北斗高精度时间同步技术方案_徐荣.pdf

第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11，No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.，2023 引文格式：徐荣，赵金峰，田湘，等.北斗高精度时间同步技术方案J.导航定位学报,2023,11(1):154-158.（XU Rong,ZHAO Jinfeng,TIAN Xiang,et al.Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technologyJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):154-158.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230123.北斗高精度时间同步技术方案 徐 荣1，赵金峰2，田 湘1，戴卫恒1，李永强1，吕 晶1（1.陆军工程大学 通信工程学院，南京 210007；2.61905 部队，沈阳 110000）摘要：为了进一步提高北斗卫星导航系统（BDS）时间同步设备的授时和守时精度，提出一种高精度时间同步技术方案：由于秒脉冲驯服时钟方案存在输出秒脉冲短稳差，驯服周期长等缺点，可以利用微型铷钟频率稳定度高的优点，基于载波测量时钟变化率来进行时间同步；既能解决输出秒脉冲短期抖动大的问题，又可以快速驯服并保持守时长期精度。实验结果表明，长期授时精度可达到 10 ns，可以满足第五代移动通信技术（5G）通信的最高时间同步需求。关键词：微型铷钟；时间同步；北斗卫星导航系统（BDS）授时；守时 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)01-0154-05 Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technology XU Rong1,ZHAO Jinfeng2,TIAN Xiang1,DAI Weiheng1,LI Yongqiang1,LYU Jing1（1.Institute of Communication Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210007,China;2.Troops 61905,Shenyang 110000,China）Abstract：BeiDou navigation satellite system(BDS)timing service has been widely used in power grid,mobile communication and other industries due to its global coverage,all-weather,and high-precision advantages.However,with the emergence of new technologies such as the fifth-generation(5G)communications,higher precision timing and punctuality requirements are put forward for time synchronization equipment.For the one pulse per second pulse discipling clock scheme,the output second pulse stability is poor,and the discipling cycle is long,a time synchronization technical scheme based on the carrier wave to measure the clock change rate is proposed by using the micro rubidium clock with the advantages of high frequency stability.which not only solves the problem of output the problem of short-term jitter of the second pulse,but also can be quickly disciplined,and long-term accuracy of timekeeping can be maintained.The experimental results show that the long-term timing accuracy reaches 10 ns,which can meet the highest time synchronization requirements of 5G communication.Keywords:miniature rubidium atomic clock;time synchronization;BeiDou navigation satellite system(BDS)timing;timekeeping 0 引言 随着北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）授时设备的广泛应用，通信、电力、金融、交通等行业的高效运转对时频信息的依赖性越来越强。以移动通信为例，第五代移动通信技术（the fifth generation of mobile communication technology,5G）的基本业务时间同步需求为1.5 s，5G 基站的带内非连续载波聚合和带间载波聚合的同步要求是130 ns，带内连续载波聚合的同步要求是65 ns，其中联合多天线发送和接收信号的技术（multiple input multiple output，MIMO）发送 收稿日期：2022-05-16 作者简介：徐荣（1980），男，江苏兴化市人，本科学历，副教授，研究方向为卫星导航授时与导航对抗。