《電子技術(shù)應(yīng)用》
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BD2無源授時原理分析與測試
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第5期
翟昆朋1，何文濤1，2，徐建華1，2，葉甜春1
1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029； 2.杭州中科微電子有限公司，浙江 杭州310053
摘要： 從衛(wèi)星系統(tǒng)的授時原理、授時精度評估、接收機(jī)1PPS授時脈沖產(chǎn)生出發(fā)，分析了基于衛(wèi)星的無源授時，并基于自主研制的GPS/BD2多模接收機(jī)和支持GPS單系統(tǒng)的LEA-5T授時模塊進(jìn)行了對比測試。測試結(jié)果顯示，接收機(jī)在單BD2模式下，1PPS授時脈沖的精度優(yōu)于10 ns（1σ）。
關(guān)鍵詞： BD2 GPS 單向授時 1PPS
中圖分類號： TN961
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0032-03
Principle analysis and test on BD2 single direction time transfer
Zhai Kunpeng1，He Wentao1，2，Xu Jianhua1，2，Ye Tianchun1
1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China； 2.Hangzhou Zhongke Microelectronics Co.，Ltd.，Hangzhou 310053，China
Abstract： In this paper, the principles of GNSS time transfer were described with emphasis being placed on the so-called single direction method. The sources of error during GNSS time transfer were discussed and the accuracy was analyzed. After that the availability of timing service from BD2 navigation satellite system was verified by a self-developed GPS/BD2 multi-system receiver. The test result shows that the timing accuracy of BD2 is better than 10 ns(1σ).
Key words : BD2；GPS；single direction timing；1PPS

    全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）已經(jīng)成為授時的最主要工具之一，在時鐘馴服、無線通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著第二代北斗系統(tǒng)區(qū)域組網(wǎng)的完成，目前的在軌衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星，初步形成了覆蓋亞太地區(qū)的定位、授時服務(wù)能力[4]。

1 實(shí)現(xiàn)原理
    下面將從基本測量值（偽距）出發(fā)說明GPS授時原理。如圖1所示，衛(wèi)星信號發(fā)射時間為ti的發(fā)射信號在tu時刻被接收機(jī)收到，該衛(wèi)星對應(yīng)的偽距測量值為σi。估計出接收機(jī)時間與GPS時間的差別δtu=tu-tGPS，即實(shí)現(xiàn)了本地時間和GPS系統(tǒng)時間的同步。

2 授時精度分析
    衛(wèi)星接收機(jī)得到的偽距測量值有許多誤差源，這些誤差的統(tǒng)計特性直接影響測量值精度，進(jìn)一步影響接收機(jī)定位授時的精度。本節(jié)以GPS系統(tǒng)為例，分析衛(wèi)星接收機(jī)授時精度。
    在非靜止或者位置未知的情況下，接收機(jī)定位和授時同時進(jìn)行，位置和時間解的精度可以表示為幾何精度因子和偽距誤差因子之積[5-6]，即：
    
    

    時間間隔計數(shù)器利用FPGA搭建，利用單獨(dú)的50 MHz本地時鐘倍頻至fcnt=400 MHz作為計數(shù)時鐘，對1PPS上升沿之間的時間進(jìn)行計數(shù)。這里時間間隔計數(shù)同樣會因?yàn)橛嫈?shù)時鐘晶振的頻偏而引起計數(shù)誤差，通過對序列進(jìn)行均值化處理查看其波動，圖5為2 h測試過程中記錄的BD2接收機(jī)時間間隔序列零均值化后的序列。
    計算得到該時間間隔序列的標(biāo)準(zhǔn)差為3.73 ns。由圖5可見，因?yàn)?PPS的參考時鐘fref≈100 MHz，所以時間間隔誤差大部分在-5 ns～5 ns之間波動，少量的波動幅度超過該范圍。

 

 

    該序列的均值為-0.052 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為6.333 ns。由此可見，兩個接收機(jī)輸出的1PPS信號在1 s左右的周期時間序列具有高度的一致性。該序列的柱狀圖如圖7所示。    以目前的測試條件還無法測試BD2系統(tǒng)1PPS信號的絕對授時精度，但是其1PPS周期誤差的方差和標(biāo)準(zhǔn)差一定小于差分序列的相應(yīng)統(tǒng)計量。由圖7也可以看出，誤差差分序列以均值為中心具有很好的對稱分布特性。

    本文分析了單向衛(wèi)星授時原理，從衛(wèi)星系統(tǒng)各個誤差源出發(fā)分析了理想的無源授時精度?；谧灾鏖_發(fā)的多模導(dǎo)航基帶和射頻芯片實(shí)現(xiàn)其授時功能，但是受限于1PPS信號產(chǎn)生電路的參考時鐘的頻率，產(chǎn)生的1PPS信號會有鋸齒波狀的相位噪聲。測試結(jié)果顯示，在本文所示的測試條件下，單BD2系統(tǒng)的無源授時精度優(yōu)于10 ns(1σ)。
參考文獻(xiàn)
[1] 單曉慶，楊俊.北斗/GPS雙模授時及其在CDMA系統(tǒng)的應(yīng)用[J].測試技術(shù)學(xué)報，2011，25(3)：223-228.
[2] 李建，謝小榮，韓英鐸，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備授時的分布式相量測量單元[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(9)：1-4，9.
[3] 倪媛媛，胡永輝，何在民.北斗衛(wèi)星校準(zhǔn)銣鐘單元的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[C].廣州：第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會-S04原子鐘技術(shù)與視頻系統(tǒng)，2012.
[4] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號B1I(1.0版)[Z].2012.
[5] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[6] KAPLAN E D，HEGARTY C J.GPS原理與應(yīng)用：Understanding GPS principles and applications[M].寇艷紅，譯.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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