張向波，胡永輝，王如龍，武建鋒，何在民，趙當(dāng)麗

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心/時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710600；

GNSS定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)制定中相關(guān)問題探討及說明

張向波1，胡永輝1，王如龍2，武建鋒1，何在民1，趙當(dāng)麗1

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心/時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710600；

2.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航工程中心，北京100094)

摘要：規(guī)范GNSS定時(shí)單元的性能要求及測(cè)試方法，對(duì)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)GNSS定時(shí)單元的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用，推動(dòng)BDS導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。針對(duì)編制BDS專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》(征求意見稿)，介紹了編制的目的、原則、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容及確定依據(jù)，并就定時(shí)模式、定時(shí)精度及定時(shí)精度的測(cè)試方法等問題進(jìn)行探討并說明，指出BDS專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》(征求意見稿)的編制充分參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)定時(shí)型設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，力求與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)既保持一致又有所創(chuàng)新，為BDS的國(guó)際化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：BDS；定時(shí)單元；定時(shí)精度；定時(shí)模式；測(cè)試方法

0引言

時(shí)間作為基本物理量，已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的基本要素。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時(shí)在各國(guó)軍事和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用越來越重要。要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星授時(shí)，用戶需要GNSS定時(shí)校頻接收機(jī)(終端設(shè)備)接收衛(wèi)星信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的同步(定時(shí))和校準(zhǔn)本地頻率信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的偏差(校頻)[1]。目前，在涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的國(guó)防、通信、電力、交通、計(jì)算機(jī)和金融網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，大量使用美國(guó)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定時(shí)產(chǎn)品，已發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也主要為GPS的導(dǎo)航、定時(shí)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，涉及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)[2]的標(biāo)準(zhǔn)很少。過分地依賴美國(guó)GPS，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)造成了極大的潛在威脅。BDS是我國(guó)自主建設(shè)運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已于2012年正式提供服務(wù)，所以制定BDS在導(dǎo)航定位和定時(shí)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或?qū)ｍ?xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，使BDS授時(shí)應(yīng)用市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于增強(qiáng)BDS技術(shù)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要作用。

為了規(guī)范GNSS定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法，指導(dǎo)國(guó)內(nèi)GNSS定時(shí)單元的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用，為GNSS定時(shí)單元產(chǎn)品的性能測(cè)試提供依據(jù)，推動(dòng)BDS導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，由全國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)根據(jù)“中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”(以下簡(jiǎn)稱“專項(xiàng)”)下的BDS應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的工作安排，提出制定《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》，由全國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。本文介紹了編制北斗專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》(征求意見稿)的目的、原則、主要內(nèi)容及確定依據(jù)，對(duì)經(jīng)過多次討論、修改確定后的定時(shí)模式、定時(shí)精度及定時(shí)精度的測(cè)試方法等問題進(jìn)行說明，指出《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》(征求意見稿)的編制充分參考了國(guó)、內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，力求與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)既保持一致又有所創(chuàng)新，為BDS的國(guó)際化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1標(biāo)準(zhǔn)制定的原則、主要內(nèi)容及確定依據(jù)

1.1編制原則

標(biāo)準(zhǔn)按照文獻(xiàn)[3]給出的規(guī)則編制，在編制過程中充分調(diào)研了現(xiàn)行國(guó)際和國(guó)內(nèi)定時(shí)型接收設(shè)備[4]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合目前市場(chǎng)上關(guān)于授時(shí)、定時(shí)型設(shè)備[5]的研制技術(shù)指標(biāo)，確定了GNSS定時(shí)單元的術(shù)語、組成、功能、性能指標(biāo)和測(cè)試方法等內(nèi)容。對(duì)目前授時(shí)、定時(shí)領(lǐng)域中廣泛使用的“GNSS定時(shí)”、“定時(shí)精度”、“定時(shí)模式”“首次定時(shí)時(shí)間”等術(shù)語進(jìn)行了定義與規(guī)范，同時(shí)在相應(yīng)性能指標(biāo)的測(cè)試方法上力求與最新的國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保持一致又有所創(chuàng)新，使內(nèi)容既有一定先進(jìn)性，又技術(shù)成熟，具有規(guī)范性。同時(shí)，力求使本標(biāo)準(zhǔn)中的功能、性能指標(biāo)和測(cè)試方法能夠滿足研制方、生產(chǎn)方、使用方及其他相關(guān)方的要求，制定出能為各方接受和采用的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容和確定依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了GNSS定時(shí)單元組成、功能要求、性能指標(biāo)、輸入輸出接口、環(huán)境適應(yīng)性以及各性能指標(biāo)的測(cè)試方法等內(nèi)容，適用于GNSS定時(shí)單元的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用。

