双向时间同步系统的设备时延校准技术研究

2023年11月30日发(作者：)

2011年8月

中国空间科学技术

ChineseSpaceScienceandTechnology

第 4 期

双向时间同步系统的

设备时延校准技术研究

李星

耿淑敏李垣陵

123

(1北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)(263999部队,北京100094)

(3国防科学技术大学电子科学与工程学院,长沙410073)

摘要设备时延校准误差是卫星导航系统中伪码测距实现双向时间同步的重要误差因

素,其精确校准是实现时间同步的关键技术。针对设备时延问题展开研究,提出了一种物理含

义清晰、易于测量的设备时延的新定义。设计实现了一种双向时间同步系统的设备时延校准

方案,基于时间同步站硬件平台验证了设备时延校准的有效性,试验结果表明时延校准的精

度与准确度达到了亚纳秒量级。

关键词伪码测距设备时延校准双向时间同步卫星导航

DOI:1013780/j1issn11000-758X120111041004

1 引言

基于伪码测距的时间同步系统,由于设备时延包含在伪码测距的测量值之中,影响了伪码测距

系统根据测距值估计信号传播真实时延的准确性。时间同步的准确度极大程度上受制于对设备时延

的精确校准,若不加控制,此项误差可能达到数纳秒量级。

[1]

设备时延包括信号发射设备和接收设备的时延,现有的关于设备时延的文献中一般将其直观地

理解为信号收发设备中信号传输和处理的物理时延。这样的说法其实不够全面。在实际系统中,多

[2-3]

-5][4

径、多址等误差因素必然存在,此时如果伪码测距接收机使用不同的电路实现结构和信号处理算

法,或者输入时钟等外部条件发生变化时,会等效引入不同的设备时延。因此,所谓设备时延并不仅

[6]

仅指信号在介质中传输的物理时延,还应该包含在特定收发信机硬件、信号处理算法以及其他外部输

入等条件下的等效设备时延。也就是说,任何关于接收或发射设备时延的定义都应该是基于特定状态

的接收机的时延,脱离接收机而定义的设备时延不具备对伪码测距值的修正作用,是没有意义的,时

延校准技术必须能够精确地校准包含上述因素的设备时延。时延校准技术实质上是使用伪码测距的

技术手段,测量和校准信号收发设备引入的信号传输和处理时延,是高精度伪码测距技术的一种特殊

应用。

本文首先提出了物理含义清晰且易于测量的基于接收机意义的设备时延新定义,给出了设备时

延的校准方案,在此基础上,对设备时延校准的有效性验证与应用进行研究。

收稿日期:2011-03-21。收修改稿日期:2011-04-11

中国空间科学技术 2011年8月

2 设备时延定义

211 接收设备时延

假设在本地时间参考点M,接收天线相位中心处接收到的信号内调制的时间信息为A,当接收

设备处理不存在时延,接收机的伪码测距值应为(M-A)。因此,当存在接收设备时延时,假设伪码测

距值为P,则接收设备时延定义为P-(M-A)。其中,M、A、P为以秒计时的时间。

伪码测距接收设备的核心功能是从接

收到的扩频信号中恢复出时间信息并与本地

保持的系统时间进行比对,二者之差即为接

收机获得的伪码测距值。接收设备时延的构

成模型可以用图1说明。图1中S为信号接

收及预处理部分时延,通常包括滤波、放大、

变频、信号传输波导与电缆的时延,以及数字

信号处理时延等;S为输出秒脉冲基准点相

对本地时间参考的时延;S为输入秒脉冲基

准点相对本地时间参考的时延;S为参考伪

码相对本地时间参考的时延;S为伪码测距

值。

图1 接收设备时延构成模型

Fig11 Modelofequipmentdelayofreceiver

对接收设备而言,信号接收基准点与本地时间参考点之间的时延可以表示为S-S+S。当接

r0r3r4

收设备同步于外部输入时标信号时,接收设备时延应归算到输入秒脉冲基准点,即S-S+S-S;

