《電子技術(shù)應(yīng)用》
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BD2無源授時(shí)原理分析與測(cè)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(guó)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(shí)原理、授時(shí)精度評(píng)估、接收機(jī)1PPS授時(shí)脈沖產(chǎn)生出發(fā)，分析了基于衛(wèi)星的無源授時(shí)，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(shí)模塊進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，接收機(jī)在單BD2模式下，1PPS授時(shí)脈沖的精度優(yōu)于10 ns（1σ）。
關(guān)鍵詞： BD2 GPS 單向授時(shí) 1PPS
中圖分類號(hào)： TN961
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 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(shí)的最主要工具之一，在時(shí)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(shí)服務(wù)能力[4]。

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

2 授時(shí)精度分析
    衛(wèi)星接收機(jī)得到的偽距測(cè)量值有許多誤差源，這些誤差的統(tǒng)計(jì)特性直接影響測(cè)量值精度，進(jìn)一步影響接收機(jī)定位授時(shí)的精度。本節(jié)以GPS系統(tǒng)為例，分析衛(wèi)星接收機(jī)授時(shí)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(shí)同時(shí)進(jìn)行，位置和時(shí)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(shí)間間隔計(jì)數(shù)器利用FPGA搭建，利用單獨(dú)的50 MHz本地時(shí)鐘倍頻至fcnt=400 MHz作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，對(duì)1PPS上升沿之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。這里時(shí)間間隔計(jì)數(shù)同樣會(huì)因?yàn)橛?jì)數(shù)時(shí)鐘晶振的頻偏而引起計(jì)數(shù)誤差，通過對(duì)序列進(jìn)行均值化處理查看其波動(dòng)，圖5為2 h測(cè)試過程中記錄的BD2接收機(jī)時(shí)間間隔序列零均值化后的序列。
    計(jì)算得到該時(shí)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(shí)鐘fref≈100 MHz，所以時(shí)間間隔誤差大部分在-5 ns～5 ns之間波動(dòng)，少量的波動(dòng)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(gè)接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)在1 s左右的周期時(shí)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(cè)試條件還無法測(cè)試BD2系統(tǒng)1PPS信號(hào)的絕對(duì)授時(shí)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(jì)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(duì)稱分布特性。

    本文分析了單向衛(wèi)星授時(shí)原理，從衛(wèi)星系統(tǒng)各個(gè)誤差源出發(fā)分析了理想的無源授時(shí)精度。基于自主開發(fā)的多模導(dǎo)航基帶和射頻芯片實(shí)現(xiàn)其授時(shí)功能，但是受限于1PPS信號(hào)產(chǎn)生電路的參考時(shí)鐘的頻率，產(chǎn)生的1PPS信號(hào)會(huì)有鋸齒波狀的相位噪聲。測(cè)試結(jié)果顯示，在本文所示的測(cè)試條件下，單BD2系統(tǒng)的無源授時(shí)精度優(yōu)于10 ns(1σ)。
參考文獻(xiàn)
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[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(shí)的分布式相量測(cè)量單元[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(9)：1-4，9.
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[4] 中國(guó)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(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)B1I(1.0版)[Z].2012.
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