基于矩阵构造的伪码测距时标偏差标定方法

王金华，刘魁星，韦欣荣

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



基于矩阵构造的伪码测距时标偏差标定方法

王金华1，刘魁星1，韦欣荣2

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

描述了卫星导航系统站间时间同步和伪距时标偏差的基本原理，分析比较了伪距时标偏差对站间时间同步的影响，并给出具体的实验数据。针对卫星导航系统测距设备存在伪码测距时标偏差的问题，提出了一种新的基于矩阵构造的伪距时标偏差的标定技术，设计了具体的有线测试环境，并给出实验结果，分析了伪码测距时刻标定误差的主要来源。将此方法用于站间双向时间同步计算中，能有效地评估测距设备的伪码测距时刻的准确性，取得了很好的效果。

卫星导航；站间时间同步；伪码测距；时标偏差

0 引言

卫星导航系统可采用双向无线电伪距时间同步法进行各站之间时间同步，具有高精度和高可靠性的特点。基本原理是利用站间信号传播路径完全相同，二者钟差即为所测量的伪距之差除以光速的基本原理。需要同步的各站间分别用本地时钟驱动发射信号，各站接收对方的信号并进行测距，完成与本地钟之间的伪距测量，对测距数据进行相应的数学处理即可以得到时间同步结果[1]。

伪码测距时标偏差指标记的伪距测量时刻与真实的伪距测量时刻存在偏差，文献[2-3]分析了伪距测量时刻偏差对卫星导航系统性能的重要影响，同样，伪距测量时刻偏差也影响测距系统的基本性能[4]，导致定轨结果和导航卫星双向时间比对结果恶化，使含有时标偏差的多个跟踪弧段O-C曲线呈现锯齿状，导致双向时间同步结果出现周期性抖动的现象[5]，这也使得每个含有时标偏差弧段计算的钟差拟合参数不能进行跨弧段预报，从而影响时间同步结果的准确性和数据有效性。文献[5]已经从卫星导航系统的角度分析讨论了时标偏差对卫星伪距测量的影响特性，并给出了利用伪距O-C(观测值与计算值之差)进行时标偏差解算的计算模型[6]，但此模型需要具有高精度的卫星轨道支持，只能在卫星在轨运行期间进行长期数据积累和计算，具有较长的滞后性。而测距设备作为导航原始测量数据获取的基础设备，在研制和开发期间需要事先对伪距测量时标偏差大小进行标定。

本文基于前人的标定基本原理，结合测距设备研制和开发的实际环境对模型进行了改进，提出了一种新的基于矩阵构造的伪距时标偏差的标定方法，给出未使用时刻标定方法的站间时间同步结果和使用之后的对比图，事实证明此方法切实有效。

1 伪码测距时标偏差对站间双向时间同步 的影响

卫星导航系统各地面站时差测量与计算方法统称为站间时间同步技术，是卫星导航的关键技术之一，站间时间同步误差直接影响导航卫星时间同步精度，关系到用户定位精度[7]。

站间时间同步一般采用双向无线电伪距同步的方法[8]，两站之间信号传播路径完全相同，两站钟差即为所测量的伪距之差除以光速C。需要同步的X，Y两站同时发送频率相同或相近的2路测距信号，X，Y两站分别接收对方的测距信号并完成伪距测量。

设X站的钟面时为tX，Y站的钟面时为tY。两站的钟差为：

TXY=tX-tY。

(1)

两站所测得的伪距测量值ρX，ρY为：

ρX=C(tX-R0X/C-ΔtXY)+CtXD。

(2)

ρY=C(tY-R0Y/C-ΔtXY)+CtYD。

(3)

式中，ΔtXY为X站与Y站之间的时刻差；CtXD为Y站至X站的传播附加等效距离误差；CtYD为X站至Y站的传播附加等效距离误差；R0X为X站收到信号的真空距离；R0Y为Y站收到信号的真空距离，故R0X与R0Y相等。

由于收发信号为同频信号，故CtXD与CtYD相同，式(2)与式(3)相减有站间时间同步结果：

TXY=tX-tY=(ρY-ρX)/C。

(4)

式(4)成立有一个前提条件，即X站和Y站测得伪距测量值与其真正的测量时刻相对应，即所测得伪距打的时间标记应该与该时间的测量伪距值准确对应，否则会将时间错位的伪距值引入计算，导致错误的结果，在卫星处于大动态的情况下尤其明显。在实际工程中，由于网络时间同步精度影响或者伪距测距处理上的方法问题，往往会出现较大的偏差，从而使得站间双向时间同步精度的下降。文献[9-11]提出通过对时间同步的钟差以及其拟合残差的特性分析来评估时间同步结果，某站间时间同步系统分别在不同伪距时刻偏差的情况下进行时间同步，当时刻偏差从200 ms增大到600 ms时，拟合出的钟差直线更加弯曲，拟合残差从1 ns左右增加到5 ns左右，时间同步结果越来越差。