r0r3r4r2

当接收设备不具备外部输入时标信号而具备输出秒脉冲信号时,接收设备时延归算到输出秒脉冲基

准点,即S-S+S-S。

r0r3r4r1

212 发射设备时延

假设接收机接收发射天线相位中心处的信号,伪码测距值为Q,设接收机设备时延为R,则发射

设备时延定义为伪码测距值与接收设备时延之差,即Q-R。其中,Q、R为以秒计时的时间。

伪码测距发射设备的核心功能是把本地

保持的时间信息通过扩频信号发送出去。发射

设备时延的构成模型可以用图2说明。图2中

S为信号发射基准点相对本地时间参考的时

延,通常包括滤波、放大、变频、信号传输波导与

电缆的时延,以及数字信号处理时延等;S为

输出秒脉冲基准点相对本地时间参考的时延;

S为输入秒脉冲基准点相对本地时间参考的

时延。

当发射设备同步于外部输入时标信号时,

发射设备时延应归算到输入秒脉冲基准点,即

S-S;当发射设备不具备外部输入时标信号而具备输出秒脉冲信号时,发射设备时延归算到输出

s0s2

秒脉冲基准点,即S-S。

s0s1

图2 发射设备时延构成模型

Fig12 Modelofequipmentdelay

oftransmitter

2011年8月中国空间科学技术

3 设备时延校准方案

311 双向时间同步系统

考虑如图3所示的双向时间同步系统,两

地面站分别在本地钟面时刻向同一颗地球静止

轨道(GEO)卫星发射直接序列扩频信号,经卫

星转发器转发后,两地面站分别接收对方的发

射信号进行伪码测距。

令:$T表示地面站x钟面时相对系统时

间基准的超前量,正数表示超前,负数表示滞

后;P表示接收机y测量得到的由x到y的伪

码测距值;d和d分别表示地面站x的信号

TxRx

发射和接收通道时延;d代表图3中所示的信

号传播时延;d表示由x到y的卫星转发器时

Sxy

延;S表示x到y的萨格奈克效应(Sagnac,一

种相对论效应)。

图3 双向时间同步系统

Fig13 Two-waytimesynchronizationsystem

根据伪码测距原理可以得到如下公式:

($T+$T)+d+d+d+d+d+S=P(1)

BARBTAASSBASBABAB

($T+$T)+d+d+d+d+d+S=P(2)

ABRATBBSSABSABABA

由公式(1)和(2)可以得到地面站A与地面站B的钟差为

P-P(d-d)-(d-d)(d-d)-(d-d)

BAABTARATBRBASSABSSB

$T-$T=

++-

222

d-dS-S

SBASABABBA

-(3)

式中为参加双向无线电测距的设备时延差;为卫星处理时

延差;为信号传输路径时延差;为双向比对的Sagnac效应误差。

(d-d)-(d-R)d-d

TARATBRBSBASAB

(d-d)-(d-d)S-S

ASSABSSBABBA

[7]

一般认为,式(3)右边的第三、四、五项误差总和可以控制在百皮秒量级,对于纳秒或亚纳秒量级

精度的时间同步系统其影响基本可忽略;式(3)右边的第二项,即设备时延的测量误差,是时间同

步解算中最重要的误差因素。

312 设备时延校准方案

通过在靠近天线馈源处增加时延校准变频单元的方法,形成多个信号收发回路,可以利用伪码

测距的原理对地面站设备的收发通道时延进行实时校准,如图4所示。

图4中时延校准变频单元主要完成的功能包括:上行射频信号RFIN频率至下行射频信号

RFOUT频率的变换;上行射频信号RFIN频率至中频信号IFOUT频率的变换;中频信号IFIN频率

至下行射频信号RFOUT频率的变换。

中国空间科学技术 2011年8月

图4中的发送终端和接收终端可以完成多个通

道的信号收发,不同通道采用码分多址的方式共用频

率资源,通过多通道码分多址信号收发可以完成闭环

测量、发射通道测量、接收通道测量等多个闭合通道

的时延测量。

(1)闭环测量

闭环测量的信号传输通道为:发送终端y上变

频器y固态功放y发定向耦合器y时延校准变频

单元y收定向耦合器y低噪放y下变频器y接收

终端。

闭环测量的测量方程表示为

d+d+d=d(4)

