GNSS系統(tǒng)時間的鐘差可分別記為[12]:

對于進(jìn)行共視時間比對的A站和B站,可將式(1)進(jìn)一步改寫為:

由此得:

上述即為A站、B站間進(jìn)行衛(wèi)星共視時間比對的計算模型,由上式可知,A,B站的共視衛(wèi)星鐘差及共視衛(wèi)星發(fā)射時延被完全抵消。

2 時間比對設(shè)備設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

GNSS時間比對設(shè)備采用19英寸2U上架機(jī)箱設(shè)計,如圖2所示。內(nèi)部采用插卡設(shè)計,各導(dǎo)航系統(tǒng)采用獨(dú)立板卡,可根據(jù)不用應(yīng)用場景進(jìn)行組合使用。

圖2 GNSS時間比對設(shè)備Fig.2 GNSS time transfer equipment

GNSS時間比對設(shè)備由全頻點(diǎn)天線、變頻模塊、解算模塊、時頻模塊、監(jiān)控模塊及軟件等組成,如圖3所示。

圖3 GNSS時間比對設(shè)備組成Fig.3 Composition diagram of GNSS time transfer equipment hardware

全頻點(diǎn)天線為射頻信號輸入口,采用右旋圓極化設(shè)計,能夠同時接收BDS,GPS,GLONASS,GALILEO系統(tǒng)的導(dǎo)航信號,并完成低噪聲放大;變頻模塊完成導(dǎo)航信號的下變頻功能,輸出中頻信號;解算模塊以外部輸入的10 MHz,1 pps信號為參考,進(jìn)行信號的捕獲、跟蹤及原始數(shù)據(jù)輸出等;時頻模塊對外部輸入的10 MHz,1 pps信號進(jìn)行分路輸出,分配至內(nèi)部各模塊;監(jiān)控模塊采集整機(jī)的狀態(tài)信息用于設(shè)備前面板狀態(tài)顯示,同時上報整機(jī)數(shù)據(jù)至軟件;軟件用于顯示整機(jī)狀態(tài)及觀測數(shù)據(jù),觀測數(shù)據(jù)按照RINEX3.0格式要求進(jìn)行本地存儲,同時按照共視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理得到CGGTTS文件。

2.2 軟件設(shè)計

GNSS時間比對設(shè)備軟件處理流程如圖4所示。軟件在接收到時間比對設(shè)備上報的觀測數(shù)據(jù)后按照RINEX格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,同時判斷是否為共視時刻,如果不是共視時刻則返回對下一時刻進(jìn)行判斷;若當(dāng)前為共視時刻則進(jìn)入共視處理過程,對測距信息進(jìn)行鏈路誤差修正,包括電離層誤差、對流層誤差及相對論誤差等,根據(jù)星歷參數(shù)計算當(dāng)前時刻的衛(wèi)星位置及衛(wèi)星鐘差,綜合利用偽距、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星鐘差及天線位置坐標(biāo)等信息分別得到本地相對導(dǎo)航系統(tǒng)的鐘差即REFSYS,本地相對衛(wèi)星的鐘差即REFSV,最終結(jié)合實驗室信息補(bǔ)充CGGTTS文件頭內(nèi)容,形成最終的CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)共視文件。

圖4 GNSS時間比對設(shè)備軟件處理流程Fig.4 Flowchart of GNSS time transfer equipment software processing

3 測試驗證

影響時間比對指標(biāo)的因素除空間誤差的修正外,設(shè)備自身的偽碼測量精度、設(shè)備時延穩(wěn)定性等也會有一定影響[14-15],因此時間比對設(shè)備的測試驗證分為偽碼測量精度試驗驗證、設(shè)備時延穩(wěn)定性試驗驗證、超短基線試驗驗證及300 km基線試驗驗證。

3.1 偽碼測量精度試驗驗證

偽碼測量精度試驗采用模擬源的方法,將待測設(shè)備與模擬源有線連接,調(diào)整各導(dǎo)航頻點(diǎn)發(fā)射信號功率,使到達(dá)待測設(shè)備的等效功率電平不小于各類信號的靈敏度電平。待設(shè)備工作穩(wěn)定后,每種信號連續(xù)工作24 h,模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測設(shè)備輸出的偽距值與真值做差,使用統(tǒng)計的方法對各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如表1所示。

表1 偽碼測量精度數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Pseudo-code measuring accuracy data record

