衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備收發(fā)鏈路時(shí)延測(cè)量方法研究①

張金濤，易卿武，王振嶺，魏海濤

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 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，河北 石家莊050081）

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段導(dǎo)航衛(wèi)星、地面段運(yùn)行控制系統(tǒng)和用戶段三大部分組成［1]。系統(tǒng)時(shí)間同步需要將導(dǎo)航衛(wèi)星和地面站同步到系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)上。一般來說，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)是由位于地面的系統(tǒng)控制中心產(chǎn)生和維持的［2]。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步需要使用星地和站間相結(jié)合的時(shí)間同步技術(shù)。

通常，在導(dǎo)航系統(tǒng)中采用無線電雙向偽距時(shí)間同步法來實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間同步和站間時(shí)間同步［2]。無線電雙向時(shí)間同步設(shè)備的時(shí)延測(cè)量誤差是系統(tǒng)時(shí)間同步的主要誤差。為保證時(shí)間同步精度，需要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中時(shí)間同步設(shè)備的發(fā)射鏈路和接收鏈路設(shè)備時(shí)延進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定。

1 時(shí)延定義

當(dāng)信號(hào)通過某一傳輸系統(tǒng)或某一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)總會(huì)產(chǎn)生滯后時(shí)間，這就是時(shí)延［3]。而幾乎所有的信號(hào)傳輸系統(tǒng)（真空除外）都是有色散的，它隨信號(hào)頻率變化而變化。時(shí)延與信號(hào)頻率的關(guān)系稱為系統(tǒng)的時(shí)延特性。

設(shè)備時(shí)延是指信號(hào)在發(fā)射設(shè)備或接收設(shè)備內(nèi)部傳播所需的時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲是設(shè)備自身的固有特性，并且其大小與設(shè)計(jì)有關(guān)。對(duì)于不同的設(shè)備或系統(tǒng)，根據(jù)個(gè)體的設(shè)計(jì)特殊性，其設(shè)備時(shí)延有著不同的確切定義。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常根據(jù)設(shè)備的性質(zhì)可以分為發(fā)射設(shè)備時(shí)延和接收設(shè)備時(shí)延。

1.1 發(fā)射設(shè)備時(shí)延

發(fā)射設(shè)備時(shí)延起點(diǎn)為發(fā)射基準(zhǔn)時(shí)刻前沿，發(fā)射設(shè)備時(shí)延終點(diǎn)在發(fā)射天線的相位中心處，發(fā)射設(shè)備時(shí)延組成由圖1所示。

圖1 發(fā)射設(shè)備時(shí)延示意圖

其中，發(fā)射設(shè)備時(shí)延共包括以下5個(gè)引入時(shí)延的主要環(huán)節(jié)：時(shí)頻處理延遲（τTF）：時(shí)頻信號(hào)的同步及鏈路處理時(shí)延；基帶處理延遲（τTB）：含時(shí)標(biāo)的數(shù)字信號(hào)調(diào)制和輸出的處理時(shí)延；信道處理延遲（τTC）：中頻信號(hào)到射頻信號(hào)的變頻放大處理時(shí)延；內(nèi)部傳輸延遲（τTS）：信號(hào)在設(shè)備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時(shí)延；天線時(shí)延（τTA）：信號(hào)自機(jī)箱輸出到天線發(fā)射相位中心的傳輸時(shí)延。

因此，發(fā)射設(shè)備時(shí)延可以表示為

1.2 接收設(shè)備時(shí)延

接收設(shè)備時(shí)延起點(diǎn)為接收天線的相位中心，終點(diǎn)為接收觀測(cè)基準(zhǔn)時(shí)刻前沿。接收設(shè)備時(shí)延組成由圖2所示。與發(fā)射設(shè)備時(shí)延近似，接收設(shè)備時(shí)延也包括以下5部分引入時(shí)延的主要環(huán)節(jié)：

