蘇 瑜，荊文芳，宋 靜

（1.中國科學院國家授時中心，陜西西安 710600；2.中國科學院大學，北京 100049）

2011 年，衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)在中國區(qū)域定位系統(tǒng)（China Area Positioning System，CAPS）的基礎上開始建設，其為BDS（北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)，BeiDou Navigation Satellite System）的技術驗證平臺。經(jīng)過5年的努力，BOTP 系統(tǒng)于2016 年建成，并進行了測試。評估驗收工作于2017 年8 月底完成[1]。目前認為CAPS 系統(tǒng)是衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的初期階段。衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)作為BDS 的測試平臺，具有獨立的導航、定位和定時功能，是我國自主研發(fā)的新型衛(wèi)星導航系統(tǒng)[2]。與GPS、BDS、GLONASS 和GELILEOG之類的傳統(tǒng)GNSS 系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)不需要在衛(wèi)星上安裝原子鐘，并且由于導航信號是在地面控制站產(chǎn)生的，因此可以在地面站中使用更高穩(wěn)定性的原子鐘[3]。衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)與全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航信號從衛(wèi)星上的產(chǎn)生不同，衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)導航信號由地面主控站產(chǎn)生，發(fā)送給衛(wèi)星，因此信號傳輸多了一條從地面到衛(wèi)星的上行鏈路，并且經(jīng)過衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)，用戶接收到類似于GPS的直發(fā)信號[4]。從BOPT 系統(tǒng)信號的傳輸物理過程來看，信號經(jīng)過了地面站上行設備、空間傳播鏈路到衛(wèi)星轉發(fā)器，由衛(wèi)星轉發(fā)后經(jīng)過下行空間傳播鏈路到用戶接收機，直至用戶接收機解算輸出[5]。無論對于用戶接收機還是主控站綜合基帶來說，多了一條上行鏈路，因此對其測量的星地距離都會產(chǎn)生誤差，對于授時、定位、測速都是不可忽略的誤差項。所以對于地面站上行設備時延和下行設備時延的測量至關重要。

對于地面站設備時延的測量校準，文獻[6]通過專用時延測量設備對天線以下的設備時延進行準確測量，可以溯源到標準儀器，便于不同時間、不同位置的設備來進行比對，但其沒有考慮天線的時延。文獻[7]設計了一種外環(huán)設備時延測量方法，但是其中用到的模擬轉發(fā)器的時延不能很好地扣除。一般GPS 校準和移動站是一種相對時延測量方法，要求用于測量的基準設備在搬移前后具有較高的時延穩(wěn)定性[8-10]。文中詳細闡述了BOPT 系統(tǒng)地面站設備時延的概念，采用具有輸入駐波小、噪聲底、頻帶寬、頻率穩(wěn)定性高的梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）來校準矢量網(wǎng)絡分析儀(簡稱矢網(wǎng))，并且采用校準過的矢網(wǎng)來進行一部分設備時延測量。地面站鏈路設備時延通過一部分設備時延根據(jù)儀器提前標定和一部分根據(jù)設備本身結構計算相結合來確定?；跍y量和計算相結合的方法進行了設備時延測量有效性驗證和不確定度分析。實驗結果表明了該方法的有效性，并計算出一天的不確定度為0.2 ns。

1 衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)構成

BOPT 系統(tǒng)的組成與傳統(tǒng)衛(wèi)星導航系統(tǒng)，如BDS、GPS、GLONASS、GELILEOG 等類似，包括空間星座段、地面控制段和用戶接收段[11]，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示?？臻g星座段主要包含不同衛(wèi)星組成的定位測距源。地面控制段主要由地面衛(wèi)星高精度測控及定軌系統(tǒng)、導航信號主控系統(tǒng)以及時頻基準系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成[12]。用戶接收段主要包括各種用戶接收機等設備。

圖1 衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)組成框圖

文中主要進行BOPT 系統(tǒng)地面站設備時延的測量，所以需了解BOPT 系統(tǒng)的地面站設備組成。圖2展示了衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)地面主控站的組成。

圖2 衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)地面主控站組成

如圖2 所示，地面主控站中時頻統(tǒng)一參考源為綜合基帶提供1PPS 信號和10 MHz 信號，綜合基帶發(fā)出對數(shù)據(jù)碼擴頻、調制產(chǎn)生的擴頻信號，經(jīng)上變頻器、高功率放大器后到達地面站天線相位中心；然后經(jīng)過上行空間鏈路到達衛(wèi)星天線相位中心入口，通過衛(wèi)星轉發(fā)器混頻后由衛(wèi)星天線出口發(fā)出；再經(jīng)過下行空間鏈路到達地面站天線相位中心；最后通過低噪聲放大器、下變頻器到達綜合基帶，形成一個閉環(huán)模式。對于從衛(wèi)星天線出口發(fā)出的信號，不但主控站的地面站天線可以接收，任何地點的監(jiān)測接收機都可通過天線接收。

