北斗监测接收机设备时延性能检测评估

冯晓超，刘魁星，高帅，马倩

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

北斗监测接收机是北斗卫星导航地面运控系统的核心设备之一，为系统精密定轨、卫星钟监测、电离层解算等核心业务提供原始观测数据，其设备性能会影响系统提供给用户的定位、导航和授时（PNT）服务精度。由于设备时延值包含在伪距测量值中，北斗监测接收机必须要严格控制设备时延性能，尽量消除设备时延对观测数据的影响，确保提供给系统业务处理精度，以实现系统 PNT（Position, Navigation, Timing）服务精度。因此，设备时延性能是北斗监测接收机主要考核性能指标。

现有关于北斗监测接收机设备时延的研究文献一般将其直观的理解为信号在接收设备中的传输和处理物理延时，研究内容主要局限在将接收机设备时延作为一项固定的设备参数的标定技术方面。但这种对北斗监测接收机设备时延的理解和性能指标考核与评价是不全面的。在实际应用中，由于受到工作环境温度变化、设备元器件特性、信号处理算法差异、以及设备开关机等不同因素的影响，或者输入时钟、复杂电磁环境及多径效应等外部条件的变化，会等效引起设备时延或不同通道时延差的变化，从而导致北斗监测接收机PNT解算精度的降低。北斗监测接收机设备时延性能全面评估考核与测试就成为一项重要研究内容。

1 设备时延概念与定义

设备时延是指信号在接收、变频、跟踪、测量的过程中，信号在接收机设备内部从一个电路到另一个电路行进中，由于电路或元器件所产生的内部时延。这种时延是信号所通过的链路对信号相位的影响在时域上的表现，一般用群时延来描述，它是线性系统和网络固有的一种传输特性参数，其数学表达式定义为相位对角频率的微商：

式中，φ(ω)表示相位，ω表示角频。

具体到北斗监测接收机，设备时延应该准确的定义为设备通道时延，是指从导航信号从天线相位中心到每个独立信号接收测量通道 1pps测试点的时延值。由于北斗监测接收机通常需要接收不同频点和不同支路/分量的导航信号，导致接收机具有多个独立的接收通道，而每个接收通道受接收信号频率、信号带宽、调制方式、码速率等因素的影响，其通道时延也各不相同。

图1给出了北斗监测接收机设备时延的示意图，在理解北斗监测接收机设备时延前，需要先要明确4个概念。

（1）接收机本地钟面时。接收机本地钟面时是指接收机本地时间参考点，理论上可任意选取接收机的不同位置，选取位置不同，其钟面时的读数也不同。但是为确保接收机钟面时的唯一性，通常选取接收机本地时钟参考点（即：图1中D点，表示为TCLC）作为接收机钟面时基准点，接收设备内部的所有时间均由此时间基准得到，而且与输出的1pps脉冲信号就存在固定的相位关系。接收机钟面时是一个虚拟的不可测量的时间标志。

（2）伪码采样时。接收机完成伪距测量的基准时间，接收机本地生成参考扩频伪随机序列码所需的时间基准（即：图1中C点），相对接收机本地钟面时的时延为τ1。伪距采样时也是一个虚拟不可测量的时间标志。

（3）1pps输出时。根据接收机本地钟面时或外部输入1pps基准生成的输出1pps时间基准（即：图1中D点），其相对接收机本地钟面时的时延为τ2。1pps输出时是一个可测量的时间标志。

（4）天线相位中心。完成空间磁信号向设备电信号转换的基准点（即：图1中E点），以此基准点为分界，导航信号在设备内部进行传输与处理，其相对接收机本地钟面时的时延为τ1+τ3。天线相位中心是一个可测量的基准点。

图1 北斗监测接收机设备时延定义示意图

由以上概念可以看出，北斗监测接收机设备时延是可表达如式（2）：

2 设备时延性能指标分析

衡量设备通道时延性能主要包括3项指标：准确性、一致性和稳定性。

2.1 准确性

设备时延准确性是指对接收机设备时延标定值与设备时延真实值之间的偏差。

北斗监测接收机设备时延值通常采用高频载波数字采样技术完成高精度标定。在标定过程中，影响设备时延准确度的主要因素包括以下5项：

（1）基准信号源设备时延标定偏差。由于基准信号源输出的导航信号相对较弱，噪声影响较大，导致基准信号翻转点不易精确确定，造成信号源时延标定误偏差，从而影响接收机时延标定准确度。

（2）1pps脉冲信号前沿抖动。由于基准信号源和接收机输出的 1pps脉冲信号上升沿均存在0.1ns～0.5ns的前沿抖动，造成时延标定偏差。

（3）1pps脉冲信号触发电平设置。标定过程中需要采用1pps信号前沿进行触发测试，由于1pps信号上升沿宽度为 3～10ns，而不同的触发电平会测得结果存在差异，这会引入时延标定结果中。

