北斗卫星导航系统用户终端时延标定方法

谢维华,陈娉娉,孔敏

(北京卫星导航中心,北京 100094)



北斗卫星导航系统用户终端时延标定方法

谢维华,陈娉娉,孔敏

(北京卫星导航中心,北京 100094)

摘要：北斗卫星导航系统用户终端时延标定准确与否直接关系到用户终端的定时精度,因此用户终端在出厂前和进行定时精度测试时必须进行整机时延标定。本文研究分析了绝对时延和相对时延两种卫星导航用户终端时延标定方案,针对无秒脉冲输入(1 PPS)接口的北斗用户终端,提出了整机标定和分段标定两种绝对时延标定方法．实验结果表明:这两种标定方法的误差不确定度优于2 ns,满足北斗定时用户终端时延标定5 ns指标的要求。

关键词：北斗卫星导航系统;用户终端;时延;标定

0引言

北斗卫星导航系统(BDS)用户终端利用北斗RNSS导航信号来进行高精度时间测量,为国防、通信、交通、电力、金融等应用领域提供高精度时间基准。不同厂家生产的用户终端,由于采用不同的硬件和数据处理算法,设备时延的差别很大。即使同一厂家的同一批产品,也会因为个体差异而设备时延不同。若无法精确测量用户终端时延,会造成用户终端的定时结果有较大偏差,无法满足用户对高精度时间同步的使用需求。因此用户终端在出厂前必须进行时延标定,通常要求用户终端时延的标定精度比授时精度高1个数量级,即5 ns.

卫星导航用户终端时延标定通常分为相对标定和绝对标定两种方法。相对标定方法主要是测量两台用户终端之间的时延差,即采用与绝对时延已知的参考用户终端进行比对的方法进行标定,该方法简单易行,但需要已知参考用户终端的绝对时延。用户终端绝对时延是指从用户终端天线接收信号到用户终端输出秒脉冲信号(1 PPS)之间的电延迟。因此用户终端绝对时延主要包括用户终端内部时延、天线及电缆时延等。用户终端绝对时延可通过接收实际卫星信号并以GNSS系统时间为参考的方法进行标定[1]。该方法不仅需要GNSS系统时间作为参考,还易受卫星轨道、卫星钟、大气延迟、多路径等误差影响,因此在实际中一般采用模拟信号源进行标定。模拟信号源模拟卫星信号,用户终端利用仿真信号进行定时,并输出1 PPS与模拟信号源时间进行比较,可获得用户终端绝对时延。该方法由于测试场景可重复、且不受卫星轨道、卫星钟、大气延迟、多路径等误差影响,是目前常用的一种方法。文献[2]利用时延已知的天线来进行待测天线时延标定,但没有给出已知天线的时延标定方法。文献[3]～[6]提出利用GPS信号源对Ashtech Z12T和Septentrio PolaRx2进行绝对时延标定的方案,不过该方案要求接收机可同时接入外部同源的10 MHz和1 PPS信号。文献[7]基于两个天线时延相同的假设来进行时延标定。本文针对无秒脉冲(1 PPS)输入接口的BDS用户终端,提出一种利用模拟信号源进行绝对时延标定的方法,为北斗定时用户终端在高精度时间同步领域的推广应用提供技术支撑。

1绝对时延标定误差分析

用户终端绝对时延主要包括用户终端内部时延、天线及电缆时延等,因此用户终端绝对时延标定的不确定度主要受到模拟信号源的校准不确定度和测距精度、RF和1 PPS链路时延的不确定度、用户终端晶振的稳定度、用户终端时钟的分辨率以及测量仪器的不确定度等因素的影响。

模拟信号源生成的射频信号和1 PPS参考信号到达用户终端时,测距码的翻转点与1 PPS上升沿的过零点之间存在时延差,简称TtC延迟(tickto-code),可通过高速示波器测量出来,如图1所示。TtC延迟可校准单元在模拟信号源每次开机时进行校准,校准不确定度一般优于0.2 ns[2].另外,信号源输出的伪距是精确已知的,其精度约为1 ns.