2 时标偏差标定原理及方法

2.1 时标偏差标定原理

。

(5)

(6)

忽略二阶项影响，假设时标偏差不变的情况下有：

(7)

从而有

(8)

构造矩阵，进一步变形可得到：

(9)

2.2 时标偏差标定方法

根据矩阵构造法的原理，用模拟卫星信号源代替真实卫星，通过有线方式与接收链路形成闭环的形式构造测试环境，时刻标定方法测试连接原理如图1所示，测试时，模拟卫星信号源发出固定速度和加速度的大动态模拟卫星测试信号，经过长电缆接入接收链路，接收机接收测试信号并进行测距，接收机和模拟卫星信号源采用同一个原子钟提供时钟信号，驱动接收机和模拟卫星信号源工作，以满足同源条件，所有计算机均需要进行网络时间同步或者B码时间同步，接收和存储接收机产生的测量伪距数据和模拟卫星信号源产生的星地距离理论仿真数据。采集到了足够多的数据后，采用式(9)就可以计算出被测设备的时刻偏差。

图1 时刻标定方法原理

3 时刻偏差标定结果

3.1 时刻标定实验结果

利用上述标定原理和方法，对某型测距设备进行测试，设置模拟卫星信号源仿真数据为初始距离20 000 km，初速度为900 m/s,加速度为-0.25 m/s2，得到测试结果如图2所示。

图2 不合格的时刻偏差测试结果

时刻偏差约为2.999 94 s。将此设备用于站间时间同步中，计算出的时间同步结果如图3所示，从图3中可以看出，此时钟差曲线比较弯曲，拟合残差已经超过了10 ns，均无法满足系统要求，需要改进后方可接入系统使用。

图3 时刻偏差不合格时站间时间同步及残差结果

深入分析并解决测距设备的时刻偏差过大问题后，对其进行重新测试，测试条件不变，得到时刻偏差标定结果如图4所示，时刻偏差约为0.088 ms。将此设备用于站间时间同步中，计算出的时间同步结果如图5所示。从图5中可以看出，此时计算出的钟差曲线已经很平滑，拟合残差最大约为2 ns，该结果能满足卫星导航系统站间时间同步系统长期稳定运行的需要。

图4 设备改进后合格的时刻偏差测试结果

图5 时刻偏差合格时站间时间同步及残差结果

由以上测试结果可知：此伪码测距时刻偏差标定方法能有效测出时刻偏差，通过精确评估的系统设备用于站间时间同步中能大幅度提高时间同步精度。

3.2 误差分析

伪码测距时刻标定误差的主要来源分为以下几个方面：模拟卫星信号源的仿真数据与真实信号的误差；系统采用时频信号的相位一致性；记录数据的计算机时标准确性。下面分别进行分析。

模拟卫星信号源的仿真数据与真实信号的误差可通过对模拟卫星信号源测试前标定的方式来进行控制，偏差一般可以控制在0.3 ns以内，只要标准差控制在0.5 ns以内，固定的系统差不会影响标定的结果的正确性。

原子钟输出1 pps和10 MHz时频信号的相位一致性会影响模拟卫星信号源输出信号携带伪码相位和接收机测距结果的准确性，需要事先通过时间间隔计数器进行标定，一般控制在0.5 ns以内不会影响标定结果。

记录数据的计算机时标可通过网络时间或者B码进行同步，同步精度控制在0.1 ms以内不会影响标定结果。

通过以上技术处理，能控制伪码测距时刻标定的误差，使得伪码测距时刻标定结果更加准确。

4 结束语

针对伪码测距时刻偏差，系统地研究了伪码测距时刻偏差的标定原理，提出了基于有线测试环境的矩阵构造法对测距设备时刻偏差进行标定，并给出实验结果，将此方法应用于站间时间同步测距设备的研制和测试中，站间时间同步计算结果表明，此方法切实有效，能满足实际工程的需要。同时也可用此方法对星地链路和星间链路测距设备的时刻偏差进行标定。

未来工作方面，将进一步研究提高伪码测距时刻标定准确度的方法；进一步准确计算在满足时间同步精度条件下各种动态卫星能容忍的伪码测距时刻偏差。

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王金华 男，(1977—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航总体技术。

刘魁星 男，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航系统时间同步技术。

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

王金华，刘魁星，韦欣荣.基于矩阵构造的伪码测距时标偏差标定方法[J].无线电工程,2016,46(12):47-50.

2016-08-22

卫星导航系统与装备技术国家重点实验室发展基金资助项目(EX1501D0065)。

TN967.1

A

1003-3106(2016)12-0047-04