劉 婭，樊多盛，陳瑞瓊, 趙志雄，李孝輝

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 西安 710600; 2.中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710600; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

0 引言

時(shí)鐘同步網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)中最重要的支撐網(wǎng)絡(luò)之一，為通信網(wǎng)的數(shù)字設(shè)備提供高精度的定時(shí)基準(zhǔn)，保障通信網(wǎng)內(nèi)所有數(shù)字設(shè)備工作在相同的平均速率上，是所有通信設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，5G承載網(wǎng)在大帶寬、低時(shí)延、云化等需求驅(qū)動(dòng)下，對(duì)同步網(wǎng)的時(shí)間同步性能提出了更高的要求，同步精度需求可能從現(xiàn)網(wǎng)的微秒量級(jí)提升至30ns內(nèi)[1]。除通信領(lǐng)域外，高精度時(shí)間同步技術(shù)還為深空探測(cè)、精密導(dǎo)航定位、無(wú)人駕駛、室內(nèi)定位等多個(gè)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)支撐。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心建立并保持著我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)，該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過(guò)多種高精度、遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì)手段，與包括德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesan-stalt，PTB)在內(nèi)的多國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持比對(duì)，使UTC(NTSC)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)的時(shí)差保持在10ns內(nèi)。本文以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為參考，研究了一種低成本、適合大面積應(yīng)用、滿足納秒級(jí)時(shí)間同步需求的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)方法，支撐納秒級(jí)時(shí)間同步應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀分析

隨著北斗、Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，全球可用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)增加到4個(gè)，在軌運(yùn)行衛(wèi)星超過(guò)70顆，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性、可靠性有了顯著提升，催生了大量利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)時(shí)間同步的用戶。應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)授時(shí)接收機(jī)就可以將GNSS的系統(tǒng)時(shí)間溯源至UTC，為車載導(dǎo)航、通信基站等時(shí)間同步需求提供一種解決方案。

根據(jù)GNSS授時(shí)接收機(jī)可接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)載波頻率個(gè)數(shù)的差異，可將授時(shí)接收機(jī)分為單頻和雙頻接收機(jī)。單頻接收機(jī)通常是指僅能接收各導(dǎo)航系統(tǒng)1個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，與此對(duì)應(yīng)的雙頻接收機(jī)則指同時(shí)能接收2個(gè)甚至更多頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)。與單頻接收機(jī)相比，雙頻接收機(jī)能利用電離層延遲與載波頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)雙頻電離層改正將電離層延遲的影響降低到未修正前的10%以內(nèi)，這也是雙頻授時(shí)接收機(jī)能獲得更準(zhǔn)確授時(shí)信號(hào)的重要原因之一。

當(dāng)前主流型號(hào)單頻授時(shí)接收機(jī)的定時(shí)信號(hào)(不含天線和射頻的偏差)準(zhǔn)確度(accuracy)為20ns(1σ)。單頻授時(shí)接收機(jī)授時(shí)信號(hào)的準(zhǔn)確度受信號(hào)空間傳播時(shí)延誤差、天線和設(shè)備時(shí)延標(biāo)定誤差等影響，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差通常在幾百納秒甚至微秒量級(jí)，難以進(jìn)一步提高。盡管雙頻授時(shí)接收機(jī)定時(shí)信號(hào)(不含天線和射頻的偏差)的標(biāo)稱準(zhǔn)確度也為20ns(RMS)，但因內(nèi)置了更穩(wěn)定的頻率源和采取了更復(fù)雜的降噪措施，因此能輸出更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的授時(shí)信號(hào)，一般可滿足幾十納秒的時(shí)間同步需求。

衛(wèi)星共視接收機(jī)是在GNSS授時(shí)接收機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，具有更高時(shí)間傳遞性能的一種專用設(shè)備。設(shè)備內(nèi)部通常包含1臺(tái)雙頻授時(shí)接收機(jī)或測(cè)地型接收機(jī)、1個(gè)時(shí)間間隔測(cè)量模塊和1套數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)共視做差降低測(cè)量共有誤差項(xiàng)影響，能獲得5ns以內(nèi)的時(shí)間傳遞不確定度[2]，是目前遠(yuǎn)距離、納秒級(jí)時(shí)間傳遞主要的方法之一。衛(wèi)星共視接收機(jī)基本組成較單、雙頻授時(shí)接收機(jī)復(fù)雜，單臺(tái)設(shè)備售價(jià)一般在十?dāng)?shù)萬(wàn)元以上，且因衛(wèi)星共視需要同時(shí)應(yīng)用2臺(tái)設(shè)備，因此基于衛(wèi)星共視接收機(jī)的時(shí)間傳遞成本遠(yuǎn)高于單頻或雙頻接收機(jī)，廣泛應(yīng)用具有一定困難。

