王金華，劉魁星，韋欣榮

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

?

基于矩陣構(gòu)造的偽碼測(cè)距時(shí)標(biāo)偏差標(biāo)定方法

王金華1，劉魁星1，韋欣榮2

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

描述了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)站間時(shí)間同步和偽距時(shí)標(biāo)偏差的基本原理，分析比較了偽距時(shí)標(biāo)偏差對(duì)站間時(shí)間同步的影響，并給出具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距設(shè)備存在偽碼測(cè)距時(shí)標(biāo)偏差的問題，提出了一種新的基于矩陣構(gòu)造的偽距時(shí)標(biāo)偏差的標(biāo)定技術(shù)，設(shè)計(jì)了具體的有線測(cè)試環(huán)境，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了偽碼測(cè)距時(shí)刻標(biāo)定誤差的主要來源。將此方法用于站間雙向時(shí)間同步計(jì)算中，能有效地評(píng)估測(cè)距設(shè)備的偽碼測(cè)距時(shí)刻的準(zhǔn)確性，取得了很好的效果。

衛(wèi)星導(dǎo)航；站間時(shí)間同步；偽碼測(cè)距；時(shí)標(biāo)偏差

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可采用雙向無線電偽距時(shí)間同步法進(jìn)行各站之間時(shí)間同步，具有高精度和高可靠性的特點(diǎn)?；驹硎抢谜鹃g信號(hào)傳播路徑完全相同，二者鐘差即為所測(cè)量的偽距之差除以光速的基本原理。需要同步的各站間分別用本地時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)發(fā)射信號(hào)，各站接收對(duì)方的信號(hào)并進(jìn)行測(cè)距，完成與本地鐘之間的偽距測(cè)量，對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理即可以得到時(shí)間同步結(jié)果[1]。

偽碼測(cè)距時(shí)標(biāo)偏差指標(biāo)記的偽距測(cè)量時(shí)刻與真實(shí)的偽距測(cè)量時(shí)刻存在偏差，文獻(xiàn)[2-3]分析了偽距測(cè)量時(shí)刻偏差對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要影響，同樣，偽距測(cè)量時(shí)刻偏差也影響測(cè)距系統(tǒng)的基本性能[4]，導(dǎo)致定軌結(jié)果和導(dǎo)航衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果惡化，使含有時(shí)標(biāo)偏差的多個(gè)跟蹤弧段O-C曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，導(dǎo)致雙向時(shí)間同步結(jié)果出現(xiàn)周期性抖動(dòng)的現(xiàn)象[5]，這也使得每個(gè)含有時(shí)標(biāo)偏差弧段計(jì)算的鐘差擬合參數(shù)不能進(jìn)行跨弧段預(yù)報(bào)，從而影響時(shí)間同步結(jié)果的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)有效性。文獻(xiàn)[5]已經(jīng)從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的角度分析討論了時(shí)標(biāo)偏差對(duì)衛(wèi)星偽距測(cè)量的影響特性，并給出了利用偽距O-C(觀測(cè)值與計(jì)算值之差)進(jìn)行時(shí)標(biāo)偏差解算的計(jì)算模型[6]，但此模型需要具有高精度的衛(wèi)星軌道支持，只能在衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間進(jìn)行長期數(shù)據(jù)積累和計(jì)算，具有較長的滯后性。而測(cè)距設(shè)備作為導(dǎo)航原始測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)設(shè)備，在研制和開發(fā)期間需要事先對(duì)偽距測(cè)量時(shí)標(biāo)偏差大小進(jìn)行標(biāo)定。

本文基于前人的標(biāo)定基本原理，結(jié)合測(cè)距設(shè)備研制和開發(fā)的實(shí)際環(huán)境對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的基于矩陣構(gòu)造的偽距時(shí)標(biāo)偏差的標(biāo)定方法，給出未使用時(shí)刻標(biāo)定方法的站間時(shí)間同步結(jié)果和使用之后的對(duì)比圖，事實(shí)證明此方法切實(shí)有效。

1 偽碼測(cè)距時(shí)標(biāo)偏差對(duì)站間雙向時(shí)間同步 的影響

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各地面站時(shí)差測(cè)量與計(jì)算方法統(tǒng)稱為站間時(shí)間同步技術(shù)，是衛(wèi)星導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，站間時(shí)間同步誤差直接影響導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間同步精度，關(guān)系到用戶定位精度[7]。

站間時(shí)間同步一般采用雙向無線電偽距同步的方法[8]，兩站之間信號(hào)傳播路徑完全相同，兩站鐘差即為所測(cè)量的偽距之差除以光速C。需要同步的X，Y兩站同時(shí)發(fā)送頻率相同或相近的2路測(cè)距信號(hào)，X，Y兩站分別接收對(duì)方的測(cè)距信號(hào)并完成偽距測(cè)量。

設(shè)X站的鐘面時(shí)為tX，Y站的鐘面時(shí)為tY。兩站的鐘差為：

TXY=tX-tY。

(1)