图1　模拟信号源输出的射频信号与1 PPS信号之间的延迟

RF射频电缆和1 PPS电缆的时延可通过矢量网络分析仪进行标定,标定的不确定度优于0.5 ns.各种转接头的时延不确定度在0.1 ns以内。

用户终端通常采用较便宜的温补晶振(TCXO),TCXO的稳定度会因温度改变和受到振动而发生变化,在1 s内其漂移率可达30 ns.若采用短稳达1.3×10-13/s的时钟单元(含超恒温晶振)提供的基准频率来驱动用户终端,则由基准频率漂移引起的用户终端时延标定误差可忽略不计。

北斗用户终端时钟频率是62 MHz,其分辨率约16 ns,因此用户终端输出的1 PPS信号含有16 ns以内的截断误差。若采用时钟单元提供的基准频率,多次测量取均值,则由时钟分辨率引起的用户终端时延标定误差可小于1 ns.

用户终端绝对时延标定过程中,时间间隔计数器(TIC)用于测量1 PPS比对结果,矢量网络分析仪(PNA)用于测量天线或电缆时延,两者的测量不确定度均优于0.5 ns.

2用户终端绝对时延标定方法

用户终端的绝对时延一般分为用户终端内部时延、天线时延和电缆时延三部分,可采用整机标定方法或分段标定方法来进行标定。

2.1整机标定方法

整机无线标定方法即测量出时标从天线口面到整机时标脉冲输出端的整体时延,如图2所示。

图2　北斗定时用户终端整机无线标定方法示意图

整机无线标定由于是在微波暗室中进行,不易受其他电磁波信号特别是多径的影响,所以用户终端绝对时延标定可以获得很高的精度。时间间隔计数器的测量数值扣除4根线缆时延、空间距离时延以及时间间隔计数器本身时延后,即用户终端绝对时延。多次测量求均值,可进一步减小测量随机误差影响。

整机无线标定方法操作简单易行,但灵活性较差,用户终端一旦更换天线或电缆,整机绝对时延就需要重新标定。

2.2分段标定方法

分段标定法是对天线时延、电缆时延和用户终端内部时延分别进行标定,最后合计出整机的绝对时延。

2.2.1天线时延标定

1) 无源天线时延标定

无源天线时延标定方法如图3所示。首先,利用矢量网络分析仪测量出两根电缆的时延;其次,在暗室内测量两个天线和传播空间总时延,扣除两根电缆、发射天线(为标准天线,时延已知)、空间距离的时延,即为接收天线时延。

图3　无源天线时延标定方法示意图

标准天线时延的标定是关键。若标准天线时延已知,即可直接标定待测天线;若标准天线时延未知,则必须先标定标准天线时延。本文提出一种采用三个性能稳定、时延未知的无源天线A、B、C作为待测对象,来确定标准天线的时延方法。

按图3所示进行连接,可获得天线A和天线B的时延和为X

A+B=X.

(1)

同样,在置换天线后,分别可以测得:

A+C=Y,

(2)

B+C=Z,

(3)

由式(1)、(2)和(3)可计算得到每个天线的时延

(4)

通过上述方法,可以获得三个天线的时延。它们都可以用作标准天线,来标定其他待测天线的时延。

2) 有源天线时延标定

有源天线时延标定方法如图4所示。与无源天线标定方法类似,将无源标准天线作为发射天线,有源天线作为接收天线,主要区别是需要增加一个馈电模块,隔离直流信号,使其不能输入到测试系统,但同时又能给用户终端有源天线供电。通过矢量网络分析仪测量获得发射天线和接收天线的总时延,扣除发射天线时延,即为有源天线时延。

图4有源天线时延标定示意图

馈电模块的时延不确定度小于0.1 ns.经计算,有源天线时延标定的不确定度为

2.2.2线缆时延标定

天线线缆的时延标定采用矢量网络分析仪进行,如图5所示。

图5　天线线缆时延标定示意图

2.2.3用户终端主机时延标定

用户终端主机时延标定与整机无线标定方法相似,主要区别是采取有线的方式将信号源的射频仿真信号输出与用户终端射频信号输入相连接,标定方法如图6所示。

图6　用户终端主机时延标定示意图

模拟信号源的精度可优于1.02 ns,4根1 PPS线缆的时延不确定度小于1 ns,时间间隔计数器的不确定度为0.5 ns,衰减器的时延标定不确定度小于0.2 ns, 用户终端1 PPS截断误差引起的不确定度为1 ns.因此,用户终端内部时延标定的不确定度为