第 1 期 徐 荣，等.北斗高精度时间同步技术方案 155 要求时间同步精度为32.5 ns1。另外由于 BDS 卫星民用信号到达地面最大功率在-120 dBm 左右2，在实际的使用环境中，容易受到电磁干扰影响，使得本地时间系统有时无法锁定卫星信号，导致发生较大的时间偏差，会直接影响移动通信系统的稳定性。这些行业痛点对 BDS 时间同步设备的授时和守时精度提出了更高要求。微型铷原子钟（以下简称微型铷钟）的出现可以很好地解决上述问题。微型铷钟具有频率稳准度高、功耗低、体积小等优点3，并且价格适中，可广泛应用到上述行业。本文主要研究利用微型铷钟频率稳准度优势提高 BDS 授时与守时精度。1 卫星授时与守时基本原理 目前卫星授时大多采用静态授时方式，可以分成位置未知和位置已知 2 种工作模式。1）未知位置时的授时原理。此时，在位置未知工作模式下，接收机将通过接收 4 颗以上 BDS卫星的信号，完成接收机空间三维位置及钟差值的计算；当只能接收 3 颗卫星时，接收机将退化至二维工作模式，解算输出经纬度和钟差值。BDS 授时接收机跟踪这些卫星信号，并解扩解调信号，以测得用户机到这些卫星的伪距并获得这些卫星的导航电文。根据从导航电文中析出的电离层模型参数、卫星钟差改正参数等对伪距进行伪距修正。根据电文中析出的星历参数和卫星信号发送时刻，计算出卫星发送信号时的位置。由用户机至这些颗 BDS 卫星的修正后的伪距以及卫星位置，可列出方程组为 ()()()iiiixxyyzzct=-+-+-+222 （1）式中：i为第 i 颗修正后 BDS 卫星伪距；(,)iiix y z为第 i颗 BDS卫星的三维位置坐标；(,)x y z为 BDS授时接收机估计的三维位置坐标；c 为光速；t为BDS 授时接收机钟差。根据这个方程组可解出BDS 授时接收机位置和钟差。修正本地时间，使本地时间与系统时间同步。2）位置已知时的授时原理。如果 BDS 授时接收机长时间固定位置进行授时，可将对输出的用户位置进行较长时间的平滑，减轻测量噪声以及多径误差给位置解算带来的影响，并将平滑后的接收机位置作为已知位置，并将工作模式转为位置已知的授时工作方式。BDS 授时接收机根据已知的精确位置信息，在捕获到的卫星中，选择仰角较高的卫星作为授时卫星。用户机跟踪该卫星信号，并解扩解调该信号，以测得用户机到该卫星的伪距并获得该卫星的导航电文。根据从导航电文中析出的电离层模型参数、卫星钟差改正参数等对伪距进行伪距修正。根据电文中析出的星历参数和卫星信号发送时刻，计算出卫星发出信号时的位置及至用户机的距离。由修正后的伪距和卫星至用户机的距离，就可得出 BDS 授时接收机钟差，修正本地时间，即可使本地时间与 BDS 系统时间同步。3）守时原理。守时是卫星授时设备在失去卫星信号时利用本地时钟继续输出时间信号。不过任何时钟在工作时，频率都会容易向某一方向漂移，因此在锁定卫星信号时要进行时钟建模驯服本地时钟，从而在守时期间对时钟频率漂移进行修正，获得更稳准的输出。时钟模型的建立包括了时钟模型描述以及参数优化计算 2 个部分。如果在某一时间段内，BDS授时接收机工作正常，接收机时钟的频率漂移也已稳定，那么可以用这段时间内的时钟偏差变化来建立二项式时钟偏差模型。对于参数的优化计算可以采用最小二乘法、Kalman 滤波法等多种手段，这些手段可以有效克服测量噪声以及干扰时测量野值的影响，获得可靠的模型参数估计值4。钟差特性的描述为5-7。()()x txy tatn t=+20012（2）式中：x0、y0、a分别为表示微型铷钟的钟差、频差以及频差变化率；()n t为铷钟的随机误差；t为观测时刻。通过上述模型建立，利用一定时间的观测数据就可以对微型铷钟的频率漂移进行较为准确的长期预测，从而在守时期间保持较为准确的时间输出。2 基于微型铷钟的 BDS 授时与守时技术方案 目前市面上的授时设备大都是采用 BDS 授时商用模块的秒脉冲（one pulse per second,1PPS）来驯服铷钟8。如图 1 所示，该方案的时间和频率输出以商用模块输出的 1PPS 信号为基准参考，但由于 商 用 模 块 一 般 用 温 度 补 偿 晶 体 振 荡 器（temperature compensate xtal oscillator,TCXO）作为本地时钟，温补晶振利用补偿电压发生器，通过产生随温度变化的频率与补偿电压相补偿，改善晶振性能，可在更宽的温度范围内获得更高的稳定度，但短期稳定度可能受影响9。因其 1PPS 每秒有十几 ns 的抖动，一般需要几个小时才能完成 156 导航定位学报 2023 年 2 月 时钟驯服，限制了校频和时间同步精度的提高，所以无法满足更高的授时与守时精度要求。图 1 传统 BDS 时间同步技术方案 本文的设计方案如图2所示，通过自主研发BDS 授时接收机接收 BDS 卫星导航信号，以微型铷钟为本地时钟参考，实现卫星信号观测与铷钟钟差的紧耦合解算，提升了授时与守时精度。图 2 基于微型铷钟的 BDS 时间同步技术方案 微型铷钟采用美国微芯科技公司的 SA.35m（如图 3 所示）。该款原子钟是小型商业化的微型原子钟，频率稳准度好，有利于长期守时的准确性；另外工作功耗低，正常工作状态下小于 5 W。图 3 微芯科技公司的 SA.35 m 常见的 BDS 授时接收机一般采用码相位观测值进行解算，获得解算时刻的本地钟与系统时的钟差，然后在本地时加上钟差值累积等于整秒时输出秒脉冲。由于每秒输出一个脉冲，因此每秒仅需完成一次解算，然后在下一个秒脉冲时调整输出。这种方法实时简单，计算量也较小，但精度不高。由于解算算法只能获得观测时刻的本地钟和系统钟的差值，而观测时刻与秒脉冲输出时刻存在一定的时间差，在这个时间差内由于本地钟的频差会引入新的钟差，而这个钟差没有体