首先標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了GNSS定時(shí)單元由GNSS接收天線和GNSS定時(shí)處理單元組成。GNSS定時(shí)單元通過天線接收GNSS公開服務(wù)信號(hào)，其中BDS為必選信號(hào)，進(jìn)行捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)與解算處理，實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，根據(jù)默認(rèn)設(shè)置或交互指令輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)、時(shí)碼信息、數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息，清晰描述了定時(shí)單元的數(shù)據(jù)處理過程、輸出數(shù)據(jù)信息和信號(hào)等。其次規(guī)定定時(shí)單元應(yīng)包括的定時(shí)模式、參數(shù)設(shè)置、時(shí)間系統(tǒng)選擇、天線開路、短路保護(hù)和數(shù)據(jù)輸出等功能，給出了接收靈敏度、首次定位時(shí)間、首次定時(shí)時(shí)間、重捕獲時(shí)間、定位精度、定時(shí)精度以及頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度[6-7]等性能指標(biāo)。最后在測(cè)試方法部分規(guī)定測(cè)試所需的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試信號(hào)以及針對(duì)各功能和性能指標(biāo)具體采用的測(cè)試方法，其中捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、首次定位時(shí)間、失鎖重捕時(shí)間、定位精度的測(cè)試方法與本批其他專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法協(xié)調(diào)一致；同時(shí)以定時(shí)精度、定時(shí)抖動(dòng)、頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的測(cè)試方法作為規(guī)范，為其他標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1.3主要性能指標(biāo)

1)接收靈敏度。

捕獲靈敏度應(yīng)優(yōu)于-130 dBm，失鎖重捕靈敏度應(yīng)優(yōu)于-135 dBm，跟蹤靈敏度應(yīng)優(yōu)于-140 dBm。

2)首次定位時(shí)間。

冷啟動(dòng)時(shí)應(yīng)不超過60 s，熱啟動(dòng)時(shí)應(yīng)不超過5 s。

3)定位精度。

在位置精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)≤6時(shí)，水平定位精度優(yōu)于10 m (95%置信度)，垂直定位精度優(yōu)于15 m (95%置信度)。

標(biāo)準(zhǔn)制定中，起初針對(duì)接收靈敏度這一指標(biāo)的確定出現(xiàn)了不同意見，指出所確定的靈敏度指標(biāo)較陳舊，遠(yuǎn)差于現(xiàn)行的GNSS信號(hào)接收機(jī)，和最新技術(shù)不吻合。但是考慮到標(biāo)準(zhǔn)為BDS民用標(biāo)準(zhǔn)，目的是為規(guī)范GNSS定時(shí)單元的性能要求及測(cè)試方法，指導(dǎo)國(guó)內(nèi)定時(shí)單元的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用，推動(dòng)BDS產(chǎn)業(yè)發(fā)展，所以接收靈敏度等性能指標(biāo)既不能太高又不能太低，要考慮各方需求。以上性能指標(biāo)及其測(cè)試方法都是在科研、生產(chǎn)單位討論并經(jīng)過評(píng)審后確定的，與其他同批標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了協(xié)調(diào)一致，使本批標(biāo)準(zhǔn)的制定更統(tǒng)一并具規(guī)范性。

2關(guān)于GNSS定時(shí)單元的問題說明

對(duì)于GNSS定時(shí)單元來說，定時(shí)模式、首次定時(shí)時(shí)間和定時(shí)精度這幾個(gè)性能指標(biāo)及其測(cè)試方法有其獨(dú)特性，不同于導(dǎo)航單元中常見的性能指標(biāo)，其他標(biāo)準(zhǔn)凡是涉及到定時(shí)的，可參照本標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，以協(xié)調(diào)一致；同時(shí)“定時(shí)”的性能指標(biāo)又是和“導(dǎo)航”的性能指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，所以在此對(duì)以上3個(gè)性能指標(biāo)及其測(cè)試方法加以說明。

