北斗授时时统零值标定技术研究

戎 强，尹继凯，王 彬

北斗授时时统零值标定技术研究

戎 强，尹继凯，王 彬

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

针对日益增长的北斗授时时统零值标定需求，在建立北斗授时链路时间传递模型的基础上，深入研究了5种北斗授时时统零值标定技术的标定原理及其优势和不足，并利用不同型号北斗授时时统开展了零值标定实验验证。结果表明，5种零值标定技术可分别实现不超过0.1 ns、0.9 ns、1.5 ns、2.0 ns、2.8 ns的零值标定，分别适用于少量超高精度标定、小批量较高精度标定、大批量自动化标定、日常巡检标定、快捷粗略标定等不同类型的北斗授时时统零值标定应用场合，具有良好的工程应用价值。

北斗授时；时统；零值标定；组合零值；时间链路

0 引言

随着我国北斗三号卫星导航系统的建成，北斗卫星信号已经实现全球覆盖，大量的北斗授时时统设备已经广泛应用于国防建设、国民经济、大众生活等诸多领域，未来海量的北斗授时时统将投入市场，而北斗授时时统设备的零值标定精度直接影响着北斗授时服务的精度[1]，所以有必要深入研究北斗授时时统的零值标定技术，以推进大量已部署北斗授时时统巡检标定服务的完善升级和海量新增北斗授时时统零值标定业务的快速发展。

对北斗授时时统进行零值标定的目的是实现授时时统输出的定时信号与国家标准时间的高精度同步，当前，国际通用的标准时间为协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC），我国的北斗卫星导航系统产生维持的本地时间通过高精度时间比对链路间接溯源到了UTC[2]，因此可以通过测量对应链路的时延值实现对北斗授时时统的零值标定，从而保证北斗授时时统定时信号的准确性。当前，存在大量针对卫星导航接收机的综合性能测试技术[3-5]的研究和单项指标测试技术[6-8]的研究，包括通道时延标定[9-11]、特定链路的零值标定[12,13]、导航接收机授时精度测试[14,15]以及针对卫星导航接收机的微波暗室自动测试[16-19]等技术的研究，但尚未见到针对北斗授时时统零值标定技术的较为体系化的研究，针对当前存在的多种不同类型的零值标定需求，本文开展了北斗授时时统零值标定技术的深入研究，并进行针对性的实验验证。

1 北斗授时链路时间传递模型

研究北斗授时链路时间传递模型的目的是通过分析北斗授时链路的时间传递过程[20]，研究影响时间传递精度的关键因素，进而设计有效可行的零值标定方案。北斗授时链路的时间传递模型主要包括溯源链路、站间链路、星地链路、下行时统链路，北斗授时链路时间传递模型如图1所示。

图1 北斗授时链路时间传递模型

2 北斗授时时统零值标定技术

针对北斗授时时统零值标定业务中存在的少量超高精度零值标定、小批量较高精度零值标定、大批量自动化零值标定、已部署时统日常巡检、部分时统快捷粗略标定等多种不同类型的标定需求，基于全链路组合零值等于相互独立的各分段零值代数和的原理，北斗授时时统零值标定技术可划分为UTC时标标定技术、远程链路标定技术、测试系统标定技术、检测仪标定技术和时统比对标定技术。

2.1 零值标定技术基本原理

2.1.1 UTC时标标定技术

图2 UTC时标标定技术原理图

由式（1）～式（3）联立，得到北斗授时时统的零值调整量为：

2.1.2 远程链路标定技术

图3 远程链路标定技术原理图

由式（1）、式（2）和式（5）联立，得到北斗授时时统的零值调整量为：

2.1.3 测试系统标定技术

图4 测试系统标定技术原理图

图4中时间间隔计数器的时差测量值可表示为：

在式（8）成立的前提下，测试系统标定技术与UTC时标标定技术的测试原理类似。由式（1）、式（2）、式（7）和式（8）联立，可得到北斗授时时统的零值调整量为：

2.1.4 检测仪标定技术

图5 检测仪标定技术原理图

图5中，时间间隔计数器的测量值可表示为：

在式（11）成立的前提下，检测仪标定技术与UTC时标标定技术的测试原理类似。式（1）、式（2）、式（10）和式（11）联立，可得到北斗授时时统的零值调整量为：

2.1.5 时统比对标定技术

时统比对标定技术是利用零值经过精密标定的标准时统作为参考，通过接收空间导航卫星播发的导航信号，对被测北斗授时时统进行对比测试的零值标定技术，其基本原理如图6所示。

