一種用于提升用戶機授時精度的時鐘準確度校正方法

戴群雄1,2,安云飛1,2,戎強1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081;

2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,石家莊 050081)

摘要：基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位授時原理,分析了用戶機時鐘與系統(tǒng)時間鐘差對授時精度的影響,提出了一種用于提升用戶機授時精度的時鐘準確度校正方法,即:根據(jù)系統(tǒng)時間良好的長穩(wěn)特性對用戶機時鐘的準確度進行校正,減小用戶機時鐘與系統(tǒng)時間鐘差,并提升鐘差修正的精度,從而達到提升用戶機授時精度的目的。通過實驗驗證了該方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：時鐘準確度;鐘差;授時精度;校正

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.006

中圖分類號：TN965.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0030-04

收稿日期：2015-06-11

作者簡介

Abstract:Based on positioning and time service principle of satellite navigation, this paper analysed the influence on time service precision by user receiver’s clock and system time clock offset, put forward a sort of clock accuracy correction method used to enhance time service precision of user receiver, namely: proceeded clock accuracy correction of user receiver’s clock according to the good long-term stability characteristics of system time, to reduce user receiver’s clock and system time offset and enhance the correction precision of clock offset, so as to beat the target of enhancing time service precision of user receiver. The feasibility and effectiveness of the proposed method were verified by experiments.

0引言

時間是一個基本的物理量,時間信息是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾蛩亍ｋS著科技的快速發(fā)展,人們開始建立越來越多的電子信息系統(tǒng),如TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)、民用蜂窩式移動通信系統(tǒng)、集群管理控制系統(tǒng)等[1],這些系統(tǒng)的建立,使得人們對時間精度的要求越來越高。近年來,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速崛起,時間服務(wù)正朝著大范圍、實時性的方向發(fā)展,全球范圍內(nèi)越來越多的用戶群體從中受益,人們對時間的準確度和精度的認知和應(yīng)用提升到了一個新的高度。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,用戶機在空間參考系中的位置坐標(biāo)(X,Y,Z),通過測量衛(wèi)星和用戶機之間的距離來獲得[2]。一旦明確用戶機在空間參考系中的位置坐標(biāo),就能夠計算出用戶機時鐘相對于系統(tǒng)時間的鐘差,根據(jù)鐘差對用戶機時鐘進行修正,實現(xiàn)用戶機時間和系統(tǒng)時間同步。本文研究和探討的內(nèi)容為:通過對用戶機時鐘的準確度進行校正,減少用戶機時鐘相對于系統(tǒng)時間鐘差,并在對鐘差進行修正時,使鐘差修正精度得到提升,從而達到提升用戶機授時精度的目的。

1分析時鐘準確度對用戶機授時精度的影響

在現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,常規(guī)使用的時鐘包括氫鐘、銫鐘、銣鐘和晶振,其中氫鐘、銫鐘、銣鐘的頻率準確度指標(biāo)遠高于晶振,但成本相對較高,且體積偏大。在考慮低成本、低功耗、小型化前提下,用戶機通常只裝備晶振。但除了考慮這些因素外,用戶機授時精度高低及用戶機時鐘準確度高低也是必須兼顧的重量考量指標(biāo)。

時鐘頻率準確度定義為[3]

(1)

式中: A為頻率準確度; f為被測時鐘的實際頻率; f0為標(biāo)稱頻率。A的絕對值越小,代表時鐘頻率準確度越高,也即被測時鐘的實際頻率相對標(biāo)稱頻率鐘差越小。

用戶機鐘差指的是用戶機時鐘相對于系統(tǒng)時間鐘差,系統(tǒng)時間指的是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間基準,一般由設(shè)置在地面主控站的鐘組組成[4]。通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步原理來對用戶機鐘差的獲取進行簡要說明。

聯(lián)系人： 戴群雄E-mail:daiqunxiong@126.com

圖1　地心直角坐標(biāo)系示意圖

(2)

即:

(Zu-Zi)2)]1/2+C×(Δtu-Δtsi),

i=1,2,3,4,

(3)

式中,衛(wèi)星位置(Xi,Yi,Zi)由地面中心站通過定軌計算后將衛(wèi)星軌道參數(shù)通過廣播電文播發(fā)給用戶機,偽距可以通過用戶機測量獲得,Δtsi由地面中心站通過導(dǎo)航電文播發(fā)給用戶機。因此,通過解聯(lián)立方程求出用戶機的位置(Xu,Yu,Zu)以及用戶機鐘差Δtu.