2 衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)設備時延定義

在連續(xù)波跟蹤測量系統(tǒng)中，設備中存在慣性元件和尺寸誤差，信號通過設備將產(chǎn)生固定時延，這個固定時延叫做設備時延[13]。在衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)中，由圖2 可知，根據(jù)信號傳輸鏈路的不同，設備時延主要分為發(fā)射鏈路設備時延、接收鏈路設備時延和收發(fā)組合設備時延。

2.1 發(fā)射鏈路設備時延

衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)地面站發(fā)射鏈路設備時延定義為信號從綜合基帶輸出口一直到天線相位中心的時延值。發(fā)射鏈路設備時延包括綜合基帶輸出到上變頻器電纜時延tu1、上變頻器時延tu2、上變頻器到SSPA（功率放大器）電纜時延tu3、SSPA 時延tu4、合路單元時延tu5、上行波導時延tu6、饋源發(fā)射耦合口tu7、C/L饋源時延tu8以及饋源網(wǎng)絡到天線相位中心的時延tu9。如圖3所示。發(fā)射鏈路的設備時延由式（1）表示為：

圖3 發(fā)射鏈路設備時延示意圖

2.2 接收鏈路設備時延

衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)地面站接收鏈路設備時延定義為信號從天線相位中心一直到綜合基帶輸入口的時延值，發(fā)射鏈路設備時延包括天線相位中心到C/L饋源網(wǎng)絡的時延td1、C/L 饋源時延td2、饋源接收耦合口td3、LNA（場放）時延td4、LNA 到下變頻器電纜時延td5、下變頻器時延td6、下變頻器到基帶輸入的時延td7。如圖4 所示。接收鏈路的設備時延如式（2）所示：

圖4 接收鏈路設備時延示意圖

2.3 收發(fā)組合設備時延

在衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)中，地面站綜合基帶完成信號自發(fā)自收的工作方式，收發(fā)組合設備時延實際就是發(fā)射鏈路設備時延和接收鏈路設備時延之和，即T=Tup+Tdown。由圖2 可知，衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)地面站存在上行和下行鏈路，衛(wèi)星可看作是上行鏈路信號和下行鏈路信號的頻率轉換器。同時，為了測量系統(tǒng)設備時延，在射頻部分配置了一個類似于衛(wèi)星的測試轉發(fā)器，使信號在地面站可以構成自閉環(huán)，以完成系統(tǒng)設備時延測量和信號的地面自驗證，這種環(huán)路稱為射頻自閉環(huán)鏈路。射頻自閉環(huán)鏈路設備時延可由綜合基帶進行測量，采用綜合基帶設備測量設備鏈路時延最能反映設備時延對系統(tǒng)的影響，而且簡單易操作，可為其他設備時延測量方法提供一個驗證有效性的基礎。

3 設備時延的測量方法

不論是發(fā)射鏈路設備時延Tup還是接收鏈路設備時延Tdown，都是各個設備時延的組合，所以要測量Tup和Tdown是不可完成的。例如，饋源網(wǎng)絡到天線相位中心的時延tu9是根據(jù)天線機械結構計算得到的[4]。所以文中主要采用利用矢量網(wǎng)絡分析儀測量值tA、部分設備提前標定值tu8和計算值tu9之和的方法完成Tup和Tdown的測量。圖5 詳細說明了衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的設備時延測量的具體安排。

圖5 設備時延標定的具體安排

矢量網(wǎng)絡分析儀測量值tA由式（3）表示：

3.1 基于梳狀譜發(fā)生器校準的矢網(wǎng)測量設備時延

梳狀譜發(fā)生器可生產(chǎn)高精度相位校準信號，在寬帶綜合時，可將導致設備通道傳輸不一致的附加相位去掉，從而得到精確的群延遲量值。矢量網(wǎng)絡分析儀的測量原理是先測量被測器件的相頻響應特性，然后取相位差與頻率差的比值來近似微分計算[14]。

矢網(wǎng)最典型的應用是測量同頻器件的時延[15]，但根據(jù)圖5 可知，發(fā)射鏈路設備時延中，由綜合基帶的出口到饋源入口這一鏈路的時延標定主要采用矢量網(wǎng)絡分析儀來完成，這是一個變頻的鏈路時延測量。文中采用梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）校準的矢網(wǎng)時延測量方案，該方法主要是利用梳妝波校準失量網(wǎng)絡分析儀接收機的不同頻點之間的相位，進而在測量時不需要參考變頻設備直接對被測變頻設備進行時延的測量[5]，并且通過此方法對矢網(wǎng)本身進行校準后，使矢網(wǎng)兩個端口在不同頻率下工作也能進行高精度時延測量，不必在每次測量之前進行校準。

3.2 地面站基于矢網(wǎng)的設備時延測量實現(xiàn)方法

由式（3）可知，被測量的tA是一條鏈路，在采用矢網(wǎng)測量時，不可能把被測的兩段直接放在矢網(wǎng)的兩個端口，所以用時延已知的測試電纜作為測試臂，引入時延零值的概念，測出測試臂的時延總和，作為時延零值，存儲在時延校準軟件中，并在最終結果中扣除。同時借助于簡單的開關網(wǎng)絡切換，實現(xiàn)不同頻點的切換選通，如圖6 所示。