图6 时统比对标定技术原理图

2.2 各零值标定技术的优势与不足

所述5种北斗授时时统零值标定技术分别具有各自的优势和不足，如表1所示。

表1 零值标定技术的优势与不足

3 验证与分析

实验由6台不同厂家研制的北斗授时时统，分别采用所述的五种不同的零值标定技术对它们进行零值标定，标定结果如表2所示。

UTC时标标定技术对北斗授时时统的零值标定是直接在UTC中心完成的，而对北斗授时时统进行零值标定的目的是实现北斗授时时统输出的定时信号与UTC中心定时信号的高精度同步，所以该技术是最高精度的零值标定技术，其零值标定误差的主要来源为标定设备引入的测量误差，这里取UTC时标标定技术的零值标定误差不超过0.1 ns；为了评估远程链路标定技术、测试系统标定技术、检测仪标定技术、时统比对标定技术等其它4种技术的标定精度，将其它4种标定技术的标定结果与UTC时标标定技术的标定结果作差，并求取各标定技术的零值偏差均值，进而评估各标定技术的标定精度，零值数据处理结果如表3所示。

表2 零值标定结果（单位：ns）

表3 零值数据处理结果（单位：ns）

可见，所述5种零值标定技术都可以实现对北斗授时时统的零值标定，但各标定技术的标定精度存在一定的不同，结合各零值标定技术的优势与不足，具体分析结果如下：

1）UTC时标标定技术的标定精度最高，其零值标定误差在0.1 ns以内，可满足少量高精度零值标定用户的零值标定需求，但难以支撑大批量的时统零值标定业务，不支持对已部署北斗授时时统零值的巡检标定。

2）远程链路标定技术可实现较高精度的零值标定，其零值标定偏差的均值在0.9 ns以内，相对于构建远程时间比对链路所产生的UTC标准信号的大范围拓展，引入不超过0.9 ns的零值偏差是可以接受的；该技术可满足小批量较高精度零值标定用户的标定需求，但难以支持大批量时统零值标定业务，不支持对已部署北斗授时时统零值的巡检标定。

3）测试系统标定技术的零值标定偏差的均值在1.5 ns以内，对于标准化测试流程产生的批量化标定优势，引入不超过1.5 ns的零值偏差是可以接受的；该技术可支撑大批量的时统零值标定业务，但不支持对已部署北斗授时时统零值的巡检标定。

4）检测仪标定技术的零值标定偏差的均值在2.0 ns以内，其便捷的日常巡检标定能力可有效支撑大量已经部署的北斗授时时统的抵近式零值巡检。

5）时统比对标定技术的零值标定偏差均值在2.8 ns以内，对于授时需求在6 ns以内的高精度授时应用其零值标定精度略显不足，但作为最快捷、最容易实现的零值标定技术，该技术在北斗授时时统零值的粗略标定和定性测试中依然具有重要的应用价值。

4 结语

在对北斗授时时间传递链路进行建模的基础上，对北斗授时时统零值标定技术进行了深入研究，并利用6种不同厂家的北斗授时时统开展了针对性的实验验证，研究表明：UTC时标标定技术、远程链路标定技术、测试系统标定技术、检测仪标定技术、时统比对标定技术分别具有各自的优缺点和不同的适用性，可分别满足少量用户的超高精度零值标定、小批量用户的较高精度零值标定、大批量用户的较高精度的自动化零值标定、已部署用户的一定精度的日常巡检零值标定需求以及绝大多数用户的快捷粗略标定需求。所述的五种标定技术在工程上已经被部分采用，获得了良好的效果，对于各类北斗授时时统零值标定系统和装备的研制具有一定的参考价值。

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Study on Zero-Value Calibration Technology of Beidou Timing System

RONG Qiang, YIN Jikai, WANG Bin

In order to meet the growing demand for zero-value calibration of Beidou timing system, based on the establishment of Beidou timing link model, the testing mechanism, advantages and disadvantages of five Beidou timing system zero-value calibration technologies are analyzed in depth, and the zero-value calibration experiments are carried out using different Beidou timing systems. The results show that the five zero-value calibration technologies can achieve zero-value calibration of no more than 0.1 ns, 0.9 ns, 1.5 ns, 2.0 ns, 2.8 ns, respectively. They are suitable for different types of zero-value calibration applications such as small quantities of ultra-high precision calibration, small quantities of high accuracy calibration, large quantities of automated calibration, daily patrol calibration, fast and rough calibration, and have good engineering application value.

Beidou Timing; Timing System; Zero-Value Calibration; Combined Zero-Value; Time Link

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-05-313-06

2022-05-05。戎强（1980.02—），河北石家庄人，硕士，高级工程师，主要研究方向为时间频率系统、卫星导航与授时。