顧楊義， 陳 亮， 梁 坤， 楊志強

(1.中國計量大學 光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018；2.中國計量科學研究院 時間頻率計量科學研究所，北京 100029；3.北京交通大學 電子信息工程學院,北京 100044； 4.國家時間頻率計量中心，北京 100029;)

1 引 言

隨著秒定義的量子化，“時間”成為了準確度最高、應用最廣的物理量[1,2]。時間頻率的高度統(tǒng)一對人們日常生活、航空航天以及國民經濟等都有著十分重要的意義[3～5]。通信領域對時間同步設備的性能要求已達到ns量級，例如在正常跟蹤衛(wèi)星接收機的情況下1 PPS(pulse per second，秒脈沖)+ToD(time of day，時間信息)接口相對于UTC(universal time coordinated，協(xié)調世界時)的時間偏差要求優(yōu)于±150 ns?；贕NSS(global navigation satellite system，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))時間頻率傳遞技術，文獻[6～8]描述了一種可被UTC(NIM)(原子時標國家計量基準)實時馴服的振蕩系統(tǒng)(NIMDO)，即遠程實時溯源至UTC(NIM)的時間頻率源，其時間偏差、時間穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度分別可優(yōu)于10 ns、1 ns和3×10-14。利用北斗的短報文通信功能可進行數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)工具的研發(fā)，其效果已得到了實際驗證[9]。利用北斗短報文通信可在系統(tǒng)監(jiān)測、交通疏導等實際應用中及時完成信息交互，其傳輸數(shù)據(jù)的準確性和完整性能夠滿足監(jiān)測等系統(tǒng)的需求[10,11]。本文提出了一種基于北斗短報文通信的NIMDO(UTC(NIM) disciplined oscillator，可被UTC(NIM)實時馴服的振蕩系統(tǒng))方案，設計了一套使用更可靠通信的遠程時間溯源實驗裝置，利用北斗短報文通信，實施了參考端對客戶端的實時馴服實驗，實現(xiàn)了基于北斗短報文通信的NIMDO方案并進行了性能驗證。

2 基于北斗短報文通信的NIMDO方案

2.1 北斗短報文通信

短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID(identity document，身份標識號碼)號和通訊內容的通訊申請信號加密后通過衛(wèi)星轉發(fā)入站；地面中心站接收到通訊申請信號后，經脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經衛(wèi)星廣播給用戶；接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通訊。短報文通訊的傳輸時延約0.5 s，通訊的最高頻度是1次/s。

2.2 基于北斗短報文通信的遠程時間溯源原理

參考端GNSS時間傳遞裝置與北斗短報文通信發(fā)射端相連，利用北斗短報文數(shù)據(jù)包發(fā)送參考端數(shù)據(jù)。客戶端NIMDO與北斗短報文通信接收端相連，用于接收北斗短報文數(shù)據(jù)包中的參考端數(shù)據(jù)。其中，UTC(NIM)和時間頻率源為GNSS時間頻率傳遞裝置提供時間頻率信號即1 PPS信號和5/10 MHz信號，NIMDO內部由時間頻率源、GNSS時間頻率傳遞裝置、馴服控制系統(tǒng)組成。

圖1 基于北斗短報文的遠程時間溯源原理圖Fig.1 Schematic diagram of remote time traceability based on BeiDou short message

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)分為參考端和客戶端兩個部分，硬件分為GNSS時間頻率傳遞裝置、NIMDO、北斗多卡/單卡數(shù)傳終端(見圖2)，軟件分為多卡服務端和單卡客戶端軟件。其中，GNSS時間頻率傳遞裝置產生時頻傳遞數(shù)據(jù)，NIMDO用于接收時頻傳遞數(shù)據(jù)并完成對時間頻率源的馴服，北斗多卡數(shù)傳終端用于發(fā)送北斗短報文信息，北斗單卡數(shù)傳終端用于接收北斗短報文信息，軟件實現(xiàn)格式轉換(多卡服務端軟件把RFile文件轉換成短報文格式，單卡客戶端軟件從短報文格式文件中解析出RFile文件)。