用戶機時鐘頻率準確度高低,直接影響到Δtu值。理論上不考慮其他誤差因素的條件下,如果Δtu=10ns,則相當(dāng)于距離誤差為3m,即使對Δtu進行修正后,使得用戶機輸出時間與系統(tǒng)時間同步,但由于Δtu的修正也是基于用戶機時鐘進行調(diào)頻或移相來獲得的,用戶機時鐘相對系統(tǒng)時間本來就存在相對頻差,那么對Δtu的修正也會存在誤差和累計誤差,直接影響用戶機的授時精度。因此,需要采取相應(yīng)措施,對用戶機時鐘的頻率準確度進行校正,盡量減少Δtu對授時精度帶來的影響。

2時鐘準確度校正方法研究

經(jīng)本文章節(jié)1中分析,用戶機鐘差Δtu是影響用戶機授時精度的因素之一,而用戶機時鐘頻率準確度高低是決定Δtu大小的關(guān)鍵因素之一。

由于受時鐘內(nèi)在因素和外部環(huán)境因素的共同影響,時鐘的實際輸出頻率不是一個固定不變的值,而是會隨著時間發(fā)生漂移,時鐘準確度指標(biāo)會不斷惡化,晶振在這方面表現(xiàn)得尤為明顯,對用戶機授時精度的影響會日益突出。因此,需對晶振的頻率準確度進行校正,以減少用戶機鐘差對授時精度帶來的影響。

用戶機時鐘電路設(shè)計中,通常會采取相應(yīng)手段對晶振頻率準確度進行校正。傳統(tǒng)的晶振頻率準確度校正方法:在晶振的壓控端增加一級可調(diào)電阻壓控調(diào)節(jié)電路,通過調(diào)整可調(diào)電阻值控制晶振壓控電壓,從而實現(xiàn)對其頻率準確度的調(diào)整。這種方法固然能起到校正時鐘準確度的目的,但是存在幾個缺陷: 1) 可調(diào)電阻調(diào)整精度較差,不適合某些精密調(diào)頻場合; 2) 不具備實時性,即使在用戶機初始運行前期,通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻,將晶振頻率校正到一個比較高的準確度,但由于晶振頻率存在漂移,頻率準確度隨著時間推移會惡化,需要重新校正; 3) 調(diào)整較為繁雜,多數(shù)場合需要拆卸機箱或模塊電路。因此,基于可調(diào)電阻的這種時鐘準確度校正方法很難滿足用戶機的現(xiàn)實需求了。

本文提出了一種較為合理的時鐘準確度校正方法——基于數(shù)字信號處理器(DSP)+數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)平臺的時鐘準確度校正方法,其基本工作原理框圖如圖2所示。

圖2　基于DSP+DA平臺的時鐘準確度校正方法原理框圖

(4)

