石 磊，孙祥福，李 腾

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

北斗授时原理及终端性能检测技术

石 磊，孙祥福，李 腾

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

根据目前主流的北斗授时型产品应用技术，对北斗单向授时、双向授时的原理进行了介绍，提出了北斗授时终端检测检测系统的设计思路，并对北斗授时终端的基本性能指标的测试方法和评估方法进行了描述。

北斗导航；单向授时；双向授时；授时精度；守时精度

引言

电力、金融、电信是与国家安全和人民利益息息相关的重要领域，它们对时间系统的同步性都有着很高的要求，原来我国在这些领域使用的都是GPS授时技术，不但受制于人，还存在着极大的安全隐患。伴随着我国北斗卫星导航系统（BDS）和北斗授时技术的快速发展，目前北斗授时产品已逐步替代了GPS产品。

授时技术主要包括短波授时、长波授时、网络授时和卫星授时，其中卫星导航授时具有精度高、覆盖范围广、全天时、全天候和设备成本低等诸多优点，越来越受到各类用户的青睐。

1 卫星导航授时原理

1.1 单向授时

单向授时是北斗授时终端自主实现定时功能。即由授时终端接收卫星信号，解算出基本观测量信息和导航电文信息，进而获得钟差修正本地时间，使本地时间与UTC同步。单向授时分为RNSS单向授时与RDSS单向授时两种模式。

1）RNSS单向授时

RNSS授时终端通过自主解算获得自身位置信息或者根据已知坐标位置信息可以获得定时信息。卫星导航电文信息包括整周秒计数、周内秒计数、钟差参数、与UTC时间同步参数等信息，RNSS授时终端通过接收卫星导航信号并自主解算出本地时间和GNSS系统时间差ΔTJST-GNT，并且根据卫星导航系统与UTC的时间差值ΔTGNT-UTC修正本地时钟，从而使本地时间与UTC时间同步。

授时终端获得本地时刻与UTC时间的差值ΔTJST-UTC为：

其中，ΔTJST-UTC为本地时间与UTC时间的差值；ΔTJST-GNT为本地时间与GNSS系统时间差值，T测量为GNSS卫星到授时终端的伪距时间，由授时终端测量获得，T下行为GNSS卫星到授时终端的空间几何传播时延，T其它为其它时延相关内容，包括电离层、对流层、设备零值等；ΔTGNT-UTC为卫星导航系统时间与UTC时间差值。

2）RDSS单向授时

RDSS单向授时原理与RNSS类似，但由于RDSS卫星对于出站信号为透明转发，因此通过授时终端获得本地时刻与UTC时间差值中还包括了上行信号传播时延及卫星转发器的零值。其中上行传播时延可以从RDSS出站电文中获得。

其中，ΔTJST-UTC为本地时间与UTC时间的差值；ΔTJST-GNT为本地时间与RDSS系统时间差值，T测量为RDSS地面中心站经卫星转发到授时终端的伪距时间，由授时终端测量获得，T下行为RDSS卫星到授时终端的空间几何传播时延，T其它为其它时延相关内容，包括电离层、对流层、设备零值、转发器时延等，ΔT上行为RDSS系统地面中心站到RDSS卫星的上行传播时延，该值可以从RDSS出站电文中获得；ΔTGNT-UTC为卫星导航系统时间与UTC时间差值。

1.2 RDSS双向授时

RDSS双向授时设备具备出站信号接收和应答发射入站信号的能力，通过与地面中心站进行往返测量，由中心站获得授时终端与地面中心站的时间差值，可以避免授时终端天线位置误差、电离层/对流层改造残差等诸多不确定因素引起的单向授时偏差，相对于RDSS单向授时，双向授时具有较高的授时精度。

RDSS双向授时是一种由授时终端发起授时申请，授时终端与地面中心站进行交互，向地面中心站发送定时申请，地面中心站计算其与授时终端的时间差，并通过出站信号播发给该授时终端，授时终端返回的正向传播时延信息T正向及出站电文获得的RDSS系统时间与UTC时间差值ΔT(GNT-UTC)，修正本地时间使其与UTC时间同步完成双向授时。

其中，ΔTJST-UTC为本地时间与UTC时间差值；T测量为RDSS地面中心站经卫星转发到授时终端的伪距时间，由授时终端测量获得；T正向为RDSS出站信号经卫星转发器至授时终端的传播时延；T接收零值为双向授时终端的接收零值；ΔTGNT-UTC为卫星导航系统时间与UTC时间差值。

双向授时工作示意图如图1所示。

2 检测系统的构建

为了保证测试结果的的科学性、准确性与可复现，北斗授时终端检测环境是在实验室环境中，利用北斗授时检测系统，通过仿真卫星导航星座、运动特性以及实际空间环境特性，模拟北斗授时终端天线口面接收到的卫星导航信号，配合标准仪器和专用设备，完成对授时终端授时性能的检测。

