戎 強(qiáng)，尹繼凱，王 彬

北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)研究

戎 強(qiáng)，尹繼凱，王 彬

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

針對日益增長的北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定需求，在建立北斗授時鏈路時間傳遞模型的基礎(chǔ)上，深入研究了5種北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定原理及其優(yōu)勢和不足，并利用不同型號北斗授時時統(tǒng)開展了零值標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，5種零值標(biāo)定技術(shù)可分別實(shí)現(xiàn)不超過0.1 ns、0.9 ns、1.5 ns、2.0 ns、2.8 ns的零值標(biāo)定，分別適用于少量超高精度標(biāo)定、小批量較高精度標(biāo)定、大批量自動化標(biāo)定、日常巡檢標(biāo)定、快捷粗略標(biāo)定等不同類型的北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定應(yīng)用場合，具有良好的工程應(yīng)用價值。

北斗授時；時統(tǒng)；零值標(biāo)定；組合零值；時間鏈路

0 引言

隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，北斗衛(wèi)星信號已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，大量的北斗授時時統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)、大眾生活等諸多領(lǐng)域，未來海量的北斗授時時統(tǒng)將投入市場，而北斗授時時統(tǒng)設(shè)備的零值標(biāo)定精度直接影響著北斗授時服務(wù)的精度[1]，所以有必要深入研究北斗授時時統(tǒng)的零值標(biāo)定技術(shù)，以推進(jìn)大量已部署北斗授時時統(tǒng)巡檢標(biāo)定服務(wù)的完善升級和海量新增北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。

對北斗授時時統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)授時時統(tǒng)輸出的定時信號與國家標(biāo)準(zhǔn)時間的高精度同步，當(dāng)前，國際通用的標(biāo)準(zhǔn)時間為協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC），我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生維持的本地時間通過高精度時間比對鏈路間接溯源到了UTC[2]，因此可以通過測量對應(yīng)鏈路的時延值實(shí)現(xiàn)對北斗授時時統(tǒng)的零值標(biāo)定，從而保證北斗授時時統(tǒng)定時信號的準(zhǔn)確性。當(dāng)前，存在大量針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的綜合性能測試技術(shù)[3-5]的研究和單項(xiàng)指標(biāo)測試技術(shù)[6-8]的研究，包括通道時延標(biāo)定[9-11]、特定鏈路的零值標(biāo)定[12,13]、導(dǎo)航接收機(jī)授時精度測試[14,15]以及針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的微波暗室自動測試[16-19]等技術(shù)的研究，但尚未見到針對北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的較為體系化的研究，針對當(dāng)前存在的多種不同類型的零值標(biāo)定需求，本文開展了北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的深入研究，并進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 北斗授時鏈路時間傳遞模型

研究北斗授時鏈路時間傳遞模型的目的是通過分析北斗授時鏈路的時間傳遞過程[20]，研究影響時間傳遞精度的關(guān)鍵因素，進(jìn)而設(shè)計有效可行的零值標(biāo)定方案。北斗授時鏈路的時間傳遞模型主要包括溯源鏈路、站間鏈路、星地鏈路、下行時統(tǒng)鏈路，北斗授時鏈路時間傳遞模型如圖1所示。

圖1 北斗授時鏈路時間傳遞模型

2 北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)

針對北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)中存在的少量超高精度零值標(biāo)定、小批量較高精度零值標(biāo)定、大批量自動化零值標(biāo)定、已部署時統(tǒng)日常巡檢、部分時統(tǒng)快捷粗略標(biāo)定等多種不同類型的標(biāo)定需求，基于全鏈路組合零值等于相互獨(dú)立的各分段零值代數(shù)和的原理，北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)可劃分為UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)和時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)。

2.1 零值標(biāo)定技術(shù)基本原理

2.1.1 UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)

圖2 UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)原理圖

由式（1）～式（3）聯(lián)立，得到北斗授時時統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.2 遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)

圖3 遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)原理圖

由式（1）、式（2）和式（5）聯(lián)立，得到北斗授時時統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.3 測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)

圖4 測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)原理圖

圖4中時間間隔計數(shù)器的時差測量值可表示為：

在式（8）成立的前提下，測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)與UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測試原理類似。由式（1）、式（2）、式（7）和式（8）聯(lián)立，可得到北斗授時時統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.4 檢測儀標(biāo)定技術(shù)

圖5 檢測儀標(biāo)定技術(shù)原理圖

圖5中，時間間隔計數(shù)器的測量值可表示為：

在式（11）成立的前提下，檢測儀標(biāo)定技術(shù)與UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測試原理類似。式（1）、式（2）、式（10）和式（11）聯(lián)立，可得到北斗授時時統(tǒng)的零值調(diào)整量為：

2.1.5 時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)

時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)是利用零值經(jīng)過精密標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)時統(tǒng)作為參考，通過接收空間導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號，對被測北斗授時時統(tǒng)進(jìn)行對比測試的零值標(biāo)定技術(shù)，其基本原理如圖6所示。

