一種時間比對設備零值的校準方法

韓 華，董仁智，劉連照

(1.石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.電子科技大學，四川 成都 611731；4.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

進行地面站間高精度時間比對常用的方法有光纖雙向時間比對法、衛星雙向時間比對法及衛星共視時間比對法等[1]。光纖雙向時間比對法以光纖作為信號傳輸介質，受傳輸鏈路影響較小，時間比對精密度優于1 ns[2]；衛星雙向時間比對以GEO衛星為中介，雙向轉發測距信號，信號收發鏈路對稱，時間比對精密度優于2 ns[3]；衛星共視時間比對在相同時刻觀測共同的衛星，有效消除了衛星鐘差影響，時間比對精密度優于5 ns[4]。上述3種時間比對手段，衛星共視因使用費用低、比對精度高、覆蓋范圍廣及可連續運行等特點被廣泛應用[5]。

影響衛星共視比對精度的誤差主要為：信號傳播相關誤差、衛星相關誤差及共視設備相關誤差等[6]。衛星共視屬于長期連續運行系統，隨著時間的推移，設備老化、環境變化等因素都會影響共視設備零值的變化，進而影響共視比對精度，因此定期對設備零值進行校準具有一定的必要性[7-9]。

國際權度局(BIPM)使用流動校準設備對世界范圍內的UTC(k)實驗室進行定期相對零值校準[10]，BIPM對UTC(k)實驗室以外的用戶不提供服務，因此對于UTC(k)實驗室以外用戶設備零值難以得到有效標定。本文提出了一種時間比對設備零值的絕對校準方法，使用基于模擬源與微波暗箱對時間比對設備零值進行分段標校，能夠對時間比對設備進行定期現場校準且不受時間比對設備內部部件替換限制，有利于提升時間比對設備比對精度。

1 零值校準原理

零值校準設備由導航信號模擬源、發射天線、微波暗箱、低噪聲放大器及線纜等組成。待校準時間比對設備由接收天線、30 m天線線纜及共視設備主機等組成。零值校準原理如圖1所示。

圖1 零值校準原理Fig.1 Principle of zero value calibration

τa=τt+τr+τRF=(τs+τATT+τLT)+

(τATR+τLR+τREC)+τRF，

式中，τa為鏈路總零值；τt為發射零值；τr為待測的接收零值；τRF為信號空間傳播零值；τs為模擬源發射零值；τATT為發射線纜零值；τLT為發射天線零值；τATR為接收天線零值；τLR為接收線纜零值；τREC為待測共視設備零值。

由圖1可以看出，鏈路總零值通過計數器實時測量，模擬源發射零值使用高速示波器進行標定，發射天線零值為已知值，發射線纜零值通過矢量網絡分析儀測量。本文以GPS L1頻點為例開展接收鏈路的校準。

2 零值校準過程

時間比對設備的零值定義為接收天線的相位中心至共視設備主機1 pps信號輸入參考點[11]，整個校準分為：線纜校準、共視設備主機校準和接收天線校準。

2.1 線纜校準

利用矢量網絡分析儀測量時延的功能測試電纜時延。測試開始前需對矢量網絡分析儀進行自校準，測試框圖如圖2(a)所示。線纜測試原理如圖2(b)所示。線纜校準測試如圖3所示。測試選用30 m天線線纜，測量3次取平均值，得到天線線纜的時延為132 ns。

圖2 線纜校準與測試原理Fig.2 Principle of cable calibration and test

圖3 線纜校準測試Fig.3 Cable calibrate test

2.2 共視設備主機校準

共視設備主機校準需使用GNSS導航信號模擬源搭建閉合環路進行測試，因此需先標定GNSS導航信號模擬源發射零值，模擬源發射零值定義為模擬源射頻輸出線纜末端至模擬源1 pps信號輸出接口。利用寬帶高速采樣存儲示波器和專用的信號時延分析軟件對射頻信號進行時域觀測[12]，如圖4所示。設置模擬源，使其產生射頻信號，通過高速示波器在整秒時刻比較模擬器輸出的1 pps信號及標校端口輸出的衛星信號的相位翻轉點，從而確定模擬器的發射零值，測量3次取平均值，得到模擬源發射零值為275.49 ns。

圖4 模擬源校準原理Fig.4 Principle of signal simulator calibration

使用校準完成的GNSS導航信號模擬源與待測共視設備主機搭建閉合測試環境，如圖5所示。共視設備主機零值定義為30 m線纜輸入端至共視設備主機1 pps信號輸入端，共視設備主機使用外部輸入的1 pps作為偽距測量基準，因此共視設備主機射頻輸入端口至主機內部1 pps基準參考點的零值可由模擬源的發射偽距與共視設備主機的接收偽距做差獲得；主機內部1 pps基準參考點至共視設備主機1 pps信號輸入端的零值由時間間隔計數器測量獲得。

連續采集1 h數據進行處理，得到共視設備主機零值為463.21 ns。

圖5 主機校準原理Fig.5 Principle of host calibration

2.3 接收天線校準

接收天線校準在線纜、共視設備主機完成校準后進行測試，測試框圖如圖6所示。

圖6 天線校準原理Fig.6 Principle of antenna calibration

校準實物如圖7所示。

圖7 校準實物Fig.7 Picture of calibration equipment

測試鏈路除待測天線零值未知外，還需扣除射頻信號在微波暗箱中的傳輸時延，使用激光測距儀測量收、發天線間距離，計算得到傳輸時延。連續采集1 h數據進行處理，得到接收天線零值為62.35 ns。

3 零值校準驗證

按照上述方法分別選取時間比對設備A，B進行零值校準，測試結果如表1所示。則時間比對設備A，B間的相對零值為3.78 ns，作為后續測試的零值參考值。

表1 零值校準記錄表
Tab.1 Results of zero value calibration

序號設備類別測量值/ns1A線纜133.68主機463.21天線63.152B線纜135.15主機458.76天線62.35

將時間比對設備A和B搭建同源、超短基線環境進行測試驗證，天線置于開闊無遮擋處，連續采集2 d原始觀測數據使用PPP的方法標定位置坐標，使用該坐標位置進行共視數據處理，連續測量3次，每次測量周期的24 h，每次測量后設備進行開關機操作，最終得到數據如表2所示。表中測量值表示3次同源測試結果。

表2 超短基線測試記錄表 ns

Tab.2 Results of mini-baseline test

序號零值參考值超短基線測量值偏差1233.783.890.114.020.243.920.14

由表2可以看出，使用本文所示方法對共視設備進行校準，校準偏差優于0.3 ns。

4 結束語

本文研究了一種時間比對設備零值的絕對校準方法，利用模擬源與微波暗箱的組合對待測設備零值進行分段校準，基于該方法對2套時間比對設備進行了標定，并搭建了同源、超短基線環境進行測試驗證，測試結果表明該方法可以實現優于0.3 ns的校準精度。后續可將所涉及的校準設備進行便攜化設計并進行軟件自動化測試功能開發，從而進一步滿足工程應用。