圖2 北斗多卡/單卡數(shù)傳終端設備圖Fig.2 Diagram of BeiDou multi-card/single-card data transmission terminal equipment

2.3.2 北斗短報文格式

由于遠程時間頻率溯源中利用有線網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r間頻率數(shù)據(jù)最主要是CGGTTS(common generic GNSS time transfer standard，通用GNSS時間傳輸標準)數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)不能直接用北斗短報文通信發(fā)送和接收，因為北斗短報文通信的數(shù)據(jù)格式和內容是有一定限制的。因此格式轉換是本次方案設計的主要工作，即在北斗短報文通信發(fā)射端將GNSS時間頻率傳遞裝置生成的數(shù)據(jù)格式轉換成北斗短報文通信格式，在北斗短報文通信接收端從接收到的短報文信號中提取出數(shù)據(jù)信息，用于溯源計算處理。

在遠程時間頻率溯源中利用到了CGGTTS的部分信息，如跟蹤衛(wèi)星的衛(wèi)星號，跟蹤衛(wèi)星的起始日期，實際跟蹤長度中點處本地參考鐘與GNSS時間的時差等[12]。所以在利用北斗短報文通信進行時頻數(shù)據(jù)傳輸實驗時，把RFile文件轉成短報文格式，通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，接收端將解析出的RFile文件合并成CGGTTS文件并且需要提取CGGTTS中的衛(wèi)星號、起始日期、時差等信息。

每包數(shù)據(jù)包含GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))和北斗信息。電文內容是GPS雙頻時頻傳遞數(shù)據(jù)文件及北斗雙頻時頻傳遞數(shù)據(jù)文件中有效數(shù)據(jù)信息轉換的部分，包括跟蹤衛(wèi)星的衛(wèi)星號，跟蹤衛(wèi)星的起始日期，實際跟蹤長度中點處本地參考鐘與GNSS時間的時差等。每包數(shù)據(jù)中最多包含32個GPS及BDS(beidou navigation satellite system，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng))衛(wèi)星的雙頻時間頻率傳遞數(shù)據(jù)信息，超過32個衛(wèi)星時，會剔除掉最低仰角的衛(wèi)星。北斗短報文格式如表1所示，設定好用戶地址、通信類別、傳輸方式以及通信電文內容，通過軟件實現(xiàn)北斗短報文的發(fā)送與接收。

表1 北斗短報文數(shù)據(jù)部分格式說明Tab.1 The format of BeiDou short message data part

2.3.3 馴服算法

當前NIMDO的原子鐘馴服算法的原理基于PID(proportional integral differential，比例積分微分)調節(jié)控制。PID控制器是一種線性控制器，它可以根據(jù)給定真值r(t)與實際輸出y(t)構成控制偏差e(t)，如式(1):

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制，如式(2):

(2)

其傳遞函數(shù)為：

G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TIs)+TDs]

(3)

對于NIMDO系統(tǒng)中基于PID控制的原子鐘馴服算法，需要調整的信號是頻率信號，通過PID算法可以預測得到下一時刻原子鐘的輸出信號情況，如時差(頻率的積分項)、頻率和頻漂(頻率的微分項)，之后依據(jù)此對原子鐘進行調整，使其與參考端原子鐘的差值達到可以要求，實現(xiàn)馴服[13～17]。

3 實驗驗證

3.1 實驗設計

參考端GNSS時間頻率傳遞裝置(站1)已被校準，客戶端的NIMDO(站2)處于接收機模式且已被校準；同樣參考端(站3)和客戶端(站4)也已經被校準?；趯嶒炘韴D(見圖3)在中國計量科學研究院昌平院區(qū)搭建基于北斗短報文的時頻數(shù)據(jù)傳輸鏈路，參考端GNSS時間頻率傳遞裝置接入時間頻率源1(UTC(NIM))提供的時間頻率信號后開始測量，實時生成RFile數(shù)據(jù)文件(從CGGTTS文件中拆分出的每隔16 min實時比對數(shù)據(jù)文件)。發(fā)送端軟件每隔30 s搜索最新的RFile文件，將RFile文件轉換成北斗短報文格式后發(fā)送出去。接收端負責接收北斗短報文，解析出RFile文件，把RFile文件合并成CGGTTS文件，并從CGGTTS文件中提取時間、衛(wèi)星等信息，計算出本地時間頻率源與參考端時間頻率源的時差，通過馴服控制系統(tǒng)對本地時間頻率源進行馴服。

