CN109639373A - 一种转发式定时接收机的绝对时延校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转发式定时接收机的绝对时延校准方法，利用转发式系统地面主控站保持的高精度时间频率信号，通过接收空中信号的方式，实现对转发式定时接收机的绝对时延校准，该方法的校准精度优于校准过程繁琐且成本高的信号源校准方法，该方法操作简单，无需额外的辅助校准设备。

Description

一种转发式定时接收机的绝对时延校准方法

技术领域

本发明涉及一种接收机的绝对时延校准方法。

背景技术

接收机的绝对时延校准是一项公认的难题。目前常用的接收机绝对时延校准方法是采用于信号模拟源的校准方法，对接收机终端的天线、天线电缆、接收机单元分别进行校准，校准的难点是天线和接收机单元。天线的校准需要在特定的微波暗室环境下使用矢量网络分析仪测量天线的群时延，测量不确定度约为1ns。接收机单元的校准需要使用价格昂贵的信号源模拟器、高速示波器等辅助测试设备，如图1所示，首先对模拟器进行自校准，标定伪距零值，然后测量接收机外时频参考信号的相位关系对接收机时延的影响，测试开关机下的通道一致性等等。校准过程复杂，注意的环节较多，需要特定的平台和专业测试人员才能准确地完成校准。目前，接收机单元绝对时延校准精度约为1.5ns(1σ)。因此，接收机绝对时延校准不确定度约为2ns。

转发式卫星导航试验系统不同于GNSS系统，利用通信卫星提供定位和授时服务，卫星上无星载原子钟，导航信号在地面主控站产生，然后上行至通信卫星转发器，向用户广播。地面主控站实时测量信号从主控站主钟出口至卫星转发式器出口的时延值，并以虚拟钟参数的形式在导航电文中广播。虚拟钟参数同时包含了卫星到地面主控站下行路径中的电离层时延及对流层时延。目前对转发式系统接收终端的绝对时延校准仍然采用传统的基于信号模拟器的方法，需要购置相应频点的信号模拟器才能完成，校准过程复杂，且成本高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高精度转发式接收机绝对时延校准方法，充分利用转发式系统的独特优势，只需将待校准设备搬移至系统的地面主控站，利用系统主控站保持的时间频率信号，即可实现高精度的绝对时延校准，校准步骤简单，无需额外校准设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，地面主控站提供1路CAPST 10MHz频率信号和1路CAPST 1PPS时间信号；

步骤2，分别将10MHz频率信号和1PPS时间信号接入待校准的转发式定时接收机；将天线固定在坐标测定的室外基墩上，用电缆连接室外天线与室内的转发式定时接收机；

步骤3，利用计数器测量出连接CAPST信号的物理参考点至接收机1PPS输入端的参考电缆时延值；利用计数器测量出连接天线及接收机的天线电缆时延值；

步骤4，将参考电缆时延值和天线电缆时延值输入转发式定时接收机，将转发式定时接收机的内部时延值设置为零；

步骤5，转发式定时接收机接收转发式卫星信号，获得伪距；通过对伪距值进行几何路径时延改正、虚拟钟改正、地球自转效应改正以及步骤4中设置的参考电缆时延值和天线电缆时延值改正，得到接收机外部参考CAPST与经接收卫星信号得到的CAPST的偏差ΔT；

步骤6，采集获得至少1天的(t_i,ΔT_i)，i＝1～n，t_i为数据时标，ΔT_i为对应时刻的偏差值，n为数据总个数；

步骤7，统计ΔT_i的均值，即为待校准的转发式定时接收机的时延值，包含接收机单元和天线的总时延。

所述的步骤4中若将参考电缆时延值和天线电缆时延值均设置为零，则ΔT_i的均值包含接收机单元、天线、天线电缆和参考电缆在内的总时延值。

本发明的有益效果是：基于转发式系统信号从地面产生、信号由卫星转发的独特工作方式，操作简单，成本低廉，精度高，无需额外辅助校准设备，明显优于传统的基于信号模拟源的绝对时延校准方法。同时，本发明可以扩展应用于北斗、GPS等GNSS接收机的绝对时延校准。

附图说明

图1是基于信号模拟源的接收机绝对时延校准方法示意图；

图2是本发明提出的转发式定时接收机的绝对时延校准方法示意图；

图3是待校准接收机的绝对时延值示意图；

图4是转发式定时接收机的绝对时延校准结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明充分利用导航系统地面主控站保持的时频信号资源，以及转发式系统独特的工作模式，实现对转发式定时接收机绝对时延的校准。本发明的校准过程简单，校准精度优于基于信号模拟源的校准方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：转发式系统的地面主控站提供1路CAPST 10MHz频率信号，1路CAPST1PPS时间信号，1个室外坐标经精确测绘的天线基墩；

步骤2：分别将步骤1中的1路10MHz频率信号和1PPS时间信号接入待校准的转发式定时接收机的相应输入口。天线固定在步骤1中的基墩上，用电缆连接室外天线与室内的转发式定时接收机；

步骤3：利用计数器测量出连接CAPST信号的物理参考点至接收机1PPS输入端的参考电缆时延值；同样地，测出连接天线及接收机的天线电缆时延值。

步骤4：上电运行接收机，在转发式定时接收机的软件里设置测量得到的参考电缆时延值和天线电缆时延值，接收机的内部时延值设置为零。

步骤5：设置完成后，转发式定时接收机接收转发式卫星信号，获得伪距。通过对伪距值进行几何路径时延改正、虚拟钟改正、地球自转效应改正以及步骤4中设置的时延改正，得到接收机外部参考CAPST与经接收卫星信号得到的CAPST的偏差ΔT。