圖6 時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)原理圖

2.2 各零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足

所述5種北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)分別具有各自的優(yōu)勢和不足，如表1所示。

表1 零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足

3 驗(yàn)證與分析

實(shí)驗(yàn)由6臺不同廠家研制的北斗授時時統(tǒng)，分別采用所述的五種不同的零值標(biāo)定技術(shù)對它們進(jìn)行零值標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)對北斗授時時統(tǒng)的零值標(biāo)定是直接在UTC中心完成的，而對北斗授時時統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)北斗授時時統(tǒng)輸出的定時信號與UTC中心定時信號的高精度同步，所以該技術(shù)是最高精度的零值標(biāo)定技術(shù)，其零值標(biāo)定誤差的主要來源為標(biāo)定設(shè)備引入的測量誤差，這里取UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定誤差不超過0.1 ns；為了評估遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)、時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)等其它4種技術(shù)的標(biāo)定精度，將其它4種標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定結(jié)果與UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定結(jié)果作差，并求取各標(biāo)定技術(shù)的零值偏差均值，進(jìn)而評估各標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度，零值數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示。

表2 零值標(biāo)定結(jié)果（單位：ns）

表3 零值數(shù)據(jù)處理結(jié)果（單位：ns）

可見，所述5種零值標(biāo)定技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)對北斗授時時統(tǒng)的零值標(biāo)定，但各標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度存在一定的不同，結(jié)合各零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢與不足，具體分析結(jié)果如下：

1）UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定精度最高，其零值標(biāo)定誤差在0.1 ns以內(nèi)，可滿足少量高精度零值標(biāo)定用戶的零值標(biāo)定需求，但難以支撐大批量的時統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，不支持對已部署北斗授時時統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

2）遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較高精度的零值標(biāo)定，其零值標(biāo)定偏差的均值在0.9 ns以內(nèi)，相對于構(gòu)建遠(yuǎn)程時間比對鏈路所產(chǎn)生的UTC標(biāo)準(zhǔn)信號的大范圍拓展，引入不超過0.9 ns的零值偏差是可以接受的；該技術(shù)可滿足小批量較高精度零值標(biāo)定用戶的標(biāo)定需求，但難以支持大批量時統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，不支持對已部署北斗授時時統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

3）測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差的均值在1.5 ns以內(nèi)，對于標(biāo)準(zhǔn)化測試流程產(chǎn)生的批量化標(biāo)定優(yōu)勢，引入不超過1.5 ns的零值偏差是可以接受的；該技術(shù)可支撐大批量的時統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)，但不支持對已部署北斗授時時統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。

4）檢測儀標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差的均值在2.0 ns以內(nèi)，其便捷的日常巡檢標(biāo)定能力可有效支撐大量已經(jīng)部署的北斗授時時統(tǒng)的抵近式零值巡檢。

5）時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差均值在2.8 ns以內(nèi)，對于授時需求在6 ns以內(nèi)的高精度授時應(yīng)用其零值標(biāo)定精度略顯不足，但作為最快捷、最容易實(shí)現(xiàn)的零值標(biāo)定技術(shù)，該技術(shù)在北斗授時時統(tǒng)零值的粗略標(biāo)定和定性測試中依然具有重要的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

在對北斗授時時間傳遞鏈路進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，對北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并利用6種不同廠家的北斗授時時統(tǒng)開展了針對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明：UTC時標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測儀標(biāo)定技術(shù)、時統(tǒng)比對標(biāo)定技術(shù)分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用性，可分別滿足少量用戶的超高精度零值標(biāo)定、小批量用戶的較高精度零值標(biāo)定、大批量用戶的較高精度的自動化零值標(biāo)定、已部署用戶的一定精度的日常巡檢零值標(biāo)定需求以及絕大多數(shù)用戶的快捷粗略標(biāo)定需求。所述的五種標(biāo)定技術(shù)在工程上已經(jīng)被部分采用，獲得了良好的效果，對于各類北斗授時時統(tǒng)零值標(biāo)定系統(tǒng)和裝備的研制具有一定的參考價值。

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Study on Zero-Value Calibration Technology of Beidou Timing System

RONG Qiang, YIN Jikai, WANG Bin

In order to meet the growing demand for zero-value calibration of Beidou timing system, based on the establishment of Beidou timing link model, the testing mechanism, advantages and disadvantages of five Beidou timing system zero-value calibration technologies are analyzed in depth, and the zero-value calibration experiments are carried out using different Beidou timing systems. The results show that the five zero-value calibration technologies can achieve zero-value calibration of no more than 0.1 ns, 0.9 ns, 1.5 ns, 2.0 ns, 2.8 ns, respectively. They are suitable for different types of zero-value calibration applications such as small quantities of ultra-high precision calibration, small quantities of high accuracy calibration, large quantities of automated calibration, daily patrol calibration, fast and rough calibration, and have good engineering application value.

Beidou Timing; Timing System; Zero-Value Calibration; Combined Zero-Value; Time Link

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-05-313-06

2022-05-05。戎強(qiáng)（1980.02—），河北石家莊人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闀r間頻率系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航與授時。