戎 強(qiáng),尹繼凱,王 彬
北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)研究
戎 強(qiáng),尹繼凱,王 彬
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊 050081)
針對(duì)日益增長(zhǎng)的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定需求,在建立北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型的基礎(chǔ)上,深入研究了5種北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的標(biāo)定原理及其優(yōu)勢(shì)和不足,并利用不同型號(hào)北斗授時(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定應(yīng)用場(chǎng)合,具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。
北斗授時(shí);時(shí)統(tǒng);零值標(biāo)定;組合零值;時(shí)間鏈路
隨著我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成,北斗衛(wèi)星信號(hào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,大量的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、大眾生活等諸多領(lǐng)域,未來(lái)海量的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)將投入市場(chǎng),而北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備的零值標(biāo)定精度直接影響著北斗授時(shí)服務(wù)的精度[1],所以有必要深入研究北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定技術(shù),以推進(jìn)大量已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)巡檢標(biāo)定服務(wù)的完善升級(jí)和海量新增北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。
對(duì)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)授時(shí)時(shí)統(tǒng)輸出的定時(shí)信號(hào)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的高精度同步,當(dāng)前,國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated,UTC),我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生維持的本地時(shí)間通過高精度時(shí)間比對(duì)鏈路間接溯源到了UTC[2],因此可以通過測(cè)量對(duì)應(yīng)鏈路的時(shí)延值實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定,從而保證北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)定時(shí)信號(hào)的準(zhǔn)確性。當(dāng)前,存在大量針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的綜合性能測(cè)試技術(shù)[3-5]的研究和單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試技術(shù)[6-8]的研究,包括通道時(shí)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(shí)精度測(cè)試[14,15]以及針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的微波暗室自動(dòng)測(cè)試[16-19]等技術(shù)的研究,但尚未見到針對(duì)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的較為體系化的研究,針對(duì)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(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)的深入研究,并進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
研究北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型的目的是通過分析北斗授時(shí)鏈路的時(shí)間傳遞過程[20],研究影響時(shí)間傳遞精度的關(guān)鍵因素,進(jìn)而設(shè)計(jì)有效可行的零值標(biāo)定方案。北斗授時(shí)鏈路的時(shí)間傳遞模型主要包括溯源鏈路、站間鏈路、星地鏈路、下行時(shí)統(tǒng)鏈路,北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型如圖1所示。
圖1 北斗授時(shí)鏈路時(shí)間傳遞模型
針對(duì)北斗授時(shí)時(shí)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(dòng)化零值標(biāo)定、已部署時(shí)統(tǒng)日常巡檢、部分時(shí)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(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)可劃分為UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)和時(shí)統(tǒng)比對(duì)標(biāo)定技術(shù)。
2.1.1 UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)
圖2 UTC時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為:
2.1.3 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)
圖4 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)原理圖
圖4中時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的時(shí)差測(cè)量值可表示為:
在式(8)成立的前提下,測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)與UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測(cè)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(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為:
2.1.4 檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)
圖5 檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)原理圖
圖5中,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的測(cè)量值可表示為:
在式(11)成立的前提下,檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)與UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的測(cè)試原理類似。式(1)、式(2)、式(10)和式(11)聯(lián)立,可得到北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值調(diào)整量為:
2.1.5 時(shí)統(tǒng)比對(duì)標(biāo)定技術(shù)
時(shí)統(tǒng)比對(duì)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(shí)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(hào),對(duì)被測(cè)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試的零值標(biāo)定技術(shù),其基本原理如圖6所示。
圖6 時(shí)統(tǒng)比對(duì)標(biāo)定技術(shù)原理圖
所述5種北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定技術(shù)分別具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足,如表1所示。
表1 零值標(biāo)定技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足
實(shí)驗(yàn)由6臺(tái)不同廠家研制的北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng),分別采用所述的五種不同的零值標(biāo)定技術(shù)對(duì)它們進(jìn)行零值標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如表2所示。
UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)對(duì)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)的零值標(biāo)定是直接在UTC中心完成的,而對(duì)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)進(jìn)行零值標(biāo)定的目的是實(shí)現(xiàn)北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)輸出的定時(shí)信號(hào)與UTC中心定時(shí)信號(hào)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(lái)源為標(biāo)定設(shè)備引入的測(cè)量誤差,這里取UTC時(shí)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(píng)估遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)、時(shí)統(tǒng)比對(duì)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(shí)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(píng)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(duì)北斗授時(shí)時(shí)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(shì)與不足,具體分析結(jié)果如下:
1)UTC時(shí)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(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù),不支持對(duì)已部署北斗授時(shí)時(shí)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(duì)于構(gòu)建遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)鏈路所產(chǎn)生的UTC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù),不支持對(duì)已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。
3)測(cè)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程產(chǎn)生的批量化標(biāo)定優(yōu)勢(shì),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(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定業(yè)務(wù),但不支持對(duì)已部署北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值的巡檢標(biāo)定。
4)檢測(cè)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(shí)時(shí)統(tǒng)的抵近式零值巡檢。
5)時(shí)統(tǒng)比對(duì)標(biāo)定技術(shù)的零值標(biāo)定偏差均值在2.8 ns以內(nèi),對(duì)于授時(shí)需求在6 ns以內(nèi)的高精度授時(shí)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(shí)時(shí)統(tǒng)零值的粗略標(biāo)定和定性測(cè)試中依然具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
在對(duì)北斗授時(shí)時(shí)間傳遞鏈路進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上,對(duì)北斗授時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)統(tǒng)開展了針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究表明:UTC時(shí)標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、遠(yuǎn)程鏈路標(biāo)定技術(shù)、測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、檢測(cè)儀標(biāo)定技術(shù)、時(shí)統(tǒng)比對(duì)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(dòng)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(duì)于各類北斗授時(shí)時(shí)統(tǒng)零值標(biāo)定系統(tǒng)和裝備的研制具有一定的參考價(jià)值。
[1] 劉思睿. GNSS接收機(jī)性能綜合測(cè)試技術(shù)研究[D]. 北京:北京化工大學(xué),2013.
