基于北斗的多源防干扰授时系统研究

摘要：高精度授时是军事、电力、通信、交通等各行业系统运行的安全保障。发展具有我国自主知识产权的卫星系统是关系国家经济和国家安全的重大事业。而目前我国的各个行业普遍采用 GPS 导航系统，为了打破 GPS 的垄断，也是从国家经济和国防安全的角度考虑，我国在2003年开始建立了“北斗一号”卫星导航系统，到2020年北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通。这是我国自主研发和建立的可以提供全天候、高精度服务的区域性卫星导航定位系统，具有定位、通信和授时三大基本功能。从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础中的基础，它对整体社会的支撑几乎是全方位的，星基导航和授时是未来发展的必然趋势。

关键词：北斗系统 多源授时系统

一、引言

卫星授时不仅在基础研究领域有着重要的作用，如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学研究等；而且在国防和国民经济建设中也有普遍的应用，如航空航天、地空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等。随着现代社会的高速发展，对高精度时间频率提出了更高要求，特别是现代数字通信网的发展、信息高速公路建设，各种政治、文化、科技和社会信息的协调都是建立在严格的时间同步基础上的。高精度时钟源对国家的经济运行、通信网络是十分重要的。目前国内多数行业普遍采用 GPS 作为时钟源，而由于 GPS 信号精度受美国军方控制，如果我们仅通过依靠国外卫星系统作为时钟源，授时的安全性将无法得到保证。所以必须充分利用具有我国自主知识产权的北斗卫星系统作为我国高精度时钟源。

二、北斗系统介绍

中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。中国的北斗一号系统于1994年开始研制，于2000-2003年间发射了3颗卫星，开始提供基础的服务。但从严格意义上讲北斗一号主要是用于测试，并没有完整的导航功能。北斗二号于2004年启动建设，到2012年年底，共完成了14颗卫星的发射部署，开始给亚太地区用户提供导航服务。在建设北斗二号系统的同时，中国曾参与欧盟的伽利略系统的研制，作为北斗二号的补充，用以提供全球的导航服务。但是由于美国的阻挠，以及欧盟的技术限制，中国于2006年12月退出。2009年中国启动北斗三号的建设，开始搭建全球导航系统。新一代的北斗三号卫星于2015年开始发射，到2017年底完成了19颗卫星的部署，同时借助之前的北斗二号系统，北斗开始提供全球导航服务。2020年6月23日，北斗三号最后一颗组网卫星发射成功。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通。北斗全球定位精度优于10米，测速精度0.2米每秒，授时精度优于20纳秒。

三、卫星授时原理

卫星授时通过卫星转发地面中心站原子钟产生的北斗系统标准时间信息，接收机通过接收卫星星历数据获得信号发送时间与信号传播时延，然后调整本地时钟使本地时间与北斗系统时的误差控制在一定的范围内。卫星授时之所以可以获得高精度的时间同步在于采用了冗余技术，多个原子钟组成原子钟组为卫星提供准确校准，卫星星历被扩频码调制成宽带信号。北斗系统为用户机提供两种授时方式：单向授时和双向授时。单向授时通过被动接收的方式完成，用户机不需要与地面控制中心进行交换数据。只需接收导航电文，利用卫星广播授时帧中的天、时、分、秒等时间信息以及卫星的位置信息，由用户机自主计算出本地时间与北斗标准时间的钟差，并修正，调整本地时间，使本地时间和北斗时间精确同步。北斗双向授时过程是地面中心站发送信号给卫星，卫星转发信号发送到达授时用户机，用户机对接收到的信号进行处理发送至卫星，卫星再将这个用户机处理过的信号转发至中心站，地面中心站经卫星到用户机的单向传播时延。地面中心站将这个单向时延发送给用户机。用户机根据接收的时标信号及单向时延计算修正本地时钟，使之与北斗系统时间同步。

