一种用于提升用户机授时精度的时钟准确度校正方法

2016-01-12戴群雄,安云飞,戎强

全球定位系统 2015年5期

戴群雄1,2,安云飞1,2,戎强1,2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 050081;

2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,石家庄 050081)

摘要：基于卫星导航系统定位授时原理,分析了用户机时钟与系统时间钟差对授时精度的影响,提出了一种用于提升用户机授时精度的时钟准确度校正方法,即:根据系统时间良好的长稳特性对用户机时钟的准确度进行校正,减小用户机时钟与系统时间钟差,并提升钟差修正的精度,从而达到提升用户机授时精度的目的。通过实验验证了该方法的可行性与有效性。

关键词：时钟准确度;钟差;授时精度;校正

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.006

中图分类号：TN965.5

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0030-04

收稿日期：2015-06-11

作者简介

Abstract:Based on positioning and time service principle of satellite navigation, this paper analysed the influence on time service precision by user receiver’s clock and system time clock offset, put forward a sort of clock accuracy correction method used to enhance time service precision of user receiver, namely: proceeded clock accuracy correction of user receiver’s clock according to the good long-term stability characteristics of system time, to reduce user receiver’s clock and system time offset and enhance the correction precision of clock offset, so as to beat the target of enhancing time service precision of user receiver. The feasibility and effectiveness of the proposed method were verified by experiments.

0引言

时间是一个基本的物理量,时间信息是人们日常生活中的重要因素。随着科技的快速发展,人们开始建立越来越多的电子信息系统,如TDMA卫星通信系统、民用蜂窝式移动通信系统、集群管理控制系统等[1],这些系统的建立,使得人们对时间精度的要求越来越高。近年来,卫星导航系统迅速崛起,时间服务正朝着大范围、实时性的方向发展,全球范围内越来越多的用户群体从中受益,人们对时间的准确度和精度的认知和应用提升到了一个新的高度。

在卫星导航系统中,用户机在空间参考系中的位置坐标(X,Y,Z),通过测量卫星和用户机之间的距离来获得[2]。一旦明确用户机在空间参考系中的位置坐标,就能够计算出用户机时钟相对于系统时间的钟差,根据钟差对用户机时钟进行修正,实现用户机时间和系统时间同步。本文研究和探讨的内容为:通过对用户机时钟的准确度进行校正,减少用户机时钟相对于系统时间钟差,并在对钟差进行修正时,使钟差修正精度得到提升,从而达到提升用户机授时精度的目的。

1分析时钟准确度对用户机授时精度的影响

在现在卫星导航系统中,常规使用的时钟包括氢钟、铯钟、铷钟和晶振,其中氢钟、铯钟、铷钟的频率准确度指标远高于晶振,但成本相对较高,且体积偏大。在考虑低成本、低功耗、小型化前提下,用户机通常只装备晶振。但除了考虑这些因素外,用户机授时精度高低及用户机时钟准确度高低也是必须兼顾的重量考量指标。

时钟频率准确度定义为[3]

(1)

式中: A为频率准确度; f为被测时钟的实际频率; f0为标称频率。A的绝对值越小,代表时钟频率准确度越高,也即被测时钟的实际频率相对标称频率钟差越小。

用户机钟差指的是用户机时钟相对于系统时间钟差,系统时间指的是卫星导航系统的时间基准,一般由设置在地面主控站的钟组组成[4]。通过卫星导航系统时间同步原理来对用户机钟差的获取进行简要说明。

联系人：戴群雄E-mail:daiqunxiong@126.com

图1　地心直角坐标系示意图

(2)

即:

(Zu-Zi)2)]1/2+C×(Δtu-Δtsi),

i=1,2,3,4,

(3)

式中,卫星位置(Xi,Yi,Zi)由地面中心站通过定轨计算后将卫星轨道参数通过广播电文播发给用户机,伪距可以通过用户机测量获得,Δtsi由地面中心站通过导航电文播发给用户机。因此,通过解联立方程求出用户机的位置(Xu,Yu,Zu)以及用户机钟差Δtu.

用户机时钟频率准确度高低,直接影响到Δtu值。理论上不考虑其他误差因素的条件下,如果Δtu=10ns,则相当于距离误差为3m,即使对Δtu进行修正后,使得用户机输出时间与系统时间同步,但由于Δtu的修正也是基于用户机时钟进行调频或移相来获得的,用户机时钟相对系统时间本来就存在相对频差,那么对Δtu的修正也会存在误差和累计误差,直接影响用户机的授时精度。因此,需要采取相应措施,对用户机时钟的频率准确度进行校正,尽量减少Δtu对授时精度带来的影响。

2时钟准确度校正方法研究

经本文章节1中分析,用户机钟差Δtu是影响用户机授时精度的因素之一,而用户机时钟频率准确度高低是决定Δtu大小的关键因素之一。

由于受时钟内在因素和外部环境因素的共同影响,时钟的实际输出频率不是一个固定不变的值,而是会随着时间发生漂移,时钟准确度指标会不断恶化,晶振在这方面表现得尤为明显,对用户机授时精度的影响会日益突出。因此,需对晶振的频率准确度进行校正,以减少用户机钟差对授时精度带来的影响。