步骤6：采集获得至少1天的(t_i,ΔT_i)，i＝1～n，t_i为数据时标，ΔT_i为对应时刻的偏差值，i为数据总个数。统计ΔT_i的均值；

步骤7：均值即为待校准的转发式定时接收机的时延值，包含接收机单元和天线的总时延。若跳过步骤3，且将步骤4中各项时延值均设置为零，则均值为包含接收机单元，天线，天线电缆和参考电缆在内的总时延值。

如图2所示，本发明的实施例提供一种基于转发式系统的地面主控站资源实现转发式定时接收机的绝对时延校准，转发式导航电文中给出的虚拟钟参数为从O点到R点的上行时延值，以及R到Q的下行电离层时延和对流层时延，具体步骤如下：

步骤1：转发式系统的地面主控站为待校准接收机提供1路CAPST 10MHz频率信号，1路CAPST 1PPS时间信号，该信号的物理参考点与地面基带和上行部分使用的时频信号的物理参考点一致。同时，还提供1个室外坐标经精确测绘的天线基墩；

步骤2：待校准接收机放置在转发式系统的地面主控站内，接入主控站提供的1路10MHz频率信号和1PPS时间信号，并使用步骤1中给出的天线基墩；

步骤3：利用计数器测量出连接CAPST信号的物理参考点O至接收机1PPS输入端P的电缆时延值；同时测出连接天线及接收机的天线电缆时延值。

步骤4：接收机上电运行，接收转发式导航信号，测量得到信号从O点到Q点的一组伪距值ρ_i。

步骤5：利用转发式系统发播的O点到R点的虚拟钟改正量τ_i,vclk对伪距值ρ_i进行改正，得到从R点至Q点的伪距值。再进一步进行星地几何路径时延改正r_i、地球自转效应改正τ_i,sag，及步骤3测得参考电缆时延τ_{ref_DLY}和天线电缆时延τ_{cab_DLY}，得到接收机外部参考CAPST与经接收卫星信号得到的CAPST的偏差ΔT_i。

ΔT_i＝ρ_i-τ_i,vclk-r_i-τ_i,sag-τ_{cab_DLY}+τ_{ref_DLY}

步骤6：采集获得至少1天的ΔT_i值，i＝1～n，n为数据总个数，统计ΔT_i的均值；

步骤7：步骤6得到的均值即为待校准的转发式定时接收机的绝对时延值，其为接收机单元和天线的时延之和。若省略步骤3，则统计得到的均值为接收机单元，天线，天线电缆和参考电缆的总时延值。

根据以上实施过程，2017年3月20日在转发式地面主控站对一台待校准转发式定时接收机进行绝对时延校准，校准时长1天，每分钟1个数据点。图3所示为按照本发明给出的步骤实施后得到的待校准接收机的绝对时延值。图3中校准结果的均值为175.83ns，标准方差为0.47ns，即待校准接收机的绝对时延为175.83ns，校准的不确定度为0.47ns，优于1ns。为验证校准结果的准确性和精度，将校准结果从该接收机2017年4月17日的定时结果中扣除，结果见图4。从图4中可以看出，扣除绝对时延后的定时结果均值为-0.02ns，标准方差为0.48ns，完成接收机校准后约1个月接收机的绝对时延与校准结果保持一致，这说明接收机校准结果的正确性，校准不确定度优于1ns。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是基于转发式系统信号在地面产生，上行至卫星转发的工作模式，以及系统测量发播的虚拟钟参数，将待校准接收机搬移至转发式系统的地面主控站，与主控站近零基线放置。待校准接收机与地面主控站使用同源的时频信号，接收机测量的伪距值经各项改正后得到的时差即为接收机的内部绝对时延值。

该方法有三个优势：1.相比传统基于信号模拟器的校准方法，该方法操作简单，成本低，不需要额外的辅助校准设备；2.该方法的校准精度高，可以实现优于1ns的校准不确定度；3.该方法应用灵活，可以测试整套接收机系统的时延，也可以实现对天线及接收机单元的时延测试，还可以测试不同频点，不同接收通道间的时延差。此外，本发明提供的测试方法也借鉴应用到GNSS接收机的绝对时延校准。

Claims (2)

1.一种转发式定时接收机的绝对时延校准方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，地面主控站提供1路CAPST 10MHz频率信号和1路CAPST 1PPS时间信号；

步骤2，分别将10MHz频率信号和1PPS时间信号接入待校准的转发式定时接收机；将天线固定在坐标测定的室外基墩上，用电缆连接室外天线与室内的转发式定时接收机；

步骤3，利用计数器测量出连接CAPST信号的物理参考点至接收机1PPS输入端的参考电缆时延值；利用计数器测量出连接天线及接收机的天线电缆时延值；

步骤4，将参考电缆时延值和天线电缆时延值输入转发式定时接收机，将转发式定时接收机的内部时延值设置为零；

步骤5，转发式定时接收机接收转发式卫星信号，获得伪距；通过对伪距值进行几何路径时延改正、虚拟钟改正、地球自转效应改正以及步骤4中设置的参考电缆时延值和天线电缆时延值改正，得到接收机外部参考CAPST与经接收卫星信号得到的CAPST的偏差ΔT；

步骤6，采集获得至少1天的(t_i,ΔT_i)，i＝1～n，t_i为数据时标，ΔT_i为对应时刻的偏差值，n为数据总个数；

步骤7，统计ΔT_i的均值，即为待校准的转发式定时接收机的时延值，包含接收机单元和天线的总时延。

2.根据权利要求1所述的转发式定时接收机的绝对时延校准方法，其特征在于：所述的步骤4中若将参考电缆时延值和天线电缆时延值均设置为零，则ΔT_i的均值包含接收机单元、天线、天线电缆和参考电缆在内的总时延值。