圖3 基于北斗短報文的NIMDO方案實驗原理圖Fig.3 Experimental schematic diagram of NIMDO scheme based on BeiDou short message

3.2 實驗結果分析

為了評估基于北斗短報文通信的NIMDO方案的遠程時間溯源性能，利用北斗短報文通信，實施了參考端對客戶端的實時馴服實驗。

實驗中共記錄了6天的數(shù)據(jù)，北斗短報文通信數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收情況如表2所示，根據(jù)統(tǒng)計，在實驗過程中接收端存在丟包現(xiàn)象且丟失數(shù)據(jù)包的占比為2.47%。

表2 短報文通信數(shù)據(jù)記錄表Tab.2 Short message communication data log sheet

分別取得均位于昌平院區(qū)的參考端(站1)和客戶端(站2)的雙頻時頻傳遞數(shù)據(jù)中時差等信息并作差繪制出溯源時差曲線，如圖4所示。其中，時差均值為-1.1 ns，時差標準差為0.8 ns，相對頻率偏差為1.6×10-15。從圖4的結果中可以看出時差數(shù)據(jù)連續(xù)的現(xiàn)象，說明基于北斗短報文傳輸時頻數(shù)據(jù)能夠在短基線的條件下，滿足連續(xù)運行的穩(wěn)定性。分析時差曲線發(fā)現(xiàn)客戶端(站2)與參考端(站1)間的溯源偏差優(yōu)于±4 ns。

圖4 北斗短報文傳輸數(shù)據(jù)實驗時差結果Fig.4 Time difference results of BeiDou short message transmission data experiment

另選取位于中國計量科學研究院和平里院區(qū)的NIMDO(站4)與其參考站(站3，位于昌平院區(qū))的時差比對結果(MJD(modified julian date，約化儒略日)57230-MJD 59234)來進行驗證(北斗通信與網(wǎng)絡通信比較結果見圖5)。藍線為基于北斗短報文通信，客戶端(站2)與參考端(站1)的溯源時差曲線；橙線為基于網(wǎng)絡通信，客戶端(站4)與參考端(站3)的溯源時差曲線。其中，為了方便觀察不同站點間的溯源時差曲線，將圖中藍線(站1-站2)數(shù)據(jù)+5 ns，將橙線(站3-站4)數(shù)據(jù)-5 ns。站1與站2的時差均值為-1.1 ns，時差標準差為0.8 ns，相對頻率偏差為1.6×10-15；站3與站4的時差均值為-0.1 ns，時差標準差為2.1 ns，相對頻率偏差為-7.2×10-16?？梢钥闯?兩者曲線的時差均值相近，且北斗通信溯源時差曲線的標準差更小。

圖5 北斗通信與網(wǎng)絡通信比較結果Fig.5 Comparison results of BeiDou communication and network communication

時差的不確定度u計算如式(4)：

(4)

式中：uA根據(jù)直接計算共鐘標準差的結果得到，由于北斗短報文通信實驗和網(wǎng)絡通信實驗中用到的數(shù)據(jù)均是GPS雙頻時頻傳遞數(shù)據(jù)，故uA1=uA2=0.7 ns;UB是所有不確定度來源的不確定度，由經驗值可得uB=3.5 ns。根據(jù)計算可得u1=u2=3.6 ns。

4 結 論

為了提供一種更可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段，提出了一種基于北斗短報文通信的NIMDO方案，并設計了一套使用更可靠通信的遠程時間溯源實驗裝置，利用北斗短報文通信，實施了參考端對客戶端的實時馴服實驗，實現(xiàn)了基于北斗短報文通信的NIMDO方案并進行了性能驗證。實驗結果表明：在短基線條件下，基于北斗短報文通信的NIMDO方案實現(xiàn)了遠程時間精確溯源，客戶端與參考端間的溯源偏差優(yōu)于±4 ns，溯源偏差的不確定度為3.6 ns。