接收時(shí)頻處理延遲（τRF）：時(shí)頻信號(hào)的同步及鏈路處理時(shí)延；接收基帶處理延遲（τRB）：含時(shí)標(biāo)的數(shù)字信號(hào)跟蹤處理時(shí)延；接收信道處理延遲（τRC）：射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的放大變頻處理時(shí)延；接收內(nèi)部傳輸延遲（τRS）：信號(hào)在設(shè)備內(nèi)部經(jīng)由電纜等環(huán)節(jié)的傳輸時(shí)延；接收天線時(shí)延（τRA）：信號(hào)自天線相位中心到射頻接口的傳輸時(shí)延。

因此，接收設(shè)備時(shí)延可表示為

圖2 接收設(shè)備時(shí)延示意圖

2 設(shè)備時(shí)延測(cè)量方法

發(fā)射設(shè)備時(shí)延直接體現(xiàn)在信號(hào)相位特征上，可以直接測(cè)量，而接收設(shè)備時(shí)延無法直接測(cè)量。接收設(shè)備時(shí)延是通過測(cè)量發(fā)射與接收設(shè)備的組合時(shí)延來得到。

基于RFSR精密設(shè)備時(shí)延測(cè)量方法的原理［4]，研制了時(shí)延測(cè)量設(shè)備。通過“測(cè)量?jī)x表和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)”相結(jié)合實(shí)現(xiàn)時(shí)延測(cè)量設(shè)備單向零值的精確標(biāo)定，這樣時(shí)延測(cè)量設(shè)備就成為一個(gè)時(shí)延特性已知的基準(zhǔn)設(shè)備，時(shí)延測(cè)量設(shè)備采用恒溫機(jī)箱設(shè)計(jì)，保持時(shí)延特性穩(wěn)定，通過組合時(shí)延測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)其他設(shè)備單項(xiàng)零值及時(shí)延差的精確測(cè)定。

時(shí)延測(cè)量設(shè)備進(jìn)行自身單向時(shí)延標(biāo)定，然后，與被測(cè)設(shè)備構(gòu)成環(huán)路進(jìn)行測(cè)試，使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)延測(cè)量設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點(diǎn)（計(jì)數(shù)器輸入口）、被測(cè)設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點(diǎn)間的時(shí)差，結(jié)合時(shí)延測(cè)量設(shè)備與被測(cè)設(shè)備環(huán)路測(cè)試值可以計(jì)算得被測(cè)設(shè)備的單向時(shí)延。

如圖3所示，時(shí)延測(cè)量設(shè)備完成自身單向時(shí)延標(biāo)定后，與被測(cè)設(shè)備構(gòu)成環(huán)路進(jìn)行測(cè)試。通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)延測(cè)量設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點(diǎn)（計(jì)數(shù)器輸入口）、被測(cè)設(shè)備1PPS基準(zhǔn)點(diǎn)間的時(shí)差。通過接口單元進(jìn)行信號(hào)電平匹配，方便時(shí)延測(cè)量設(shè)備和被測(cè)導(dǎo)航設(shè)備的信號(hào)接收。結(jié)合時(shí)延測(cè)量設(shè)備與被測(cè)設(shè)備環(huán)路測(cè)試值可以計(jì)算得被測(cè)設(shè)備的單向時(shí)延。

被測(cè)導(dǎo)航發(fā)射設(shè)備發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，時(shí)延測(cè)量接收設(shè)備接收，獲得組合時(shí)延觀測(cè)量τTR.時(shí)延測(cè)量接收設(shè)備時(shí)延值為τR，接口單元以及附加射頻電纜的時(shí)延可以通過矢網(wǎng)或時(shí)延測(cè)量設(shè)備進(jìn)行精確標(biāo)定，時(shí)延值為τd，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)得1PPS基準(zhǔn)差為τ1PPS，則被測(cè)設(shè)備的發(fā)射時(shí)延值τT為

圖3 導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量連接圖

時(shí)延測(cè)量發(fā)射設(shè)備發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過接口單元調(diào)節(jié)電平，被測(cè)導(dǎo)航設(shè)備接收，獲得組合時(shí)延觀測(cè)量τTR.時(shí)延測(cè)量發(fā)射設(shè)備時(shí)延值為τT，接口單元以及附加射頻電纜的時(shí)延值為τd，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)得1PPS基準(zhǔn)差為τ1PPS，則被測(cè)設(shè)備的接收時(shí)延值τR為