2.1定時(shí)模式

GNSS定時(shí)單元應(yīng)具備“位置保持”和“自主定位”2種定時(shí)模式。

衛(wèi)星單向授時(shí)時(shí)，“位置保持模式”即指通過設(shè)置GNSS接收機(jī)天線的精確坐標(biāo)使用戶位置已知，這時(shí)接收機(jī)只需要接收1顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)就可獲得定時(shí)信息；“自主定位模式”即指用戶位置未知，接收機(jī)需要接收至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)才能自主解算獲得定位和定時(shí)信息。

要獲取定時(shí)信息，首先需要定位，然后通過偽距測(cè)量得到時(shí)延后才能獲取定時(shí)信息；所以這里要強(qiáng)調(diào)的是沒有“自主定時(shí)模式”這種說法。

對(duì)于位置保持模式這一功能的測(cè)試，可采用實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試：設(shè)置被測(cè)定時(shí)單元接收天線的精確坐標(biāo)，然后查看定時(shí)單元是否能正確輸出定時(shí)信息；對(duì)于自主定位模式這一功能的測(cè)試，也可用實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)定時(shí)單元接收不少于4顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，自主定位后查看定時(shí)單元是否能正確輸出定位和定時(shí)信息。

2.2首次定時(shí)時(shí)間

首次定時(shí)時(shí)間分為熱啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間和冷啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間。冷啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間定義為在輸入衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)功率電平為-130 dBm時(shí)，定時(shí)單元在概略位置、概略時(shí)間、星歷和歷書未知的狀態(tài)下開機(jī)，到首次能夠在其后10 s連續(xù)輸出3維定位誤差小于300 ns的定位數(shù)據(jù)，所需時(shí)間應(yīng)不超過100 s；熱啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間定義為在輸入衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)功率電平為-130 dBm時(shí)，定時(shí)單元在概略位置、概略時(shí)間、星歷和歷書已知的狀態(tài)下開機(jī)，到首次能夠在其后10 s連續(xù)輸出3維定位誤差小于300 ns的定位數(shù)據(jù)，所需時(shí)間應(yīng)不超過15 s。

首先要說明的是首次定時(shí)時(shí)間與首次定位時(shí)間是2個(gè)概念：對(duì)于導(dǎo)航定位，關(guān)心的是首次定位時(shí)間；但是對(duì)于定時(shí)，必須先利用偽距進(jìn)行定位，關(guān)心的是首次定時(shí)時(shí)間。對(duì)于首次定時(shí)時(shí)間的規(guī)定是采用將定位誤差歸算到定時(shí)所對(duì)應(yīng)的誤差，例如“3維定位誤差100 m”對(duì)應(yīng)定時(shí)為“3維定位誤差300 ns”。然后根據(jù)大多數(shù)生產(chǎn)廠商給出的冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間和熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間，確定冷啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間(100 s)和熱啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間(15 s)；但是較首次定位時(shí)間的限值(冷啟120 s，熱啟30 s)更為嚴(yán)格。

其次對(duì)于首次定時(shí)時(shí)間的測(cè)試，我們規(guī)定用模擬器進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于冷啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間，使被測(cè)定時(shí)單元獲得冷啟動(dòng)狀態(tài)，然后以1 Hz的位置更新率連續(xù)記錄輸出的定位數(shù)據(jù)，找出首次連續(xù)10次輸出3維定位誤差不超過300 ns的定位數(shù)據(jù)的時(shí)刻，計(jì)算從開機(jī)到上述10個(gè)輸出時(shí)刻中第1個(gè)時(shí)刻的時(shí)間間隔，應(yīng)符合要求；對(duì)于熱啟動(dòng)首次定時(shí)時(shí)間，在被測(cè)定時(shí)單元正常定位狀態(tài)下，短時(shí)斷電60 s后，被測(cè)定時(shí)單元重新開機(jī)，以1 Hz的位置更新率連續(xù)記錄輸出的定位數(shù)據(jù)，找出首次連續(xù)10次輸出3維定位誤差不超過300 ns的定位數(shù)據(jù)的時(shí)刻，計(jì)算從開機(jī)到上述10個(gè)輸出時(shí)刻中第1個(gè)時(shí)刻的時(shí)間間隔，應(yīng)符合要求。

