双向时间同步系统的设备时延校准技术研究

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1、2011年8月中国空间科学技术23第4期ChineseSpaceScienceandTechnology双向时问同步系统的设备时延校准技术研究李星1耿淑敏2李垣陵3(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

2、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：10．3780／j．issn．1000-758X．2011．04．0041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L1]。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[2q]。这样的说法其实不够全

3、面。在实际系统中，多径、多址等误差因素必然存在【

4、-5]，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L6]，会等效引入不同的设备时延。因此，所谓设备时延并不仅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

5、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最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t201卜03—21．收修改稿【j期t201卜04·1124中国空间科学技术2011年8月2设备时延定义2．1接收设备时延假设在本地时问参考点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一(M—A)。其中，M、A

6、、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I’日J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。接收没备时延的构成：模型可以用图1说明。图1中r。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i2．2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i⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯--；k茌隔i⋯·：持的时间信息通过扩频信号发

7、送出去。发射设备时延的构成模型可以用图2说明。图2中r曲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；“为输出秒脉冲基准点相对本地时间参考的时延；r虹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，Il伪码测‰I晤号生9时间与酬频率综合输入秒脉冲基准点输入参考l挝⋯⋯⋯⋯世⋯⋯。频率信号发射输出秒脉冲基准点图2发射设备时延构成模型Fig．2Modelofequipmentdelayottransmitter1．sO—r止；当发射设备不具

8、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秒脉冲基准点，即r柚一r．1．2011年8月中国空间科学技术3设备时延校准方案3．1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；dT。和d。。分别表示地面站x的