3 導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量有效性實(shí)驗(yàn)

某導(dǎo)航設(shè)備A與某導(dǎo)航設(shè)備B是雙向時(shí)間同步設(shè)備。使用時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)量導(dǎo)航設(shè)備A的發(fā)射時(shí)延和接收時(shí)延分別為1 425.21ns、138.32ns.使用時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)量導(dǎo)航設(shè)備B的發(fā)射時(shí)延和接收時(shí)延分別為1 558.21ns、282.33ns.

導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B可以互發(fā)互收，進(jìn)行組合時(shí)延測(cè)試。如圖4所示，導(dǎo)航設(shè)備A發(fā)射信號(hào)1，導(dǎo)航設(shè)備B接收；而導(dǎo)航設(shè)備B發(fā)射信號(hào)2，導(dǎo)航設(shè)備A接收。對(duì)于信號(hào)1來說，導(dǎo)航設(shè)備A與B直接測(cè)得組合時(shí)延是1 707.35ns；對(duì)于信號(hào)2來說，導(dǎo)航設(shè)備A與B直接測(cè)得組合時(shí)延是1 696.69ns.

通過時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)得的組合時(shí)延，對(duì)于信號(hào)1來說，組合時(shí)延（信號(hào)1）＝導(dǎo)航設(shè)備A的發(fā)射時(shí)延＋導(dǎo)航設(shè)備B的接收時(shí)延＝1 425.21＋282.33＝1 707.54ns；對(duì)于信號(hào)2來說，組合時(shí)延（信號(hào)2）＝導(dǎo)航設(shè)備B的發(fā)射時(shí)延＋導(dǎo)航設(shè)備A的接收時(shí)延＝1 558.21＋138.32＝1 696.53ns.

圖4 導(dǎo)航設(shè)備A與B時(shí)延測(cè)量連接圖

結(jié)合導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B組合時(shí)延測(cè)試結(jié)果，可以進(jìn)行時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)試的正確性驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，導(dǎo)航設(shè)備A與導(dǎo)航設(shè)備B直接測(cè)試組合時(shí)延與測(cè)量獲得的組合時(shí)延對(duì)于信號(hào)1來說組合時(shí)延差為1 707.54－1 707.35＝0.19ns，對(duì)于信號(hào)2來說組合時(shí)延差為1 696.53－1 696.69＝－0.16ns，其差的絕對(duì)值均小于0.2 ns.此實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用時(shí)延測(cè)量設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量的有效性。

表1 導(dǎo)航設(shè)備A與B組合時(shí)延

3.2 導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

在被測(cè)導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)射設(shè)備射頻信號(hào)鏈路中串入高精度可編程延遲線，如圖5所示，通過改變可編程延遲線的延遲量模擬被測(cè)導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)射時(shí)延變化，并與時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)量得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析測(cè)量結(jié)果是否正確。

驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，時(shí)延測(cè)量設(shè)備測(cè)得被測(cè)導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延變化量與可變延遲線變化量相差較小，其絕對(duì)值均小于0.15ns.此實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用時(shí)延測(cè)量設(shè)備可以較準(zhǔn)確的測(cè)出導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延的變化。

圖5 導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量連接圖

表2 可編程延遲線時(shí)延測(cè)量表

4 結(jié) 論

綜上所述，使用時(shí)延測(cè)量設(shè)備可以進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備收發(fā)鏈路的時(shí)延測(cè)量。通過實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明了該方法是可行的且有效。

［1]ELLIOTT D K，Christopher J H.Understanding GPS principles and applications［M].2nded.BOSTON LONDON ARTECH HOUSE，2006.

［2]譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程 ［M].2版.北京，國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［3]李德儒.群時(shí)延測(cè)量技術(shù)［M].北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［4]魏海濤，蔚保國(guó)，李 剛，等.衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延精密標(biāo)定方法與測(cè)試技術(shù)研究［J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)·力學(xué)·天文學(xué)，2010，40（5）：623－627.