一种时间比对设备零值的校准方法

韩 华，董仁智，刘连照

(1.石家庄诺通人力资源有限公司，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.电子科技大学，四川 成都 611731；4.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

进行地面站间高精度时间比对常用的方法有光纤双向时间比对法、卫星双向时间比对法及卫星共视时间比对法等[1]。光纤双向时间比对法以光纤作为信号传输介质，受传输链路影响较小，时间比对精密度优于1 ns[2]；卫星双向时间比对以GEO卫星为中介，双向转发测距信号，信号收发链路对称，时间比对精密度优于2 ns[3]；卫星共视时间比对在相同时刻观测共同的卫星，有效消除了卫星钟差影响，时间比对精密度优于5 ns[4]。上述3种时间比对手段，卫星共视因使用费用低、比对精度高、覆盖范围广及可连续运行等特点被广泛应用[5]。

影响卫星共视比对精度的误差主要为：信号传播相关误差、卫星相关误差及共视设备相关误差等[6]。卫星共视属于长期连续运行系统，随着时间的推移，设备老化、环境变化等因素都会影响共视设备零值的变化，进而影响共视比对精度，因此定期对设备零值进行校准具有一定的必要性[7-9]。

国际权度局(BIPM)使用流动校准设备对世界范围内的UTC(k)实验室进行定期相对零值校准[10]，BIPM对UTC(k)实验室以外的用户不提供服务，因此对于UTC(k)实验室以外用户设备零值难以得到有效标定。本文提出了一种时间比对设备零值的绝对校准方法，使用基于模拟源与微波暗箱对时间比对设备零值进行分段标校，能够对时间比对设备进行定期现场校准且不受时间比对设备内部部件替换限制，有利于提升时间比对设备比对精度。

1 零值校准原理

零值校准设备由导航信号模拟源、发射天线、微波暗箱、低噪声放大器及线缆等组成。待校准时间比对设备由接收天线、30 m天线线缆及共视设备主机等组成。零值校准原理如图1所示。

图1 零值校准原理Fig.1 Principle of zero value calibration

τa=τt+τr+τRF=(τs+τATT+τLT)+

(τATR+τLR+τREC)+τRF，

式中，τa为链路总零值；τt为发射零值；τr为待测的接收零值；τRF为信号空间传播零值；τs为模拟源发射零值；τATT为发射线缆零值；τLT为发射天线零值；τATR为接收天线零值；τLR为接收线缆零值；τREC为待测共视设备零值。

由图1可以看出，链路总零值通过计数器实时测量，模拟源发射零值使用高速示波器进行标定，发射天线零值为已知值，发射线缆零值通过矢量网络分析仪测量。本文以GPS L1频点为例开展接收链路的校准。

2 零值校准过程

时间比对设备的零值定义为接收天线的相位中心至共视设备主机1 pps信号输入参考点[11]，整个校准分为：线缆校准、共视设备主机校准和接收天线校准。

2.1 线缆校准

利用矢量网络分析仪测量时延的功能测试电缆时延。测试开始前需对矢量网络分析仪进行自校准，测试框图如图2(a)所示。线缆测试原理如图2(b)所示。线缆校准测试如图3所示。测试选用30 m天线线缆，测量3次取平均值，得到天线线缆的时延为132 ns。

图2 线缆校准与测试原理Fig.2 Principle of cable calibration and test

图3 线缆校准测试Fig.3 Cable calibrate test

2.2 共视设备主机校准

共视设备主机校准需使用GNSS导航信号模拟源搭建闭合环路进行测试，因此需先标定GNSS导航信号模拟源发射零值，模拟源发射零值定义为模拟源射频输出线缆末端至模拟源1 pps信号输出接口。利用宽带高速采样存储示波器和专用的信号时延分析软件对射频信号进行时域观测[12]，如图4所示。设置模拟源，使其产生射频信号，通过高速示波器在整秒时刻比较模拟器输出的1 pps信号及标校端口输出的卫星信号的相位翻转点，从而确定模拟器的发射零值，测量3次取平均值，得到模拟源发射零值为275.49 ns。

图4 模拟源校准原理Fig.4 Principle of signal simulator calibration

使用校准完成的GNSS导航信号模拟源与待测共视设备主机搭建闭合测试环境，如图5所示。共视设备主机零值定义为30 m线缆输入端至共视设备主机1 pps信号输入端，共视设备主机使用外部输入的1 pps作为伪距测量基准，因此共视设备主机射频输入端口至主机内部1 pps基准参考点的零值可由模拟源的发射伪距与共视设备主机的接收伪距做差获得；主机内部1 pps基准参考点至共视设备主机1 pps信号输入端的零值由时间间隔计数器测量获得。

连续采集1 h数据进行处理，得到共视设备主机零值为463.21 ns。

图5 主机校准原理Fig.5 Principle of host calibration

2.3 接收天线校准

接收天线校准在线缆、共视设备主机完成校准后进行测试，测试框图如图6所示。

图6 天线校准原理Fig.6 Principle of antenna calibration

校准实物如图7所示。

图7 校准实物Fig.7 Picture of calibration equipment

测试链路除待测天线零值未知外，还需扣除射频信号在微波暗箱中的传输时延，使用激光测距仪测量收、发天线间距离，计算得到传输时延。连续采集1 h数据进行处理，得到接收天线零值为62.35 ns。

3 零值校准验证

按照上述方法分别选取时间比对设备A，B进行零值校准，测试结果如表1所示。则时间比对设备A，B间的相对零值为3.78 ns，作为后续测试的零值参考值。

表1 零值校准记录表
Tab.1 Results of zero value calibration

序号设备类别测量值/ns1A线缆133.68主机463.21天线63.152B线缆135.15主机458.76天线62.35

将时间比对设备A和B搭建同源、超短基线环境进行测试验证，天线置于开阔无遮挡处，连续采集2 d原始观测数据使用PPP的方法标定位置坐标，使用该坐标位置进行共视数据处理，连续测量3次，每次测量周期的24 h，每次测量后设备进行开关机操作，最终得到数据如表2所示。表中测量值表示3次同源测试结果。

表2 超短基线测试记录表 ns

Tab.2 Results of mini-baseline test

序号零值参考值超短基线测量值偏差1233.783.890.114.020.243.920.14

由表2可以看出，使用本文所示方法对共视设备进行校准，校准偏差优于0.3 ns。

4 结束语

本文研究了一种时间比对设备零值的绝对校准方法，利用模拟源与微波暗箱的组合对待测设备零值进行分段校准，基于该方法对2套时间比对设备进行了标定，并搭建了同源、超短基线环境进行测试验证，测试结果表明该方法可以实现优于0.3 ns的校准精度。后续可将所涉及的校准设备进行便携化设计并进行软件自动化测试功能开发，从而进一步满足工程应用。