综上所述,采用分段标定方法,用户终端绝对时延的标定不确定度为

满足指标5 ns的要求。

对比分析分段标定方法与整机标定方法,两者的不确定度均在2 ns左右,但分段标定方法较灵活,若用户终端更换天线或线缆,只需对所更换的天线或线缆进行标定,即可重新计算得到用户终端绝对时延。

3实验与分析

采用分段标定方法对3台北斗定时用户终端B3频点的绝对时延进行标定。

1) 无源天线标定

由于没有时延已知的标准天线,故首先进行标准天线时延的标定。准备4个北斗无源天线(分别命名为1#、2#、3#、4#)。取1#、2#和3#两两组合,测量每个组合的时延。待矢量网络分析仪读数稳定后,连续记录5次数据,测量结果取平均值,标定结果如表1所示。

表1　标准天线的时延标定结果

计算后可得1#、2#和3#天线的时延分别为7.731 ns、7.316 ns和11.160 ns.为了对计算结果进行验证,取4#天线分别与1#、2#、3#天线组合,测量组合时延,结果如表2所示。

表2　4#天线的时延标定

由表2可以看出,1#、2#和3#无源天线分别作为标准天线时,得到4#天线时延的标定结果基本一致,最大相差0.485 s.

2) 源天线标定

采用1#无源天线作为标准天线,分别标定3台用户终端的有源天线(分别命名为天线A、天线B和天线C)时延。待矢量网络分析仪读数稳定后,连续记录10次数据,测量结果取均值,如表3所示。

表3　有源天线的时延标定结果

由于定时用户终端天线B中采用了自研的低噪放模块,含有滤波器,故天线时延值较大。而天线A和天线C采用了低噪放模块,不含滤波器,故天线时延值较小,与之前标定的无源天线时延相差不大。

为了验证有源天线时延的标定结果,采用2#无源天线作为标准天线,分别对3个用户终端有源天线时延进行标定,标定结果如表4所示。

表4　有源天线的时延标定结果

对比表3和表4用户天线时延的标定结果,可得用户终端有源天线A、B和C的时延的两次标定结果分别相差0.322 ns、0.327 ns和0.128 ns,验证了该方法的有效性和正确性。

3) 天线线缆时延标定

利用矢量网络分析仪可以测得3台用户终端天线线缆的时延,结果如表5所示。

表5　用户终端天线线缆的时延标定结果

4) 用户终端主机时延标定

待用户终端正常工作,时间间隔计数器读数稳定后,连续采样10 min,测量结果取平均值,标定结果如表6所示。

表6　用户终端主机时延的标定结果

经计算,3台用户终端B3频点的绝对时延如表7所示。

表7　3台北斗用户终端B3频点的绝对时延

4结束语

为满足国防、金融等行业高端用户采用北斗定时用户终端实现高精度时间同步的需求,本文提出了用户终端整机标定和分段标定两种绝对时延标定方法,并采用该方法对3台北斗定时用户终端B3频点的绝对时延进行标定。实验结果表明,这两种标定方法合理、可行,标定误差不确定度优于2 ns,满足北斗定时用户终端时延标定5 ns指标的要求。

参考文献

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[7]吴春邦,杨文丽,刘波.导航卫星天线相位中心及时延测试[J].空间电子技术,2009(1):92-96.

谢维华(1979-)，男,高级工程师,主要从事卫星导航接收机技术研究。

陈娉娉(1975-),男,工程师,主要从事卫星导航接收机技术研究。

孔敏(1975-)工程师,主要从事卫星导航接收机技术研究。

Time Delay Calibration Method for User Terminal of The BeiDou Navigation Satellite System

XIE Weihua,CHEN Pingping,KONG Min

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China)

Abstract:The accuracy of time delay calibration for the user terminal of the BeiDou navigation satellite system has a great impact on the timing accuracy of the user terminal. So the time delay calibration must be carried out before timing accuracy test. In this paper, two kinds of time delay calibration schemes for satellite navigation users with absolute delay and relative delay are studied. For the BeiDou user terminal without one pulse per-second(1PPS) input interface, two absolute time delay calibration methods are proposed. Experimental results show that the error of these two calibration methods is better than 2 ns, which meets the requirements of the 5 ns index for the time delay calibration of the BeiDou user terminal.

Keywords:BeiDou navigation satellite system; user terminal; time delay; calibration

作者简介

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-08-01

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.006

联系人： 谢维华 E-mail: 18901080599@163.com