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BD2无源授时原理分析与测试
来源:电子技术应用2013年第5期
翟昆朋1,何文涛1,2,徐建华1,2,叶甜春1
1.中国科学院微电子研究所,北京100029; 2.杭州中科微电子有限公司,浙江 杭州310053
摘要:从卫星系统的授时原理、授时精度评估、接收机1PPS授时脉冲产生出发,分析了基于卫星的无源授时,并基于自主研制的GPS/BD2多模接收机和支持GPS单系统的LEA-5T授时模块进行了对比测试。测试结果显示,接收机在单BD2模式下,1PPS授时脉冲的精度优于10 ns(1σ)。
关键词: BD2 GPS 单向授时 1PPS
中图分类号:TN961
文献标识码:A
文章编号: 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

全球卫星导航系统(GNSS)已经成为授时的最主要工具之一,在时钟驯服、无线通信系统、电力系统等领域得到广泛应用[1-3]。随着第二代北斗系统区域组网的完成,目前的在轨卫星有5颗地球静止轨道(GEO)卫星、4颗中圆地球轨道(MEO)卫星和5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,初步形成了覆盖亚太地区的定位、授时服务能力[4]。

1 实现原理
下面将从基本测量值(伪距)出发说明GPS授时原理。如图1所示,卫星信号发射时间为ti的发射信号在tu时刻被接收机收到,该卫星对应的伪距测量值为σi。估计出接收机时间与GPS时间的差别δtu=tu-tGPS,即实现了本地时间和GPS系统时间的同步。

2 授时精度分析
卫星接收机得到的伪距测量值有许多误差源,这些误差的统计特性直接影响测量值精度,进一步影响接收机定位授时的精度。本节以GPS系统为例,分析卫星接收机授时精度。
在非静止或者位置未知的情况下,接收机定位和授时同时进行,位置和时间解的精度可以表示为几何精度因子和伪距误差因子之积[5-6],即:

时间间隔计数器利用FPGA搭建,利用单独的50 MHz本地时钟倍频至fcnt=400 MHz作为计数时钟,对1PPS上升沿之间的时间进行计数。这里时间间隔计数同样会因为计数时钟晶振的频偏而引起计数误差,通过对序列进行均值化处理查看其波动,图5为2 h测试过程中记录的BD2接收机时间间隔序列零均值化后的序列。
计算得到该时间间隔序列的标准差为3.73 ns。由图5可见,因为1PPS的参考时钟fref≈100 MHz,所以时间间隔误差大部分在-5 ns~5 ns之间波动,少量的波动幅度超过该范围。

该序列的均值为-0.052 ns,标准差为6.333 ns。由此可见,两个接收机输出的1PPS信号在1 s左右的周期时间序列具有高度的一致性。该序列的柱状图如图7所示。 以目前的测试条件还无法测试BD2系统1PPS信号的绝对授时精度,但是其1PPS周期误差的方差和标准差一定小于差分序列的相应统计量。由图7也可以看出,误差差分序列以均值为中心具有很好的对称分布特性。

本文分析了单向卫星授时原理,从卫星系统各个误差源出发分析了理想的无源授时精度。基于自主开发的多模导航基带和射频芯片实现其授时功能,但是受限于1PPS信号产生电路的参考时钟的频率,产生的1PPS信号会有锯齿波状的相位噪声。测试结果显示,在本文所示的测试条件下,单BD2系统的无源授时精度优于10 ns(1σ)。
参考文献
[1] 单晓庆,杨俊.北斗/GPS双模授时及其在CDMA系统的应用[J].测试技术学报,2011,25(3):223-228.
[2] 李建,谢小荣,韩英铎,等.北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元[J].电网技术,2005,29(9):1-4,9.
[3] 倪媛媛,胡永辉,何在民.北斗卫星校准铷钟单元的设计与实现[C].广州:第三届中国卫星导航学术年会-S04原子钟技术与视频系统,2012.
[4] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I(1.0版)[Z].2012.
[5] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009.
[6] KAPLAN E D,HEGARTY C J.GPS原理与应用:Understanding GPS principles and applications[M].寇艳红,译.第二版.北京:电子工业出版社,2006.

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