此外，納秒級(jí)的遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞技術(shù)還有衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞、衛(wèi)星全視、精密單點(diǎn)定位、光纖時(shí)間傳遞等技術(shù)可選[3-6]。這些技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)納秒甚至亞納秒的高精度時(shí)間傳遞，但設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、成本較高、需要專業(yè)人員維護(hù)等，難以大量應(yīng)用。

綜合比較上述時(shí)間傳遞方法，對(duì)比需求從成本和性能兩方面分析，單頻授時(shí)接收機(jī)符合成本最低，但授時(shí)性能相對(duì)較差，難以滿足下一代通信網(wǎng)時(shí)間同步的需求；其他授時(shí)設(shè)備性能較高但同時(shí)成本也遠(yuǎn)高于單頻接收機(jī)。本文基于此現(xiàn)狀，提出了單頻接收機(jī)與衛(wèi)星共視技術(shù)相結(jié)合的方法，在控制成本的前提下研究了降低比對(duì)誤差，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間納秒級(jí)復(fù)現(xiàn)的方法，支撐納秒級(jí)同步應(yīng)用。

2 工作原理

衛(wèi)星共視技術(shù)是一種利用衛(wèi)星作為中間源的遠(yuǎn)程比對(duì)經(jīng)典技術(shù)，在需要時(shí)間比對(duì)的兩地分別安裝衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)試設(shè)備，同時(shí)觀測(cè)本地參考時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間的時(shí)差，然后交換觀測(cè)結(jié)果，比較相同時(shí)刻與同一衛(wèi)星的差值，最終獲得兩地參考時(shí)間之差。衛(wèi)星共視的實(shí)質(zhì)是一種差分技術(shù)，通過(guò)差分抵消測(cè)量結(jié)果中衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘以及電離層、對(duì)流層等共同誤差項(xiàng)的影響，因此能實(shí)現(xiàn)比GNSS單向授時(shí)更高的同步精度。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)原理

基于衛(wèi)星共視原理，搭建了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源、遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理中心四部分組成，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)Fig.1 Scheme of UTC(NTSC) remote generated system

遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備均內(nèi)置了GNSS授時(shí)接收機(jī)模塊，與GNSS衛(wèi)星一起，共同組成衛(wèi)星共視的基本結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的主鐘信號(hào)為參考，持續(xù)測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與各衛(wèi)星鐘的偏差；同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備也持續(xù)測(cè)試其內(nèi)部時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘的偏差，待系統(tǒng)中各設(shè)備收集到約定觀測(cè)周期的數(shù)據(jù)后，擬合生成觀測(cè)結(jié)果，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心以遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)試結(jié)果為參考，計(jì)算復(fù)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以接近實(shí)時(shí)的響應(yīng)速度反饋給標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的控制模塊根據(jù)偏差調(diào)整內(nèi)部時(shí)鐘，最終輸出與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的信號(hào)。如圖1所示，系統(tǒng)中所有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備可在數(shù)據(jù)處理中心共享來(lái)自同一遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此，只要標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，進(jìn)而保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備的時(shí)間同步。

圖1中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備即是根據(jù)本文所提方法實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，由GNSS單頻授時(shí)接收芯片、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、恒溫晶振和共視數(shù)據(jù)處理交換模塊組成。通過(guò)GNSS單頻授時(shí)接收芯片和計(jì)數(shù)器測(cè)得恒溫晶振信號(hào)與衛(wèi)星鐘的時(shí)差，將時(shí)差結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，共視數(shù)據(jù)處理模塊收到反饋的晶振時(shí)間與UTC(NTSC)時(shí)差后，調(diào)整晶振的控制量，使其輸出與UTC(NTSC)同步的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備組成Fig.2 Block diagram of UTC(NTSC)regenerating equipment

2.2 衛(wèi)星共視對(duì)單頻接收機(jī)授時(shí)誤差的影響分析

影響單頻接收機(jī)授時(shí)性能的主要因素包括衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、對(duì)流層時(shí)延、電離層時(shí)延、接收機(jī)設(shè)備時(shí)延、相對(duì)論效應(yīng)、多路徑效應(yīng)等等。本文提出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)方法，是以單頻授時(shí)接收機(jī)為核心，利用衛(wèi)星共視抵消衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘以及傳播路徑中共同誤差分量的影響特性[7]，優(yōu)化單頻授時(shí)接收機(jī)的時(shí)間比對(duì)性能，提高授時(shí)精度。下面以對(duì)單頻接收機(jī)授時(shí)性能影響較大的電離層和設(shè)備時(shí)延兩項(xiàng)為例，分析衛(wèi)星共視對(duì)誤差的抑制作用。