[2] 朱峰. 衛(wèi)星導(dǎo)航中的時(shí)間參數(shù)及其測(cè)試方法[D]. 北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2015.
[3] 栗靖,郭盛桃,時(shí)鑫,等. 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差分析[J]. 無(wú)線電工程,2018,48(8):680-683.
[4] 劉思睿. GNSS接收機(jī)性能綜合測(cè)試技術(shù)研究[D]. 北京:北京化工大學(xué),2013.
[5] 錦曉曦. 北斗接收機(jī)測(cè)試方法研究[D]. 上海:上海交通大學(xué),2016.
[6] 倪育德,馬圓晨,張心一,等. 基于模擬信號(hào)源的機(jī)載BDS接收機(jī)性能測(cè)試[J]. 中國(guó)測(cè)試,2019,45(4):21-28.
[7] 王和,劉光斌,程俊仁,等. 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試評(píng)估方法研究[J]. 無(wú)線電工程,2014,44(3):5-7+31.
[8] BHUIYAN M,F(xiàn)ERRARA N G,HASHEMI A,et al. Impact Analysis of Standardized GNSS Receiver Testing against Re-al-World Interferences Detected at Live Monitoring Sites[J]. Sensors (Basel,Switzerland),2019,19(6).
[9] 馮曉超,劉魁星,高帥,等. 星載接收機(jī)通道時(shí)延實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航,2018(4):240-245.
[10] 于雪暉,李集林,王盾,等. 北斗監(jiān)測(cè)接收機(jī)設(shè)備時(shí)延性能檢測(cè)評(píng)估[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2016,36(5):57-64.
[11] 劉寄奴,劉文祥,王飛雪. GNSS多通道級(jí)聯(lián)群時(shí)延特性對(duì)零值疊加的影響[J]. 全球定位系統(tǒng),2017,42(4):15-21.
[12] 崔小準(zhǔn),陳宇,董海青,等. BOC信號(hào)通道零值精密測(cè)試方法[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2014,37(4):65-70.
[13] 李柏渝,陳雷,李彩華,等. 通道非理想特性對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)偽碼測(cè)距零值的影響分析[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2011,33(9):2138-2143.
[14] 劉浩,萬(wàn)豪,申國(guó)鋒,等. 北斗高精度授時(shí)終端測(cè)試技術(shù)研究[J]. 中國(guó)檢驗(yàn)檢測(cè),2020(5):9-11.
[15] 林學(xué)勇. GNSS接收機(jī)授時(shí)精度檢測(cè)方法[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2016,43(6):46-47.
[16] 焦海松,萬(wàn)安民,王博,等. 電磁干擾對(duì)GPS北斗設(shè)備授時(shí)精度的影響[J]. 全球定位系統(tǒng),2013,38(6):26-30.
[17] 郭淑霞,張寧. 基于微波暗室GNSS抗干擾接收機(jī)的測(cè)試方法[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理,2013,28(6):807-811.
[18] 薛霞,路輝,秦紅磊. 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(12):3917-3920.
[19] 籍晨. 基于導(dǎo)航信號(hào)典型場(chǎng)景庫(kù)的GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究[D]. 上海:上海交通大學(xué),2018.
[20] 辛潔,王冬霞. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)模型[C]//第十一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)論文集——S06時(shí)間基準(zhǔn)與精密授時(shí). 2020:24-27.
[21] Zhang H,Zhu L,Li X,et al. GNSS system time offset monitoring at NTSC[C]. IEEE International Frequency Control Symposium. IEEE,2014:1-5.
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(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闀r(shí)間頻率系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)。