用户机时钟电路设计中,通常会采取相应手段对晶振频率准确度进行校正。传统的晶振频率准确度校正方法:在晶振的压控端增加一级可调电阻压控调节电路,通过调整可调电阻值控制晶振压控电压,从而实现对其频率准确度的调整。这种方法固然能起到校正时钟准确度的目的,但是存在几个缺陷: 1) 可调电阻调整精度较差,不适合某些精密调频场合; 2) 不具备实时性,即使在用户机初始运行前期,通过调节可调电阻,将晶振频率校正到一个比较高的准确度,但由于晶振频率存在漂移,频率准确度随着时间推移会恶化,需要重新校正; 3) 调整较为繁杂,多数场合需要拆卸机箱或模块电路。因此,基于可调电阻的这种时钟准确度校正方法很难满足用户机的现实需求了。

本文提出了一种较为合理的时钟准确度校正方法——基于数字信号处理器(DSP)+数模转换器(DA)平台的时钟准确度校正方法,其基本工作原理框图如图2所示。

图2　基于DSP+DA平台的时钟准确度校正方法原理框图

(4)

3实验验证与分析

按照图3所示框图搭建验证平台。为了屏蔽如大气传输、相对论效应等带来的误差对实验验证的影响,由卫星导航信号模拟源输出模拟导航信号,北斗授时型用户机通过有线的方式接收信号,经定位解算输出1 PPS,然后通过高精度时间间隔计数器测试用户机输出1 PPS与卫星导航信号模拟源系统1 PPS的时差,用户机内部时钟采用准确度为10-8量级的恒温晶振。由于用户机输出1 PPS与系统1 PPS时差含设备时延、传输时延等系统零值,因此,需扣除系统零值,然后在此基础上分析用户机输出1 PPS相对系统1 PPS时差的变化量以及变化趋势来评估用户机的授时精度。为了验证本文第二节提到的基于DSP+DA平台的时钟准确度校正方法能否对用户机授时精度提升带来贡献,将北斗授时型用户机里接收模块时钟准确度校正分两种方法,即增加本文章节2中提到的基于可调电阻的时钟准确度校正方法,以形成对比,并由此开展实验。

图3　用户机授时精度验证平台

经过拷机实验,高精度时间间隔计数器以1次/s的频度记录用户机输出1 PPS与系统1 PPS时差,根据测试数据进行绘图,得到如图4所示的测试结果。图4(a)示出了基于可调电阻的时钟准确度校正方法下,得到的用户机授时精度测试结果,图4(b)示出了基于DSP+DA平台的时钟准确度校正方法下,得到的用户机授时精度测试结果。综合比较这两组测试结果,不难发现: 1) 虽然通过可调电阻对晶振的初始准确度可进行校正,但是由于晶振频率在冷启的情况下,需要经过一段时间才能相对稳定,且初始准确度较差,同时,在用户机运行过程中,无法对晶振的准确度进行实时校正,使得用户机输出1 PPS与系统1 PPS时差在设备启动初期变化较大,扣除系统零值后,从57.71 ns变化到了-36.42 ns,变化量达到94 ns,后期虽然逐渐趋于平稳,但是由于晶振频率存在漂移,时差会朝着一个方向缓慢变化,用户机授时精度会不断变差。 2) 相比第一种方法,由于采用了合理的方法对晶振的频率准确度进行了校正,其输出的频率准确度始终跟踪锁定在系统时间上,使得用户机输出1 PPS与系统1 PPS时差从设备启动后一直保持在一个相对稳定的范围内,扣除系统零值后,保持在-16.42～11.45 ns之间,用户机授时精度相比第一种方法得到显著提升。由此可以认为:本文提出的这种基于DSP+DA平台的时钟准确度校正方法能对用户机授时精度提升带来贡献。

图4　用户机授时精度测试结果(a)基于可调电阻；(b)基于DSP+DA平台

4结束语

随着卫星导航系统的快速发展,用户对基于卫星导航系统的时间需求会朝着更高精度,更高稳定度的方向发展。本文从卫星导航系统时间同步的原理出发,分析了用户机钟差对用户机授时精度的影响,进一步分析得出用户机的时钟准确度是影响用户机钟差的一个重要误差项,由此提出了一种用于提升用户机授时精度的基于DSP+DA平台的时钟准确度校正方法,并通过设计、实验,验证了这一方法的可行性和有效性,为相关行业应用提供了可借鉴的设计方案,具有良好的应用前景。

参考文献

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戴群雄(1983-),男,硕士,工程师,主要从事时间频率方向研究。

安云飞(1987-),男,硕士,工程师,主要从事授时算法方向研究。

戎强(1980-),男,硕士,工程师,主要从事时间频率方向研究。