（4）接收机伪距测量精度。接收机伪距测量精度度受限于信号伪码码率、接收机环路参数设计和内部噪声控制等因素，其测量精度会造成设备时延标定结果的归算偏差。

（5）测量仪器误差。测量仪器分辨率、噪声及参数设置差异等都会引入设备时延的标定误差。

2.2 一致性

通道时延一致性即接收机设备不同通道间的时延差异，是指接收机不同处理通道间的时延差值，根据接收机接收导航信号频点和伪距测量模式差异，主要包括两方面时延差值：同频通道时延互差（ICB：Interchannel Bias）和异频通道时延互差（IFB：Interfrequency Bias）。对于北斗监测接收机而言，通道时延互差值会影响测量的一致性，从而导致双频定位解算精度的降低。

（1）同频通道时延互差（ICB）

同频通道时延互差是指同一频点的不同支路信号/分量信号测量或者不同相关性质测量的设备通道时延差值。对于接收机某个通道来说，同一频点不同支路的测量信号经过的模拟信号链路是相同的，A/D采样后信号进入不同的数字通道，数字通道采用同步逻辑设计，在不考虑信号跟踪误差时，硬件延迟理论上是一致的。但由于不同支路信号调制的相位差异以及接收机处理通道相关器的参数差异，会导致接收机不同通道的处理时延可能会存在一定差异。接收机一般会采用直接中频采样和全数字正交解调技术，使同一频点各通道共用同一射频通道和模数转换器，码分多址分通道处理完全在数字域进行，再通过精心的算法设计以保证ICB值尽可能小。

（2）异频通道时延互差（IFB）

异频通道时延互差是指不同频点的信号由于传输和处理通道差异以及相同通道对不同频率时延的色散性而造成的设备时延差异。在接收机设计中，一方面由于不同频点信号的频率相差较大，会采用不同的接收天线、滤波器和低噪声放大器接收信号，同时不同频点信号也采用不同射频和基带处理通道，这是造成不同频率通道的时延差异主要原因；另一方面即使不同频点信号采用相同的RF电缆传输通道和中频A/D采样单元等，但由于传输通道对不同频率信号的传输时延具有色散性，会导致不同频率通道时延的差异。这些差异都会引入到接收机的测量过程中，导致不同频点测量值的差异。为准确测量信号的电离层延迟，消除频率间偏差的影响，必须保证接收机不同频点通道时延互差值的尽可能小。通过数据处理，可以把电离层延迟分离出来，也同时求出了不同频点的接收机硬件延迟偏差IFB和信号源的硬件延迟偏差Tgd之和。

2.3 稳定性

北斗监测接收机设备通道时延稳定性是指接收机在温度变化、器件老化、设备开关机等工作环境条件变化时，设备通道时延保持相对的稳定特性。

接收机通道时延主要由两部份组成，一是射频模拟信道的时延，包括信道滤波器时延，传输电缆时延和电子电路(如放大器、混频器)的时延；另一部分是数字信号处理电路的时延。对于不同部分通道时延，影响其时延稳定的因素各不相同。

（1）滤波器时延稳定性。为提高抗多径性能，接收机在高频电路中需要采用带宽较宽的滤波器，但是其温度稳定性相对较差；而为满足抗干扰功能，接收机需要在 70MHz中频信道里采用窄带滤波，对于采用最大平坦型带通滤波至少要7阶，其带内中心处群时延平均为70.8ns，如果由于温度变化引起中心频率漂移1%即0.7MHz，将引入0.4ns的时延变化，但是在通带的50%以外（即在f0±5MHz～f0±10MHz之间），群时延的变化较巨烈，1%的频率变化将带来8ns的变化，但是上、下边带的变化相反，扩频码总的时延在1～3ns范围内，为提高中频滤波器的时延稳定度，需要较好的声表面滤波器或温补LC滤波器，并采取恒温措施。

（2）电缆时延稳定性。采用50m长度的射频电缆，在接收机架设安装中，射频电缆大部分铺设在室外，其时延会受到外界温度变化的影响，需采用介电系数稳定的高稳相电缆以尽量减少电缆时延的变化。对于短电缆，其引入的时延变化不可忽视，当电缆头装配不好时，驻波较大，信号的反射形成多径，因电缆很短，传输损耗小，直射波和来回反射一次形成的多径信号，幅度差不多，也会影响时延稳定度。