2.2.1 電離層延遲影響

電離層延遲與天頂電離層的性質(zhì)和觀測(cè)站仰角緊密相關(guān)，天頂電離層的性質(zhì)又與觀測(cè)站地理緯度和經(jīng)度緊密相關(guān)[10-12]。在典型的垂直入射情況下，信號(hào)傳播過(guò)程沒(méi)有發(fā)生折射彎曲，電離層延遲在白天和夜間平均分別約為50ns和10ns。在仰角較低情況下，由于折射彎曲影響，延遲相應(yīng)增加約3倍。在接近地磁赤道或極點(diǎn)區(qū)域，延遲還會(huì)明顯增加，并且受磁暴影響嚴(yán)重，電子密度會(huì)隨太陽(yáng)黑子活動(dòng)的增強(qiáng)而升高，最大時(shí)電離層延遲可達(dá)到幾十米。目前，消除電離層誤差的方法很多，對(duì)于雙頻接收機(jī)，可以利用電離層延遲與頻率的關(guān)系，直接根據(jù)雙頻偽距測(cè)量值計(jì)算電離層延遲[8]，殘余誤差約為1m，這也是目前較為有效的電離層延遲改正方法。利用國(guó)際GPS服務(wù)(International GPS Service, IGS)組織發(fā)布的格網(wǎng)點(diǎn)電子含量計(jì)算電離層延遲是另一種較為常用的方法，可修正電離層延遲的90%，缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性不足。對(duì)于單頻接收機(jī)來(lái)說(shuō)，較為常用的是利用導(dǎo)航電文中的電離層模型參數(shù)進(jìn)行校正[9]，通常能校正誤差的50%～60%。因此基于單頻接收機(jī)的授時(shí)，首先要解決電離層延遲誤差的改正。

測(cè)站上空電離層的總體特征常用天頂方向的電子總含量(Vertical Total Electron Content，VTEC)來(lái)反映。這是因?yàn)閷?duì)同一電離層來(lái)說(shuō)，站星方向上的電離層TEC值是不相同的，它隨著衛(wèi)星高度角的增大而減小，當(dāng)衛(wèi)星高度角達(dá)到90°時(shí)，TEC與衛(wèi)星高度角和高程均無(wú)關(guān)，其值達(dá)到最小，即為測(cè)站天頂方向的VTEC。當(dāng)觀測(cè)衛(wèi)星的位置不在某一測(cè)站的天頂方向時(shí)，可利用三角函數(shù)型投影函數(shù)計(jì)算TEC。相關(guān)研究表明，盡管投影函數(shù)與衛(wèi)星高度角有關(guān)，但是當(dāng)高度角大于20°時(shí)，不同投影函數(shù)計(jì)算的結(jié)果差異并不明顯，因此本文使用三角函數(shù)型近似表征。信號(hào)穿透電離層的模型如圖3所示。

圖3 信號(hào)穿透電離層模型Fig.3 Model of signal penetrating ionosphere

不考慮測(cè)量噪聲，電離層時(shí)延I與載波頻率之間的函數(shù)關(guān)系可用式(1)表達(dá)為

(1)

其中，觀測(cè)站仰角為θ，Ne為天頂方向電子總量。式(1)中I即為單頻接收機(jī)電離層延遲表達(dá)式。

本文提出了單頻接收機(jī)與衛(wèi)星共視技術(shù)結(jié)合的方法，對(duì)電離層延遲修正的效果分析如下：衛(wèi)星共視的兩地分別用A站和B站表示，假設(shè)電離層均勻分布，則A、B兩站的電離層延遲IA和IB分別用式(2)表示

(2)

共視處理即對(duì)A和B兩站觀測(cè)數(shù)據(jù)做差，結(jié)果如式(3)所示

(3)

式中，θA、θB為A、B兩觀測(cè)站仰角，f為載波頻率。對(duì)比式(3)和式(1)，共視處理將兩站電離層延遲的相同分量抵消，殘差與兩觀測(cè)站夾角φ有關(guān)，如圖3所示。夾角φ與衛(wèi)星高度和AB兩站直線距離的關(guān)系可近似用三角函數(shù)表示。衛(wèi)星至觀測(cè)站的距離S和與電離層投影點(diǎn)距離h的關(guān)系用式(4)表示

h=SAcosφ=SBcos(φ-φ)