北斗授时检测系统主要由测试评估软件、导航信号模拟器、时频基准源、通用仪器、微波暗室等组成，如图2所示。

2.1 测试评估软件

测试控评估软件是整个检测检测的“大脑”，其主要功能是完成测试条件配置、测试流程的控制、测试数据的采集与存储、测试结果的分析与评估。

2.2 导航信号模拟器

图1 双向授时工作原理示意图

导航信号模拟器主要由数学仿真软件和信号模拟仿真源两部分组成。数学仿真软件的主要任务是仿真北斗授时终端在不同条件下接收到的导航卫星电文及其观测数据，为信号模拟仿真提供数据源，为测试评估软件提供评估基准。信号模拟仿真源主要任务是把数学仿真软件生成的导航电文和观测数据精确地生成射频模拟信号，提供给测试环境使用。导航信号模拟器具备GPS、北斗RNSS、北斗RDSS信号仿真能力。

2.3 时频基准源

时频基准源主要功能是为系统提供统一的时间和频率基准，并具备对授时终端输出的时间信息与本地时间进行比对的能力，优先选用铯原子钟或氢原子钟。

2.4 通用仪器

通用仪器主要包括时间间隔计数器、频率计数器等，用以辅助系统完成授时终端部分功能性能的测试。

2.5 微波暗室

微波暗室内是用来模拟自由空间环境对授时终端进行的无线测试，内部还包括测试天线、测试转台等。

图2 检测系统组成示意图

3 性能检测方法

3.1 授时精度

1）按照图3连接测试设备。

2）导航信号模拟器、时间间隔计数器、被测授时终端等设备开机预热时间不小于1 h，使各设备处于稳定工作状态；

3）授时终端接收导航信号模拟器播发导航信号，并设置授时模式（单向授时或双向授时），时间间隔计数器测量系统时频基准1 pps信号与授时终端1 pps的时间间隔，测试24 h；

4）在进行时间间隔比对测量的同时，比对授时终端和时频基准源的时间信息是否一致，若不一致则本次测试失败；

5）获得该授时终端的精度。

其中：

τ为被测授时终端的授时精度标准偏差；

t测量为时间间隔测量值并扣除被测电缆、空间传播时延等获得的被测授时终端与时频基准偏差值；

t均值为系统被测授时终端定时偏差平均值。

3.2 守时精度

守时精度是指授时终端在某些特殊情况下无法锁定导航信号，依靠授时终端内部的晶振或铷原子钟在一定时间内维持时间和频率的能力。

1）设备连接如图3所示，待授时终端进入稳定工作状态后，关闭导航信号模拟器输出。

图3 授时精度检测连接示意图

2）用时间间隔计数器测量授时终端输出1 pps信号与时频基准1 pps信号的时间间隔，测试时间一般设定为24 h；

3）在进行时间间隔比对测量的同时，比对授时终端和时频基准源的时间信息是否一致，若不一致则本次测试失败；

4）对测试时间段内所有数据按大小进行排序，取最大值即为该授时终端24 h内的守时精度。

其中：

T 为被测授时终端的授时精度标准偏差；

t测量为时间间隔测量值并扣除被测电缆、空间传播时延等获得的被测授时终端与时频基准偏差值。

3.3 频率准确度

对于北斗授时终端输出信号频率准确度的测试可以采用直接测频法进行测试，测试连接图如图4所示。

1）设备连接如图4所示，等待授时终端进入稳定工作状态开始进行测试。

2）用频率计数器读取北斗授时终端输出频率测量值；统计次数不少于100次；

3）计算该授时终端的频率准确度。

其中：

A为被测授时终端的授时精度准确度；

fi为授时终端输出频率的测量值；

f0为授时终端输出频率的标称值；

图4 频率精确度检测连接示意图

m为测量样本个数。

4 结束语

本文对北斗授时的基本工作原理进行了描述，提出了构建北斗授时终端检测系统的基本设计思路，分别给出了北斗RNSS单向授时、北斗RDSS单向授时和北斗RDSS双向授时的精度计算公式，从而实现对北斗授时终端性能进行科学、准确、可复现的质量评估，从而进一步规范北斗授时终端的技术状态，促进其在各个应用行业更好的推广。

[1]吴海涛,李变,吴建峰,等．北斗授时技术及其应用[M]．第1版．北京：电子工业出版社, 2016.

[2]陈向东,郑瑞锋,陈洪卿,等．北斗授时终端及其检测技术 [M]．第1版．北京：电子工业出版社, 2016.

[3]陈锡春,谭志强,李锋.北斗用户终端测试系统的设计与实现[J].无线电工程, 2015(1): 0-43.

[4]张延,黄佩诚.高精度时间间隔测量技术与方法[J].天文学进展, 2006, 24(1): 1-18.

[5]黄建生,王晓玲,王敬艳等. GPS导航定位设备测试技术研究[J]，电子技术与软件工程, 2013(6): 36-37.

[6]刘会杰,张乃通.基于双星系统的单向授时技术研究[J].遥测遥控, 2002, 23(3): 21-26.

石磊（1982.7.7- ），中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师，主要研究方向为卫星导航检测与认证。

BeiDou Timing Principle and Terminal Performance Testing Technology

SHI Lei, SUN Xiang-fu, LI Teng
(The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081)

According to the current mainstream of BeiDou timing type product’s application technology, this paper introduces the principle of BeiDou one-way timing or two-way timing, and puts forward the design idea of BeiDou timing terminal testing system. In addition, this paper describes the basic performance index of BeiDou timing terminal’s testing methods and evaluation methods.

BeiDou navigation; one-way timing; two-way timing; timing accuracy; punctuality accuracy

TN98

A

1004-7204（2017）02-0011-04