（3）电路饱合影响。在有源模拟电路中，器件的饱和会改变其传输时延，信道中要避免出现信号或噪声饱合，以避免电路饱合引起时延变化。

（4）信号处理电路引入的时延。整个基带信号处理采用了大规模可编程逻辑器件（FPGA）和数字信号处理（DSP）的方式，硬件时延固定且稳定。其中信号处理引入的时延（比如频域抗干扰技术引入较大的硬件时延），需要通过标定的方法消除影响。

3 设备时延性能指标测试方法

3.1 准确性测试方法

北斗监测接收机设备时延准确性指标测试是主要是利用北斗监测接收机的本地钟面校时功能完成。如图2所示，首先，通过高频示波器精确标定模拟信号源的设备时延T源并修正，完成信号源修正后，设置模拟信号源发射信号仿真伪距值为 0；然后，北斗监测接收机接收 0伪距仿真射频信号，完成钟面校时后得到伪距测量值t′；同时，测量北斗监测接收机与模拟信号源间的钟差值Δ。理论上，如果北斗监测接收机设备时延修订值准确，那么信号源0伪距条件下，北斗监测接收机设备伪距测量值t′与钟差值Δ一致。因此，设备时延准确性指标可表示如下：

图2 北斗监测接收机设备准确度测试框图

3.2 一致性测试方法

设备时延一致性指标在有线条件下进行测试，测试场景为同源静态测试方式，设置模拟信号源发射1颗卫星RF仿真导航信号，测试框图如图3所示，设置接收机所有通道同时接收信号源生成的 1路仿真信号。

图3 北斗监测接收机设备时延一致性测试框图

（1）相同频率测试

统计所有频点所有通道所有类型的伪距测量值的均值)，其中j表示监测接收机第j个接收通道（接收不同编号卫星的导航信号），k表示伪距测量值类型（包括I/Q支路，宽相关、窄相关和抗多径），m=1,2,3,分别表示B1、B2、B3频点。设备相同频率间的通道时延互差定义为：

（2）不同频率测试

指定某一通道j，设备不同频率间的通道时延互差定义为：

3.3 稳定性测试方法

设备时延稳定性包括两种场景条件下的时延稳定性测试，一是设备开关机条件下的时延稳定性指标测试，二是设备长时间拷机条件下的时延稳定性指标测试。

（1）开关机条件

模拟信号源设置为全星座仿真状态，北斗监测接收机进行多次的开关机操作，每次开机待设备对信号锁定稳定后，存储设备对仿真信号测量数据。统计每组开关机测量的各通道伪码测距值与钟差差值的均值，求每次开关机伪码测距均值与参考通道（暂定B3频点I支路窄相关通道为参考通道）测距均值的差值：

然后求出6次开关的相同通道伪码测距均值差值的最大差：

其中，i表示监测接收机第i次开关机，k表示监测接收机第k个设备通道（包括 B1、B2、B3频点，I/Q支路，宽相关、窄相关和抗多径通道）

（2）长时拷机条件

模拟信号源设备为静态场景条件，接收机进行拷机测试，统计处理长时间伪码测距数据，每 100个数据点分为1组，求出每组数据的均值，然后求所有数据组伪码测距均值的最大差值：

其中，i表示第i组数据，Δ即为通道时延标定不确定度。

4 测试试验结果

采用北斗系统监测接收机作为试验被测接收机开展设备时延性能指标测试试验。北斗系统监测接收机是一种多频点、多通道的高精度测量型接收机，接收机具有216个独立接收通道，能够同时输出宽相关通道、窄相关通道以及抗多径通道的伪距观测数据，数据采集频度设置为1Hz。

设备时延准确度指标测试共进行3组测试，每组测试数据采集有效样本点为 3600个，被测设备时延标定准确性指标测试结果如表1所示。

设备时延一致性指标测试共进行1组测试，测试数据采集有效样本点为 3600个，被测设备时延一致性指标测试结果如表2所示。

表1 设备时延准确性指标测试结果（单位：ns）

表2 设备时延一致性测量结果（单位：ns）

设备时延稳定性指标测试包括2项：开关机条件下时延稳定性测试共进行了6组开关机测试，每组测试数据采集有效样本点为 3600个；长时间拷机时延稳定性测试共进行了 24h时长的拷机测试，数据采集有效样本点为86350个。被测设备时延稳定性指标测试结果如表3所示。

表3 设备时延稳定性测量结果（单位：ns）

5 结束语

设备时延是影响北斗监测接收机设备性能的重要因素，也是北斗监测接收机研制与测试验收中必须检测的一项重要指标。本文首先提出了一种物理含义清晰、易于测量的设备时延的新定义；然后，给出了北斗监测接收机设备时延性能指标评价体系和测试方法；最后，基于北斗系统监测接收机验证了北斗监测接收机设备时延性能指标测试技术的有效性和可行性。试验结果表明，北斗系统监测接收机设备时延准确性、一致性和稳定性均能达到了亚ns量级。