(4)

以離地球約20000km的地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星為例，當(dāng)兩觀測(cè)站直線距離小于500km時(shí)，由于距離較近，假設(shè)電離層均勻分布，此時(shí)兩觀測(cè)站夾角φ遠(yuǎn)小于1°，即θA和θB近似相等，式(3)等式右邊近似為0，即單頻接收機(jī)的電離層時(shí)延通過(guò)衛(wèi)星共視能完全被抵消，達(dá)到類似雙頻電離層改正的效果。即可以得到如下結(jié)論：在滿足觀測(cè)站夾角足夠小的條件下，基于單頻接收機(jī)的衛(wèi)星共視可抵消電離層延遲的影響。

2.2.2 設(shè)備時(shí)延的影響分析

接收機(jī)延遲是GNSS授時(shí)接收機(jī)授時(shí)誤差的主要來(lái)源之一，對(duì)接收機(jī)時(shí)延的標(biāo)校能力影響授時(shí)準(zhǔn)確度。

根據(jù)延遲屬性不同，將接收機(jī)延遲分為固定延遲和隨機(jī)延遲兩類，其中固定延遲可以通過(guò)反復(fù)測(cè)量確定；隨機(jī)延遲會(huì)隨著時(shí)間變化而發(fā)生變化，難以被準(zhǔn)確測(cè)量，因此常用統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于接收機(jī)延遲的校準(zhǔn)，主要是針對(duì)可測(cè)的固定延遲，涉及天線、饋線和接收機(jī)等信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)。

對(duì)固定延遲常用的測(cè)量方法有相對(duì)測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量?jī)深?，相?duì)測(cè)量是以1臺(tái)時(shí)延已知的接收機(jī)為參考，將被測(cè)接收機(jī)與參考接收機(jī)相鄰安裝，測(cè)試2臺(tái)接收機(jī)的相對(duì)時(shí)差，即得到2臺(tái)接收機(jī)的相對(duì)延遲。絕對(duì)測(cè)量通常有兩種測(cè)量方法，一是利用信號(hào)模擬源模擬生成衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量從信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)天線至輸出定時(shí)信號(hào)的延遲；另一種是以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)為參考，測(cè)試接收機(jī)定時(shí)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差，在補(bǔ)償了導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差量后，即得到接收機(jī)的絕對(duì)延遲[13-15]。

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備是通過(guò)衛(wèi)星與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備建立時(shí)差測(cè)量鏈路，因此設(shè)備的固定延遲僅需要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的相對(duì)時(shí)延，而不用關(guān)心設(shè)備的絕對(duì)時(shí)延。相對(duì)時(shí)延測(cè)量不需要專用的信號(hào)模擬器、微波暗室等條件，比絕對(duì)時(shí)延更容易實(shí)現(xiàn)，常用的測(cè)量方法是零基線共鐘法，即將2臺(tái)需要測(cè)試的設(shè)備并址安裝，將1臺(tái)時(shí)鐘源的輸出分為兩路，分別給標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備作參考，測(cè)試2個(gè)參考信號(hào)的時(shí)差。因參考信號(hào)來(lái)自同一臺(tái)時(shí)鐘源，測(cè)得的時(shí)差包括參考信號(hào)傳輸電纜差異和2臺(tái)設(shè)備的相對(duì)時(shí)延差兩部分，其中電纜時(shí)延差異可準(zhǔn)確標(biāo)定，扣除電纜時(shí)延差后即為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的相對(duì)時(shí)延差。試驗(yàn)表明，基于單頻接收機(jī)的偽碼測(cè)量和載波相位平滑結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的相對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于2ns，能滿足復(fù)現(xiàn)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差小于10ns的誤差需求。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了對(duì)比單頻授時(shí)接收機(jī)和基于同款單頻授時(shí)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的授時(shí)性能差異，設(shè)計(jì)了測(cè)試試驗(yàn)，分別測(cè)試單頻授時(shí)接收機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的授時(shí)能力，采用相同的統(tǒng)計(jì)工具比較其性能。

3.1 單頻授時(shí)接收機(jī)定時(shí)性能測(cè)試

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)主鐘信號(hào)為參考，使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)試單頻授時(shí)接收機(jī)輸出秒脈沖信號(hào)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差，每秒測(cè)量1次，持續(xù)24h。