兩站所測(cè)得的偽距測(cè)量值ρX，ρY為：

ρX=C(tX-R0X/C-ΔtXY)+CtXD。

(2)

ρY=C(tY-R0Y/C-ΔtXY)+CtYD。

(3)

式中，ΔtXY為X站與Y站之間的時(shí)刻差；CtXD為Y站至X站的傳播附加等效距離誤差；CtYD為X站至Y站的傳播附加等效距離誤差；R0X為X站收到信號(hào)的真空距離；R0Y為Y站收到信號(hào)的真空距離，故R0X與R0Y相等。

由于收發(fā)信號(hào)為同頻信號(hào)，故CtXD與CtYD相同，式(2)與式(3)相減有站間時(shí)間同步結(jié)果：

TXY=tX-tY=(ρY-ρX)/C。

(4)

式(4)成立有一個(gè)前提條件，即X站和Y站測(cè)得偽距測(cè)量值與其真正的測(cè)量時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，即所測(cè)得偽距打的時(shí)間標(biāo)記應(yīng)該與該時(shí)間的測(cè)量偽距值準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，否則會(huì)將時(shí)間錯(cuò)位的偽距值引入計(jì)算，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，在衛(wèi)星處于大動(dòng)態(tài)的情況下尤其明顯。在實(shí)際工程中，由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度影響或者偽距測(cè)距處理上的方法問題，往往會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，從而使得站間雙向時(shí)間同步精度的下降。文獻(xiàn)[9-11]提出通過對(duì)時(shí)間同步的鐘差以及其擬合殘差的特性分析來評(píng)估時(shí)間同步結(jié)果，某站間時(shí)間同步系統(tǒng)分別在不同偽距時(shí)刻偏差的情況下進(jìn)行時(shí)間同步，當(dāng)時(shí)刻偏差從200 ms增大到600 ms時(shí)，擬合出的鐘差直線更加彎曲，擬合殘差從1 ns左右增加到5 ns左右，時(shí)間同步結(jié)果越來越差。

2 時(shí)標(biāo)偏差標(biāo)定原理及方法

2.1 時(shí)標(biāo)偏差標(biāo)定原理

。

(5)

(6)

忽略二階項(xiàng)影響，假設(shè)時(shí)標(biāo)偏差不變的情況下有：

(7)

從而有

(8)

構(gòu)造矩陣，進(jìn)一步變形可得到：

(9)

2.2 時(shí)標(biāo)偏差標(biāo)定方法

根據(jù)矩陣構(gòu)造法的原理，用模擬衛(wèi)星信號(hào)源代替真實(shí)衛(wèi)星，通過有線方式與接收鏈路形成閉環(huán)的形式構(gòu)造測(cè)試環(huán)境，時(shí)刻標(biāo)定方法測(cè)試連接原理如圖1所示，測(cè)試時(shí)，模擬衛(wèi)星信號(hào)源發(fā)出固定速度和加速度的大動(dòng)態(tài)模擬衛(wèi)星測(cè)試信號(hào)，經(jīng)過長電纜接入接收鏈路，接收機(jī)接收測(cè)試信號(hào)并進(jìn)行測(cè)距，接收機(jī)和模擬衛(wèi)星信號(hào)源采用同一個(gè)原子鐘提供時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)接收機(jī)和模擬衛(wèi)星信號(hào)源工作，以滿足同源條件，所有計(jì)算機(jī)均需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步或者B碼時(shí)間同步，接收和存儲(chǔ)接收機(jī)產(chǎn)生的測(cè)量偽距數(shù)據(jù)和模擬衛(wèi)星信號(hào)源產(chǎn)生的星地距離理論仿真數(shù)據(jù)。采集到了足夠多的數(shù)據(jù)后，采用式(9)就可以計(jì)算出被測(cè)設(shè)備的時(shí)刻偏差。

圖1 時(shí)刻標(biāo)定方法原理

3 時(shí)刻偏差標(biāo)定結(jié)果

3.1 時(shí)刻標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述標(biāo)定原理和方法，對(duì)某型測(cè)距設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置模擬衛(wèi)星信號(hào)源仿真數(shù)據(jù)為初始距離20 000 km，初速度為900 m/s,加速度為-0.25 m/s2，得到測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不合格的時(shí)刻偏差測(cè)試結(jié)果

時(shí)刻偏差約為2.999 94 s。將此設(shè)備用于站間時(shí)間同步中，計(jì)算出的時(shí)間同步結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，此時(shí)鐘差曲線比較彎曲，擬合殘差已經(jīng)超過了10 ns，均無法滿足系統(tǒng)要求，需要改進(jìn)后方可接入系統(tǒng)使用。