2.3定時(shí)精度

定時(shí)單元具備時(shí)間系統(tǒng)選擇功能，即可以選擇設(shè)置提供協(xié)調(diào)世界時(shí)(universal time coordinated，UTC)輸出的功能，即國(guó)際UTC；或系統(tǒng)時(shí)間[8]輸出功能，即GNSS建立和保持的時(shí)間，如GPS系統(tǒng)時(shí)間(GPS time，GPST)、北斗時(shí)(BDS time，BDT)等。而各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間又通過UTC(k)與國(guó)際UTC建立聯(lián)系，各國(guó)保持的地方協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(k)和國(guó)際UTC之間存在偏差，所以定時(shí)單元的定時(shí)精度就應(yīng)分為“相對(duì)于UTC定時(shí)精度”和“相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)精度”。標(biāo)準(zhǔn)確定定時(shí)精度指標(biāo)時(shí)，在征求各科研和生產(chǎn)廠家意見的同時(shí)，考慮到BDT和UTC的偏差在100 ns以內(nèi)，所規(guī)定的具體指標(biāo)如下：

1)相對(duì)于UTC定時(shí)精度:

①位置保持模式≤150 ns；

②自主定位模式≤250 ns。

2)相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)精度:

①位置保持模式≤50 ns；

②自主定位模式≤100 ns。

對(duì)于“定時(shí)精度”的測(cè)試，分為相對(duì)于UTC定時(shí)精度和相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間的定時(shí)精度。具體測(cè)試分為直接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試、間接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試和比較法測(cè)試3種方法。

2.3.1相對(duì)于UTC定時(shí)精度

1)可直接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試。

當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可直接獲取UTC信號(hào)時(shí)，測(cè)試采用時(shí)刻比對(duì)分析法，設(shè)備連接如圖1所示，該方法主要以均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為測(cè)量依據(jù)。

①測(cè)試步驟：

a)按圖1所示連接設(shè)備；

b)按要求預(yù)熱被測(cè)定時(shí)單元；

c)按要求設(shè)置被測(cè)定時(shí)單元的工作模式，輸入其內(nèi)部時(shí)延，對(duì)工作在位置保持模式下的定時(shí)單元，還應(yīng)輸入其天線坐標(biāo)，天線坐標(biāo)的誤差不大于0.1 m；

d)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率源輸出的秒脈沖與被測(cè)定時(shí)單元輸出的秒脈沖之間的時(shí)差Δi， 每1 s測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量24 h，記錄測(cè)量值。

圖1　可直接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試設(shè)備連接圖

②數(shù)據(jù)處理：

a) 按公式(1)計(jì)算平均值

(1)

b)按公式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差

(2)

式中SΔ為定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為ns。

c)按式(3)計(jì)算定時(shí)總偏差

(3)

2)間接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試。

當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)不能直接獲取UTC信號(hào)時(shí)，由于沒有可用的UTC信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)，所以需要建立與UTC或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的溯源鏈路，通過溯源和比對(duì)[9-10]確定本地標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率源與UTC或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差信息和頻差信息，然后按照?qǐng)D2所示連接設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。溯源系統(tǒng)最好采用已經(jīng)標(biāo)校過的溯源系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)處理中考慮溯源系統(tǒng)不確定度的影響。測(cè)試方法與可直接獲取UTC信號(hào)的測(cè)試方法相同。

圖2　間接獲取UTC信號(hào)的3測(cè)試設(shè)備連接圖

3)比較法測(cè)試。

當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)通過直接或間接都無法獲取UTC信號(hào)時(shí)，可采用比較法。比較法測(cè)試的條件是需要1臺(tái)經(jīng)過測(cè)試標(biāo)定過的定時(shí)接收機(jī)，其測(cè)試設(shè)備連接如圖3所示。

①測(cè)試步驟：

a)按圖3所示連接設(shè)備；

b)按要求預(yù)熱被測(cè)定時(shí)單元；

c)測(cè)量已經(jīng)標(biāo)定過的定時(shí)單元的1 個(gè)秒脈沖信號(hào)與被測(cè)定時(shí)單元的1 個(gè)秒脈沖信號(hào)之間的時(shí)差Δi， 每1 s測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量24 h，記錄測(cè)量值。