單頻接收機(jī)授時(shí)信號(hào)的偏差與信號(hào)空間傳播延遲、接收機(jī)天線、饋線和設(shè)備時(shí)延緊密相關(guān)，本試驗(yàn)所測(cè)接收機(jī)未進(jìn)行絕對(duì)時(shí)延校準(zhǔn)。為便于對(duì)比，在處理數(shù)據(jù)時(shí)用測(cè)試數(shù)據(jù)均值作為授時(shí)接收機(jī)固定延遲，在時(shí)差結(jié)果中予以扣除，然后繪制如圖4所示的結(jié)果圖，僅反映接收機(jī)授時(shí)信號(hào)的隨機(jī)起伏。

圖4 單頻接收機(jī)定時(shí)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of single frequency receiver

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，單頻授時(shí)接收機(jī)定時(shí)信號(hào)24h最大起伏約為53.95ns，標(biāo)準(zhǔn)差為8.21ns。當(dāng)應(yīng)用該接收機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，還需要對(duì)接收機(jī)、天線、饋線等固定延遲進(jìn)行精確校準(zhǔn)。因不同安裝條件下設(shè)備時(shí)延存在差異，精確校準(zhǔn)絕對(duì)時(shí)延難度較高，可能導(dǎo)致數(shù)十甚至百納秒的系統(tǒng)偏差，因此單頻授時(shí)接收機(jī)主要用于百納秒級(jí)時(shí)間同步場(chǎng)合。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備授時(shí)性能測(cè)試

為對(duì)比單頻接收機(jī)結(jié)合共視技術(shù)前后的授時(shí)性能差異，測(cè)試基于單頻接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的授時(shí)性能。測(cè)試原理如圖5所示，在國(guó)家授時(shí)中心臨潼本部安裝被測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備安裝在距離本部直線距離約33km的西安某試驗(yàn)場(chǎng)。國(guó)家授時(shí)中心的UTC(NTSC)主鐘分配了多路相同信號(hào)，一路直接為時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器提供測(cè)試參考；另一路通過(guò)約60km的光纖雙向時(shí)間傳遞鏈路，以低于100ps的偏差傳輸?shù)轿靼材吃囼?yàn)場(chǎng)，為遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備提供參考。因時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的參考和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的參考時(shí)間起點(diǎn)相同，因此計(jì)數(shù)器的測(cè)試結(jié)果反映了被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的時(shí)間同步性能。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)性能測(cè)試原理圖Fig.5 Performance test principle diagram of UTC(NTSC) remote generator

與3.1節(jié)測(cè)試環(huán)境相同，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器每秒測(cè)量1次，持續(xù)24h。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of the UTC(NTSC) remote generator

測(cè)試結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備定時(shí)信號(hào)在24h內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差小于10ns(3σ)，最大起伏為15.86ns，標(biāo)準(zhǔn)差為2.88ns，較單頻接收機(jī)的授時(shí)能力有顯著提升。

此外，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出信號(hào)能直接與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間比對(duì)，通過(guò)相對(duì)時(shí)延測(cè)試較容易解決授時(shí)信號(hào)中的系統(tǒng)偏差問(wèn)題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

單頻授時(shí)接收機(jī)因其技術(shù)成熟、價(jià)格相對(duì)便宜得到廣泛應(yīng)用，但受工作原理限制其性能提升空間有限，目前主要適用于百納秒級(jí)的時(shí)間同步需求。本文從低成本和納秒級(jí)時(shí)間同步兩方面需求入手，研究了基于單頻授時(shí)接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間納秒級(jí)復(fù)現(xiàn)方法，形成的主要結(jié)論如下：

1)本文所使用單頻授時(shí)接收芯片的授時(shí)信號(hào)24h的最大起伏為54ns，標(biāo)準(zhǔn)差為8.21ns；

2)基于單頻授時(shí)接收機(jī)芯片結(jié)合本文所提衛(wèi)星共視技術(shù)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)，授時(shí)信號(hào)24h的最大起伏為15.86ns，標(biāo)準(zhǔn)差為2.88ns；

3)基于本文研制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)單網(wǎng)覆蓋500km，網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)間時(shí)差小于20ns，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差小于10ns的時(shí)間同步網(wǎng)；

4)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備具有成本低、同步性能達(dá)到納秒量級(jí)、支持直接溯源至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間等特點(diǎn)，適合組建時(shí)間同步網(wǎng)等大范圍應(yīng)用。