3實驗驗證與分析

按照圖3所示框圖搭建驗證平臺。為了屏蔽如大氣傳輸、相對論效應(yīng)等帶來的誤差對實驗驗證的影響,由衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源輸出模擬導(dǎo)航信號,北斗授時型用戶機通過有線的方式接收信號,經(jīng)定位解算輸出1 PPS,然后通過高精度時間間隔計數(shù)器測試用戶機輸出1 PPS與衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源系統(tǒng)1 PPS的時差,用戶機內(nèi)部時鐘采用準確度為10-8量級的恒溫晶振。由于用戶機輸出1 PPS與系統(tǒng)1 PPS時差含設(shè)備時延、傳輸時延等系統(tǒng)零值,因此,需扣除系統(tǒng)零值,然后在此基礎(chǔ)上分析用戶機輸出1 PPS相對系統(tǒng)1 PPS時差的變化量以及變化趨勢來評估用戶機的授時精度。為了驗證本文第二節(jié)提到的基于DSP+DA平臺的時鐘準確度校正方法能否對用戶機授時精度提升帶來貢獻,將北斗授時型用戶機里接收模塊時鐘準確度校正分兩種方法,即增加本文章節(jié)2中提到的基于可調(diào)電阻的時鐘準確度校正方法,以形成對比,并由此開展實驗。

圖3　用戶機授時精度驗證平臺

經(jīng)過拷機實驗,高精度時間間隔計數(shù)器以1次/s的頻度記錄用戶機輸出1 PPS與系統(tǒng)1 PPS時差,根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行繪圖,得到如圖4所示的測試結(jié)果。圖4(a)示出了基于可調(diào)電阻的時鐘準確度校正方法下,得到的用戶機授時精度測試結(jié)果,圖4(b)示出了基于DSP+DA平臺的時鐘準確度校正方法下,得到的用戶機授時精度測試結(jié)果。綜合比較這兩組測試結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn): 1) 雖然通過可調(diào)電阻對晶振的初始準確度可進行校正,但是由于晶振頻率在冷啟的情況下,需要經(jīng)過一段時間才能相對穩(wěn)定,且初始準確度較差,同時,在用戶機運行過程中,無法對晶振的準確度進行實時校正,使得用戶機輸出1 PPS與系統(tǒng)1 PPS時差在設(shè)備啟動初期變化較大,扣除系統(tǒng)零值后,從57.71 ns變化到了-36.42 ns,變化量達到94 ns,后期雖然逐漸趨于平穩(wěn),但是由于晶振頻率存在漂移,時差會朝著一個方向緩慢變化,用戶機授時精度會不斷變差。 2) 相比第一種方法,由于采用了合理的方法對晶振的頻率準確度進行了校正,其輸出的頻率準確度始終跟蹤鎖定在系統(tǒng)時間上,使得用戶機輸出1 PPS與系統(tǒng)1 PPS時差從設(shè)備啟動后一直保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi),扣除系統(tǒng)零值后,保持在-16.42～11.45 ns之間,用戶機授時精度相比第一種方法得到顯著提升。由此可以認為:本文提出的這種基于DSP+DA平臺的時鐘準確度校正方法能對用戶機授時精度提升帶來貢獻。

圖4　用戶機授時精度測試結(jié)果(a)基于可調(diào)電阻；(b)基于DSP+DA平臺

4結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展,用戶對基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間需求會朝著更高精度,更高穩(wěn)定度的方向發(fā)展。本文從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步的原理出發(fā),分析了用戶機鐘差對用戶機授時精度的影響,進一步分析得出用戶機的時鐘準確度是影響用戶機鐘差的一個重要誤差項,由此提出了一種用于提升用戶機授時精度的基于DSP+DA平臺的時鐘準確度校正方法,并通過設(shè)計、實驗,驗證了這一方法的可行性和有效性,為相關(guān)行業(yè)應(yīng)用提供了可借鑒的設(shè)計方案,具有良好的應(yīng)用前景。

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戴群雄(1983-),男,碩士,工程師,主要從事時間頻率方向研究。

安云飛(1987-),男,碩士,工程師,主要從事授時算法方向研究。

戎強(1980-),男,碩士,工程師,主要從事時間頻率方向研究。

A Sort of Clock Accuracy Correction Method Used to Enhance

Time Service Precision of User Receicver

DAI Qunxiong1,2,AN Yunfei1,2,RONG Qiang1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China

2.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearch

Center,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Clock accuracy; clock offset; time service precision; correction