圖6 地面站基于矢網(wǎng)的設備時延測量

由圖6可知，先用梳狀譜發(fā)生器對矢網(wǎng)進行校準；其次測量不同鏈路的設備時延，已知測試臂為2 m和20 m 的電纜時延分別為T1和T2，但是每條鏈路的長短不同，只用測試臂的長度不可能對每條鏈路進行測量，所以引入測試用的3 條時延未知電纜，通過兩兩連接的方式進行測量。經(jīng)過解三元一次方程得到每個測試電纜的時延，這樣增加3 條長度未知的電纜，足夠對地面站的設備時延進行測量。其中，測試電纜時延方程為：

根據(jù)式（5）解方程得到式（6）:

最后，通過開關網(wǎng)絡實現(xiàn)不同連接鏈路的切換選通，得到被測鏈路的設備時延。如需要加入電纜A 來測量，則被測鏈路時延可用式（7）計算得到，依次類推，對于不同的鏈路，采用不同的電纜連接方式利用此方法都可得到鏈路的設備時延。

其中，T1和T2分別為測試臂2 m 和20 m 的電纜時延；T31、T32和T33分別為電纜A、B、C 的時延值；TVNA1為連接電纜A 和B 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA2為連接電纜B 和C 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA3為連接電纜A 和C 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA為測量鏈路設備時延時連接電纜為A使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TDUT為被測量的鏈路設備時延。

4 衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)設備時延測量驗證實驗

4.1 設備時延測量的有效性分析

利用文中矢網(wǎng)測量鏈路設備時延的方法，對衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的一條射頻自閉環(huán)鏈路進行測量，則射頻自閉環(huán)鏈路的設備時延TIF為從基帶輸出口一直到衛(wèi)星模擬轉發(fā)器入口鏈路設備時延Ttr、衛(wèi)星模擬轉發(fā)器Tter和從衛(wèi)星模擬轉發(fā)器出口到基帶輸入口Tre鏈路設備時延之和，如圖7 所示。射頻鏈路設備時延的測量也可通過綜合基帶閉環(huán)來測量，可以進行使用矢量網(wǎng)絡分析儀測量設備時延準確性驗證。驗證結果如表1 所示。利用矢網(wǎng)測得的Ttr為270.87 ns、Tter為121.29 ns，Tre為228.47 ns，則射頻自閉環(huán)鏈路的設備時延TIF為620.63 ns。利用綜合基帶直接通過射頻閉環(huán)測得的設備時延為620.43 ns。兩種方法得到的射頻自閉環(huán)鏈路的設備時延偏差為0.2 ns，說明該實驗驗證了使用矢量網(wǎng)絡分析儀進行衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的設備時延測量的有效性。

圖7 射頻自閉環(huán)鏈路設備時延測量示意圖

表1 射頻自閉環(huán)鏈路的設備時延

4.2 設備時延測量的不確定度性分析

使用矢量網(wǎng)絡分析儀測量設備時延的不確定度主要有矢網(wǎng)時延測量的不確定度τVNA、測試臂時延標定的不確定度τtest和測量時受溫度影響的不確定度τtemp等。

矢網(wǎng)測量的不確定度由式（4）表示，其中Δφ為矢網(wǎng)相位測量的不確定度[5]，Δω為矢網(wǎng)孔徑（換算成MHz）。

在此次實驗中，矢網(wǎng)型號為N5242A，相位測量的不確定度Δφ為±0.6°，當口徑設置為5 MHz 時，τVNA=0.1 ns。

測試臂時延標定的不確定度τtest主要由矢網(wǎng)測量不確定度引起，τtest=0.1 ns。在10～30°C 的測試環(huán)境中，對F1down接收鏈路進行一天的長期觀測，圖8為在F1down頻點處的絕對時延值。這一條鏈路包括一條長電纜、接收饋源、LNA（低噪聲放大器）、下變頻器等。這個結果表明，使用矢網(wǎng)測量的時延在100 s 平均時的變化值在0.15 ns 內。

圖8 設備時延一天的變化

由于各個不確定度互不相關，所以設備測量的不確定度如式（9）所示。

該實驗驗證了使用矢網(wǎng)測量設備時延不確定度為0.2 ns，說明所測結果與真值很接近，驗證了該方法的準確性[17-20]。

5 結論

在衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)中，地面站設備時延的測量主要采用基于梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）校準的矢量網(wǎng)絡分析儀時延測量、部分設備提前標定和計算相結合的方法，并且基于梳狀譜發(fā)生器校準的矢量網(wǎng)絡分析可以對變頻鏈路設備時延進行測量，到達一次校準多次測量的結果。通過實驗驗證了該方法的有效性、可實施性；最后分析了該方法的不確定度性為0.2 ns。地面站設備時延的確定對衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的導航、定位和授時精度的提高提供了重要的意義。