3.2 設(shè)備時延穩(wěn)定性試驗驗證

設(shè)備時延穩(wěn)定性試驗采用模擬源的方法,將待測設(shè)備與模擬源有線連接,調(diào)整各導(dǎo)航頻點(diǎn)發(fā)射信號功率,使到達(dá)待測設(shè)備的等效功率電平不小于各類信號的靈敏度電平。待設(shè)備工作穩(wěn)定后,每種信號連續(xù)工作24 h,并進(jìn)行3次開關(guān)機(jī)測試,每次開關(guān)機(jī)后測試2 h,共計30 h測試數(shù)據(jù),模擬源輸出的偽距值作為真值,將待測設(shè)備輸出的偽距值與真值做差,使用統(tǒng)計的方法對各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如表2所示。

表2 時延穩(wěn)定性數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Time delay stability data record

3.3 超短基線試驗驗證

超短基線測試原理框圖如圖5所示。

圖5 超短基線測試原理框圖Fig.5 Principle diagram of ultra-short baseline test

將天線A,B安裝于開闊無遮擋處,時間比對設(shè)備A,B同時接入時間基準(zhǔn)的10 MHz,1 pps信號,連續(xù)記錄2天觀測數(shù)據(jù),使用PPP的方法對天線的位置坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)定,連續(xù)測量5天,通過計算機(jī)完成CGGTTS文件的產(chǎn)生與存儲。測試完成后,處理2臺衛(wèi)星共視比對接收機(jī)的CGGTTS數(shù)據(jù)得到鐘差數(shù)據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進(jìn)行時間比對的A類不確定度為0.20 ns,如圖6所示。使用BDS進(jìn)行時間比對的A類不確定度為0.41 ns,如圖7所示。

圖6 超短基線GPS共視比對結(jié)果Fig.6 Ultra-short baseline GPS common view comparison result

圖7 超短基線北斗共視比對結(jié)果Fig.7 Ultra-short baseline BDS common view comparison result

3.4 300km基線試驗驗證

300 km基線條件下,測試原理框圖如圖8所示。在A,B兩地待測時間比對設(shè)備與已知不確定度的基準(zhǔn)比對設(shè)備分別進(jìn)行同源超短基線連接,測試用線纜與超短基線測試用線纜一致。

圖8 300 km基線測試原理框圖Fig.8 Principle diagram of 300 km baseline test

利用2天的觀測數(shù)據(jù)使用PPP的方法對天線坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)定,連續(xù)測量6天。計算機(jī)完成時間比對設(shè)備CGGTTS文件的產(chǎn)生與存儲,利用基準(zhǔn)比對設(shè)備連續(xù)測量6天,存儲CGGTTS文件,處理基準(zhǔn)比對設(shè)備的CGGTTS數(shù)據(jù),處理時間比對設(shè)備的CGGTTS數(shù)據(jù),基準(zhǔn)比對設(shè)備A與基準(zhǔn)比對設(shè)備B的時差記為T1,時間比對設(shè)備A與時間比對設(shè)備B的時差記為T2,則遠(yuǎn)程時間比對結(jié)果T為:

T=T2-T1。

采用標(biāo)準(zhǔn)方差的方法評估時間比對A類不確定度,使用GPS進(jìn)行時間比對的A類不確定度為0.42 ns,如圖9所示。使用BDS進(jìn)行時間比對的A類不確定度為0.45 ns,如圖10所示。

圖9 300 km基線GPS共視比對結(jié)果Fig.9 300 km baseline GPS common view comparison result

圖10 300 km基線北斗共視比對結(jié)果Fig.10 300 km baseline result of BDS common view comparison test

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種GNSS時間比對設(shè)備,以用戶10 MHz,1 pps為內(nèi)部測量基準(zhǔn),輸出的觀測數(shù)據(jù)能夠直接反應(yīng)鐘差信息,省去了傳統(tǒng)共視時間比對設(shè)備內(nèi)部的計數(shù)器單元。經(jīng)測試,設(shè)備自身的偽碼測量精度和時延穩(wěn)定性均優(yōu)于0.5 ns,超短基線及300 km基線條件下A類不確定度優(yōu)于1 ns,能夠滿足開展高精度時間比對的需求。隨著北斗系統(tǒng)的建設(shè),后續(xù)可進(jìn)一步開展基于北斗三號時間比對設(shè)備的研制工作。