TXD-RFIN-RFOUTRXTR

式中 d为发射通道时延,包含信号传输经过发送

终端、上变频器、固态功放和发定向耦合器的信号时

延;d为时延校准变频单元RFIN输入端口

D-RFIN-RFOUT

至RFOUT输出端口的时延;d为接收通道时延,包

(2)发射通道测量

发射通道测量的信号传输通道为:发送终端y上变频器y固态功放y发定向耦合器y时延校

准变频单元y环行器1y环行器2y接收终端。

发射通道测量的测量方程表示为

d+d+d+d=d(5)

TXD-RFIN-IFOUTCCRUT

式中 d为时延校准变频单元RFIN输入端口至IFOUT输出端口的时延;d为图4中电缆

D-RFIN-IFOUTCC

C和两个环行器的时延之和;d为接收终端的处理时延;d为发射通道测量中接收终端的伪码测距

RUT

值。

(3)接收通道测量

接收通道测量的信号传输通道为:发送终端y环行器2y环行器1y时延校准变频单元y收

定向耦合器y低噪放y下变频器y接收终端。

接收通道测量的测量方程表示为

d+d+d+d=d(6)

TUCCD-IFIN-RFOUTRXR

端口的时延;d为接收通道测量中接收终端的伪码测距值。

将测量方程公式(5)与(6)相减可对消掉电缆C的传播时延,得到:

d-d+d-d+d-d=d-d(7)

TXRXD-RFIN-IFOUTD-IFIN-RFOUTRUTUTR

而式(4)中的测量值d则提供了对d+d变化趋势的评价标准。

TRTXRX

地面站设备时延的初始值d和d可以使用通用仪器配合完成精确的初始标定

TXRX

[6]

,初始标定

完成后,正常工作的设备时延值将在初始标定值附近缓慢地漂移变化。上述的时延校准方案可以实时

跟踪设备时延的变化规律,有效解决通道时延的在线实时校准问题。

根据上面的分析,由式(7)可知测量值d-d可以跟踪地面站设备时延d-d的变化规律,

TRTXRX

式中 d为发送终端的处理时延;d为时延校准变频单元IFIN输入端口至RFOUT输出

TUD-IFIN-RFOUT

图4 时延校准原理

Fig14 Principleofdelaycalibration

含收定向耦合器、低噪放、下变频器和接收终端的时延;d为闭环测量接收终端伪码测距值。

2011年8月中国空间科学技术

4 时延校准有效性验证与应用

设备时延定义一节中提到,任何关于设备时延的定义都应该是基于特定状态的接收机的设备时

延,脱离接收机而定义的设备时延不具备对伪码测距值的修正作用,是没有意义的。因此,设备时延校

准的有效性也必须在特定接收机状态和特定外部输入条件下进行验证。

为了验证设备时延校准技术的有效性,应该在精确控制钟差的条件下研究设备时延校准与伪码

测距值之间的相对变化关系。也就是说,设备时延校准有效性的检验标准是:设备时延校准可以准确

地对消接收机伪码测距值中由设备时延引入的变化。

为了验证设备时延校准技术的有效性,进行了如下的试验。将两套地面站设备共址共钟安装,即

两个站安装在同一地点并使用共同的高稳定度时钟,此时两站钟差为零,通过模拟卫星转发的双向路

径时延高度对称且不存在Sagnac效应,根据公式(3)应有

(P-P)-(d-d)+(d-d)y0(8)

ABBATARATBRB

式(8)即为设备时延校准技术有效性验证的衡量标准。

按照图3所示的设备连接关系(图3中的真实卫星由模拟卫星转发器代替,卫星与地面站之间的

无线链路采用射频有线连接的方式代替),采用图4所示的时延校准方案,进行了时延校准有效性的

验证试验。试验进行了48h,每秒采集一组测量数据,结果如图5所示。由图5(a)可以看出,在约66

000s处,伪码测距值出现了快速的变化,变化幅度约为012ns,此时两站钟差未改变,因此可以判断在

此时间段内应该是地面站设备时延受某些外部环境的影响发生了较快的变化。观察图5(b)可以证实

以上的推论,对地面站A的设备时延监测在相同的时刻测量到了设备时延的变化。

图5 时延校准有效性验证结果

Fig15 Dataofdelaycalibrationvalidity

中国空间科学技术 2011年8月

根据公式(8),利用测量值(P

ABBATARATBRB

-P)-(d-d)+(d-d)的统计分析结果衡量时延校

准的有效性。为了准确地反应测量数据的统计特性,将所有的观测值Q按每组1000个数据分为M组,

每组数据分别进行均值与均方差统计,记:

(n+1)@1000

E(Q)=

EQ, n=0,1,,,M-1(9)

1000

i=n@1000+1

(10)A(Q)=max{E(Q)}-min{E(Q)}

(11)(Q-E(Q)), n=0,1,,,M-1

R(Q)=E

统计结果为:

999

i=n@1000+1

(n+1)@1000

max{E(Q)}=013202ns,min{E(Q)}=-012114ns,A(Q)=015317ns,R(Q)=013021ns。

nnn

因此,时延校准的准确度(由每1000点均值的最大最小值之差衡量)和精度(由每1000点均方差

最大值衡量)达到了亚纳秒量级,验证了设备时延校准的有效性。

5 结束语

研究提出的亚纳秒量级设备时延校准技术可以应用于卫星导航系统的多地面站间时间同步、星

地时间同步等领域,具有广泛的适用性。试验结果表明,采用时延校准技术对于准确测量钟差、维持系

统时间基准等具有比较重要的意义,研究结果可以指导工程实现,具有工程应用价值。后续将针对射

频无线连接状态,进一步开展时间同步系统的时延校准数据分析和验证。

参考文献

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LIXING,WANGFEIXUE,OUGANG,etal.StudyonPNcodetrackingerrorcausedbymult-iuser

interferenceinsatellitenavigationsystem[J].SignalProcessing,2008,24(5):885-888.

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Ultrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2005,52(11):1904-1911.

[7] HANSONDW.Fundamentalsoftwo-waytimetransferbysatellite[C].43rdAnnualSymposiumonFrequency

Control,1989.

作者简介

李星 1980年生,2009年获国防科学技术大学信息与通信工程专业博士学位,工程师。主要

研究方向为卫星导航。

2011年8月中国空间科学技术

EquipmentDelayCalibrationTechnique

forTwo-wayTimeSynchronizationSystem

LiXing

123

GengShumin LiYuanling

(1BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094)

(2Army63999,Beijing100094)

(3NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073)

Abstract Equipmentdelayerrorisanimportantfactortoimplementtwo-waytime

synchronizationinpseudo-noisecoderangingsystem.Andtheaccuratecalibrationisthekey

technologytoreachagoodtimesynchronization.Regardingtotheequipmenttimedelay,anew

definitionofequipmenttimedelaywithclearphysicalmeaningwasproposed.Ascheme

implementingdelaycalibrationintwo-waytimesynchronizationwasdesigned.Thedelaycalibration

techniquewasvalidatedonthehardwareplatformoftimesynchronizationstation.Andthe

experimentresultsshowthattheprecisionandaccuracyofdelaycalibrationreachessub-nanosecond

level.

Keywords Pseudo-noisecoderanging Equipmentdelaycalibration Two-waytime

synchronization Satellitenavigation

(上接第14页)

ResearchonCOMPASSNavigationSignalsofChina

TanShusen ZhouBing GuoShengtao LiuZhijian

(BeijingGlobalInformationCenter,Beijing100094)

Abstract ThesignalsofglobalnavigationsatellitesystemofChinamustobeymany

constraints,andshouldbecoordinatedwithothernavigationsignalsaswell.Theservicetype,

carrierfrequency,modulationschemeandspreadingcodesareessentialforthecoordination.The

signalstructureandparametersofCOMPASSexcerptedfromthereferenceassumptions

document(RAD)werepresented.Thecorrelationperformancesofthespreadingcodesofthe

COMPASSopensignalswereconsistentwiththatofGPS.Baseonthesignalstructureandbasic

parametersoftheRADs,COMPASSandGPS,theLbandfrequencycoordinationwascompletedin

accordancewiththeframesestablishedbyITUinSeptember,2010.

Keywords Signalsystem Modulationscheme Codecorrelation Spreadingcodes

COMPASS

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