圖3　比較法測(cè)試設(shè)備連接圖

②數(shù)據(jù)處理：

a) 按式(4)計(jì)算平均值

(4)

式中：Δts為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率源時(shí)間與UTC時(shí)間的偏差，單位為ns；τ4為被標(biāo)定定時(shí)單元1個(gè)秒脈沖輸出電纜時(shí)延，單位為ns。

b)按公式(5)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差

(5)

c) 按公式(3)計(jì)算定時(shí)總偏差Bγ。

2.3.2相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)精度

相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)精度的測(cè)試與相對(duì)于UTC定時(shí)精度的測(cè)試類似，也分為直接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試、間接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試和比較法測(cè)試3種方法。

1)可直接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試。

當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可直接獲取系統(tǒng)時(shí)間時(shí)，其測(cè)試方法、測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理與相對(duì)于UTC定時(shí)精度的測(cè)試方法、測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理相同，測(cè)試設(shè)備連接如圖4所示。

圖4　可直接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試設(shè)備連接圖

①測(cè)試步驟：

a)按圖4所示連接設(shè)備；

b)按要求預(yù)熱被測(cè)定時(shí)單元；

c)按要求設(shè)置被測(cè)定時(shí)單元的工作模式，輸入其內(nèi)部時(shí)延，對(duì)工作在位置保持模式下的定時(shí)單元，還應(yīng)輸入其天線坐標(biāo)，天線坐標(biāo)的誤差不大于0.1 m；

d)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率源輸出的秒脈沖與被測(cè)定時(shí)單元輸出的秒脈沖之間的時(shí)差Δi。 每1s測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量24 h，記錄測(cè)量值。

②數(shù)據(jù)處理：

a)按類似式(1)計(jì)算平均值；

b)按類似式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差；

c)按類似式(3)計(jì)算定時(shí)總偏差Bγ。

2)間接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試。

在不能直接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的情況下，由于沒有可用的系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，所以需要建立與系統(tǒng)時(shí)間的溯源鏈路，通過溯源和比對(duì)確定本地標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率源與系統(tǒng)時(shí)間的鐘差信息和頻差信息；然后按照?qǐng)D5所示連接設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法與可直接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試方法相同。

溯源系統(tǒng)最好采用已經(jīng)標(biāo)校過的溯源系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)處理中考慮溯源系統(tǒng)不確定度的影響。

圖5　間接獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的測(cè)試設(shè)備連接圖

3)比較法測(cè)試。

通過直接或間接都無法獲取系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)的情況下，可采用比較法。比較法測(cè)試的條件是需要1臺(tái)經(jīng)過測(cè)試標(biāo)定過的定時(shí)接收機(jī)，其測(cè)試設(shè)備連接圖如圖3所示；測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理與相對(duì)于UTC的定時(shí)精度采用的比較法測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理相同。

2.4頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度

頻率穩(wěn)定度描述頻率源輸出頻率的隨機(jī)起伏程度。時(shí)域表征量為在某一時(shí)間間隔(采樣時(shí)間)內(nèi)平均頻率的雙取樣方差(阿倫方差)平方根值[11]。頻率穩(wěn)定度有短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度之分，1 s穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于5×10-9，10 s穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于1×10-9，100 s穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于5×10-10，10 000 s穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于5×10-12，1 d穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于1×10-12。測(cè)量頻率穩(wěn)定度的方法有直接測(cè)頻法、變頻測(cè)頻法、頻差倍增測(cè)頻法、比相法、比時(shí)法等，這里我們選用最常用的方法，即直接測(cè)頻法和比相法。采樣時(shí)間1 s、10 s、100 s和10 000 s的頻率穩(wěn)定度的測(cè)試采用直接測(cè)頻法和比相法，1 d的頻率穩(wěn)定度的測(cè)試采用比相法。

