远程时间比对中的设备时延校准技术研究

戴雨薇

摘要：高精度时间同步在军事和民用领域的地位极其重要。随着我国自主卫星导航系统的建成，北斗卫星导航系统的高精度时间同步应用前景十分广阔。设备时延校准是时间同步的关键技术，其校准精度已成为制约时间同步精度的最主要因素。基于此，本文主要对远程时间比对中的设备时延校准技术进行分析探讨。

关键词：远程时间比对;设备时延;校准技术

1、前言

卫星导航定位系统是基于时延测量的系统，系统各组成部分的时间同步精度直接影响系统的定位和授时精度，时间同步技术是卫星导航系统的关键技术之一。时间比对是时间同步的手段，通常参与比对的系统相距较远，难以直接进行测量。远程时间比对最直观的方法是搬钟，用一个标准钟作搬钟试验，使各地的时钟均与标准钟对准，或者首先将便携钟和系统的标准时钟对准，然后将系统中的其他时钟与便携钟比对，实现不同系统的时钟同步。

2、远程时间比对中的绝对时延校准

绝对时延校准是一种获得设备绝对时延的校准方法，相对时延校准是一种获得设备相对时延的校准方法。由第二章的分析可知时间比对过程需要不定期地进行设备时延校准以确保时间比对的精确性和有效性。双向时间比对关注的设备时延是收发时延差。共视比对关注的是接收时延差，接收链路包括天线、天线电缆和接收机三个部分，传统接收绝对时延校准方法能够独立地测量每个组成部分的时延，实现接收链路各个组成部分的时延分离，在星地时间比对等领域上有着良好的应用前景，但存在难以实时测量、难以整体测量、未包含反射面天线和测量时延的有效性还有待验证等缺点卫星模拟器法是一种绝对时延校准方法，利用放置于天线反射面对面的卫星模拟器将地面站发射信号频率变频至地面站接收信号频率，并切换不同的测试路由实现发射通道自调制器出口到发射天线馈源的時延测量，以及接收通道自接收天线馈源到解调器入口的时延测量。通过测量地面站发射和接收通道相关设备的时延，然后对测量结果进行处理得到设备时延对卫星双向时间同步的影响。该方法无法实时在线测量发射和接收通道的设备时延，未考虑调制解调器发射时延和接收时延的差异。

为克服传统绝对时延校准方法的不足，提出基于模拟卫星发射系统的接收绝对时延校准方法。基于模拟卫星发射系统的接收绝对时延校准原理是将接收天线和接收机以及连接线缆整个接收链路视为一个整体，将接收链路之前的所有部分的总体发送时延进行准确校准，然后将发送和接收部分组成环路，利用接收机的伪距测量能力获得整个环路的时延，减去发送时延则得到相应的接收时延。首先利用示波器测量模拟卫星发射系统发射通道的单向发送时延，接着将喇叭发射天线在微波暗室内进行精确时延标定，然后将模拟卫星发射系统通过喇叭发射天线和反射面天线与接收链路对接组成环路，通过观测接收机伪距来测量包含天线在内的接收通道时延。

3、远距离时间比对中的相对时延校准

为克服通常绝对时延校准方法不能直接校准完整接收链路，难以校准大尺寸反射面天线时延的苦难，结合时间比对链路的相对时延差校准需求，相对时延校准是一种以获得设备绝对时延相对差值为目标的校准方法，相对时延校准无需获得单个设备的绝对时延。绝对时延校准不确定度影响因素较多，相对时延校准只受参考设备稳定性以及时间基准传递有效性两个因素影响。

3.1卫星双向时间比对中的相对时延校准

时间同步过程需要校准时间同步站内部的设备时延，设备时延的校准准确度直接影响时间比对准确度。卫星双向时间比对中的设备时延校准方法主要有卫星模拟器和便携式双向时间同步站法两种。卫星模拟器法通过测量地面站发射通道和接收通道的设备绝对时延，并将得到的绝对时延相减得到地面站发射和接收通道设备时延差。

3.2共视时间比对中的相对时延校准

3.2.1基于GPS便携式参考接收机的相对时延校准原理

利用GPS共视时间比对链路的设备时延校准主要有两种方法，第一种方法是分别校准时间比对站点的接收机设备时延、天线及天线连接线缆时延、接收机参考时间与本地参考时间之间延迟，属于绝对时延校准方法;第二种方法是将便携接收机与比对链路上各时间比对接收机分别共钟测量来实现。第二种方法不需要分别测量比对链路中每个设备的时延，操作相对简单，避免了不必要的不确定度来源，被广泛应用于国际原子时的计算当中。

便携式参考接收机校准需要使用一个便携GPS接收机，简单称为TR。校准过程中，所有设备共用本地参考时钟频率源提供的1pps信号，设便携接收机参考时钟同本地参考时钟之间的时延为d1，本地接收机参考时钟同本地参考时钟之间的时延为d2。设RR12，tt为实验室1和实验室2的接收设备时延，Cgps为GPS链路的设备时延校准值，可利用便携接收机和本地接收机在两个时间同步站的共钟差计算得到。

3.2.2利用全视法和共视法进行共钟差测量的比较

在讨论校准结果之前，简要分析利用共视法测量共钟差的优势。在含有GPS精密单点定位模式的时间比对链路中，共钟差测量可以使用共视法也可以使用全视法。共视法测量每次取样周期中两个接收机共视每颗卫星时差值，然后再求取差值的平均值。全视法模式中，测量接收机所跟踪的所有卫星所提供的GPS系统时间和接收机时间之间差值的平均值，然后再计算两个接收机时间与GPS系统时间差值平均值的差值。全视法在洲际时间比对线路上比共视法先进，2010年2月已被确定在参与国际原子时（TAI）计算的以GPS为基础的时间比对链路中应用。

4、结语

本文在分析传统绝对时延校准方法的基础上，提出一种基于模拟卫星发射系统的接收绝对时延校准方法，克服了以往绝对时延校准方法未包含大尺寸反射面天线、难以实时整体测量接收链路时延等缺点，可依据此原理实施北斗系统时间同步站接收机的绝对时延校准，不确定度约为0.6ns。

参考文献：

[1]  高小殉，高源，张越，等.GPS共视法远距离时间频率传递技术研究[J].计量学报，2008，29（1）.

[2]  杨旭海.GPS共视时间频率传递应用研究[J].北京：中国科学院研究生院，2003.

（作者单位：国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院）