圖3 時(shí)刻偏差不合格時(shí)站間時(shí)間同步及殘差結(jié)果

深入分析并解決測(cè)距設(shè)備的時(shí)刻偏差過大問題后，對(duì)其進(jìn)行重新測(cè)試，測(cè)試條件不變，得到時(shí)刻偏差標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，時(shí)刻偏差約為0.088 ms。將此設(shè)備用于站間時(shí)間同步中，計(jì)算出的時(shí)間同步結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，此時(shí)計(jì)算出的鐘差曲線已經(jīng)很平滑，擬合殘差最大約為2 ns，該結(jié)果能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)站間時(shí)間同步系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

圖4 設(shè)備改進(jìn)后合格的時(shí)刻偏差測(cè)試結(jié)果

圖5 時(shí)刻偏差合格時(shí)站間時(shí)間同步及殘差結(jié)果

由以上測(cè)試結(jié)果可知：此偽碼測(cè)距時(shí)刻偏差標(biāo)定方法能有效測(cè)出時(shí)刻偏差，通過精確評(píng)估的系統(tǒng)設(shè)備用于站間時(shí)間同步中能大幅度提高時(shí)間同步精度。

3.2 誤差分析

偽碼測(cè)距時(shí)刻標(biāo)定誤差的主要來源分為以下幾個(gè)方面：模擬衛(wèi)星信號(hào)源的仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)信號(hào)的誤差；系統(tǒng)采用時(shí)頻信號(hào)的相位一致性；記錄數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確性。下面分別進(jìn)行分析。

模擬衛(wèi)星信號(hào)源的仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)信號(hào)的誤差可通過對(duì)模擬衛(wèi)星信號(hào)源測(cè)試前標(biāo)定的方式來進(jìn)行控制，偏差一般可以控制在0.3 ns以內(nèi)，只要標(biāo)準(zhǔn)差控制在0.5 ns以內(nèi)，固定的系統(tǒng)差不會(huì)影響標(biāo)定的結(jié)果的正確性。

原子鐘輸出1 pps和10 MHz時(shí)頻信號(hào)的相位一致性會(huì)影響模擬衛(wèi)星信號(hào)源輸出信號(hào)攜帶偽碼相位和接收機(jī)測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要事先通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行標(biāo)定，一般控制在0.5 ns以內(nèi)不會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果。

記錄數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)時(shí)標(biāo)可通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間或者B碼進(jìn)行同步，同步精度控制在0.1 ms以內(nèi)不會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果。

通過以上技術(shù)處理，能控制偽碼測(cè)距時(shí)刻標(biāo)定的誤差，使得偽碼測(cè)距時(shí)刻標(biāo)定結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

針對(duì)偽碼測(cè)距時(shí)刻偏差，系統(tǒng)地研究了偽碼測(cè)距時(shí)刻偏差的標(biāo)定原理，提出了基于有線測(cè)試環(huán)境的矩陣構(gòu)造法對(duì)測(cè)距設(shè)備時(shí)刻偏差進(jìn)行標(biāo)定，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將此方法應(yīng)用于站間時(shí)間同步測(cè)距設(shè)備的研制和測(cè)試中，站間時(shí)間同步計(jì)算結(jié)果表明，此方法切實(shí)有效，能滿足實(shí)際工程的需要。同時(shí)也可用此方法對(duì)星地鏈路和星間鏈路測(cè)距設(shè)備的時(shí)刻偏差進(jìn)行標(biāo)定。

未來工作方面，將進(jìn)一步研究提高偽碼測(cè)距時(shí)刻標(biāo)定準(zhǔn)確度的方法；進(jìn)一步準(zhǔn)確計(jì)算在滿足時(shí)間同步精度條件下各種動(dòng)態(tài)衛(wèi)星能容忍的偽碼測(cè)距時(shí)刻偏差。

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王金華 男，(1977—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體技術(shù)。

劉魁星 男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)。

A Calibration Method of Pseudo Ranging Timescale Deviation Based on Matrix Construction

WANG Jin-hua1,LIU Kui-xing1,WEI Xin-rong2

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China； 2.BeijingSpaceVehicleOverallDesignDepartment,Beijing100094，China)

This paper describes the basic principles of TWSTT and pseudo ranging timescale deviation of satellite navigation systems,analyzes and compares the impact of pseudo ranging timescale deviation on TWSTT,and gives the test data.In view of pseudo ranging timescale deviation of ranging equipment of satellite navigation system,this paper proposes a new calibration technique of pseudo ranging timescale deviation based on matrix construction,designs the specific wired test environment,gives the experimental results,and analyzes the main sources of pseudo ranging timescale deviation error.Used for calculating the synchronization result on TWSTT,this method can effectively evaluate the accuracy of pseudo ranging moment of ranging equipment,and achieve good results.

satellite navigation;TWSTT;pseudo ranging;timescale deviation

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.12

王金華，劉魁星，韋欣榮.基于矩陣構(gòu)造的偽碼測(cè)距時(shí)標(biāo)偏差標(biāo)定方法[J].無線電工程,2016,46(12):47-50.

2016-08-22

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展基金資助項(xiàng)目(EX1501D0065)。

TN967.1

A

1003-3106(2016)12-0047-04