頻率準(zhǔn)確度描述的是頻率源實(shí)際輸出的頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對(duì)變化量，即相對(duì)偏差。頻率準(zhǔn)確度在取樣時(shí)間為24 h時(shí)，應(yīng)優(yōu)于1×10-9。測(cè)量頻率準(zhǔn)確度的方法有直接測(cè)頻法、變頻測(cè)頻法、頻差倍增測(cè)頻法、比相法或校頻儀相位記錄法、比時(shí)法以及校頻儀測(cè)周法等，這里我們還是選用最常用的方法。測(cè)量中的采樣時(shí)間應(yīng)該等于或大于10 s，這里我們考慮到準(zhǔn)確性，采樣時(shí)間設(shè)為24 h。計(jì)算得到的頻率準(zhǔn)確度等于或高于日頻率漂移率或日頻率波動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果按比日頻率漂移或日頻率波動(dòng)低1個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)值給出，反之按計(jì)算結(jié)果給出；同時(shí)，頻率準(zhǔn)確度需要校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)頻率源日頻率漂移率和頻率漂移方向進(jìn)行，將被測(cè)頻率源相對(duì)于參考頻率源的頻率偏差，調(diào)到與其頻率漂移率相反方向并調(diào)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3結(jié)束語

本文主要介紹了北斗專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定時(shí)單元性能要求及測(cè)試方法》(征求意見稿)制定中的主要內(nèi)容及確定依據(jù)，對(duì)定時(shí)精度等相關(guān)問題從指標(biāo)的確定和測(cè)試方法等方面進(jìn)行了探討和說明，較全面地考慮了定時(shí)單元功能和性能指標(biāo)測(cè)試的獨(dú)特性，提出了具有針對(duì)性的測(cè)試方法，對(duì)GNSS定時(shí)單元的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用具有參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]童寶潤(rùn).時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003：150-151.

[2]中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)(2.0 版)[EB/OL].(2013-12-27)[2015-04-23].http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/2013122604a521b35b7f4a54b44cfbbc8abd74a8.pdf.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則：第1部分：GB/T 1.1—2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：3.

[4]中國(guó)人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.GPS授時(shí)型接收設(shè)備通用規(guī)范：SJ/T 11423—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：3.

[5]中國(guó)人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.GPS定時(shí)接收設(shè)備通用規(guī)范：SJ 20726—1999[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：3.

[6]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).頻率長(zhǎng)期特性測(cè)量方法：GJB 2762—1996[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1996：3.

[7]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).全球定位系統(tǒng)(GPS)時(shí)間頻率接收機(jī)檢定規(guī)程：GJB 3073—1997[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997：3.

[8]吳海濤，盧曉春，楊旭海，等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2011：67-73.

[9]楊旭海.GPS共視時(shí)間頻率傳遞應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2003：48-50.

[10]李志剛，李煥信，張虹.衛(wèi)星雙向法時(shí)間比對(duì)的歸算[J].天文學(xué)報(bào)，2002，43(4)：422-431.

[11]《計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)》編輯委員會(huì).計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)第11卷：時(shí)間頻率[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996：35.

Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS

ZHANG Xiangbo1，HU Yonghui1，WANG Rulong2，WU Jianfeng1，HE Zaimin1，ZHAO Dangli1

(1.National Time Service Center，Chinese Academy of Science/Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，Chinese Academy of Science，Xi’an 710600，China；2.China Satellite Navigation Engineering Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Standardization of performance requirements and test methods of GNSS timing unit is not important for only very guiding domestic development，production，testing and application of timing unit，but also for promoting the development of BDS satellite navigation industry.As for working out of BDS special standard "Performance requirements and test methods for GNSS timing unit"，this paper mainly introduced the aim，principle and the main contents of the standard，and determining the basis for the main content was also included.Additionally，timing mode，timing accuracy and test methods were discussed as well.It pointed out that this specification had fully referenced to the relevant standard of timing equipment at home and abroad，and strived to be consistent with both domestic and international standards with innovation，laying the foundation for an international application.

Keywords：BDS specialization；timing unit；timing accuracy；timing mode；test methods

收稿日期：2015-09-15

基金項(xiàng)目：裝備技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(ZKGSZ20151JL04)。

第一作者簡(jiǎn)介：張向波(1985—)，男，陜西西安人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程高精度時(shí)間頻率傳遞技術(shù)。

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)02-0015-06

引文格式：張向波，胡永輝，王如龍，等.GNSS定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)制定中相關(guān)問題探討及說明[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(2)：15-20.(ZHANG Xiangbo，HU Yonghui，WANG Rulong，et al.Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：15-20.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160204.