单向授时与双向授时的主要差别在于用户机获取信号传播延时方式的不同：单向授时利用北斗系统广播的卫星位置信息在本地计算得到信号的单向时延。在单向授时模式下，卫星位置误差、对流层、电离层模型都会影响时延的估计值，从而影响最终的授时精度。而在双向授时模式下，时延计算都在地面中心站进行，无需知道授时终端的确切位置。通过往返时延除以 2 的方式得到信号单向时延比单向授时更精确，因此能获得更高的授时精度。由于单向授时模式采用被动接收、自主计算时延的方式，因此单向授时不受系统容量的限制。而双向授时模式是通过在地面中心站计算时延，因此会受到地面中心站系统容量的限制。在实际应用中，针对单向授时和双向授时各自的优缺点，要综合考虑授时精度要求和北斗系统容量的限制选择授时模式。基于北斗的多源防干扰授时系统采用的是单向授时。

四、授时系统设计与实现

1.系统结构

基于北斗的多源防干扰授时系统总体结构如图 1 所示，由天线、授时设备、交换机、子钟、挂钟等组成。系统采用模块化设计，精度高、性能好、功耗低，无积累误差，不受地域气候等环境条件限制，全自动智能化运行，操作简单。授时系统能为网络设备和串口设备提供精确、标准、安全、可靠的授时服务。

2.系统架构

基带信号在 FPGA 中形成，包括伪码捕获跟踪、解扩解调、卫星时钟恢复等任务，处理器模块实现伪距测量、时差测量，并可在PC机上通过授时机用户软件实现对用户机参数配置和工作状态检测等功能。硬件电路方案是FPGA+ARM架构，FPGA+ARM架构设计的数据处理模块具有高速运算能力和高带宽的数据输入输出接口，能够满足超高性能数据处理以及低功耗、可编程性的应用。授时接收机主要有DC电源、A/D转换电路、FPGA、ARM、存储器构成，FPGA集成了PCI和SRAM控制器。FGPA对A/D之后的数字信号进行捕获、跟踪并将每个数据周期得到的码相位增量传输给ARM，ARM采用合适的算法估计出下一秒对应的码发生器NCO脉冲个数，或者接收机基频脉冲个数，并将这个数据发送给FPGA中的计数器，用来产生精确的秒脉冲。ARM 处理器采用意法半导体公司的STM32F427IIH7微处理器。在授时接收机中，FGPA 把解出的卫星信号传送给 ARM，ARM 对接收到的数据根据北斗卫星信号出入站协议进行解析，并将一些信息返回给 FPGA，并且与 PC 机进行通过异步串行通信，输送给上位机一些显示数据或接收上位机的一些控制指令。

3.支持NMEA-0183协议

授时系统输出采用NMEA-0183协议，统一标准格式NMEA-0183输出采用ASCII码，其串行通信的参数为：波特率＝4800bps，数据位＝8bit，开始位=1bit，停止位＝1bit，无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行，每个语句均以“$”开头，然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，接着就是以逗号分隔的数据体，语句末尾为校验和，整条语句以回车换行符结束。NMEA-0183的时钟数据信息主要有：$GPGGA：输出卫星的定位信息；$GPZDA：输出UTC时间信息；$GPGSV：输出可见的卫星信息；$GPALM：输出卫星星历信息。

4.多路时钟源输入

系统可接入的时钟源包括北斗、GPS、GOLANASS、伽利略系统等星基时钟源。系统以北斗信号作为主要校时基准，其他星基信号和时钟源信号作为参考。系统对外部接入的授时信息和内部授时信息按照给定的策略进行处理，处理过程包含信号优选、信号融合等。

5.授时解算

北斗系统的授时工作方式与 GPS 授时方式相似，但区别在于 GPS 每秒钟发送一个子帧，发送一次时间信息的星历电文，单星授时精度较差，所以通过锁定至少四颗星解算方程获得精确时间。而北斗每分钟发送1超帧（1920 分帧）即每秒发送 32 分帧，在单向授时方式下，只需锁住一颗卫星的一个波束即可进行授时解算。

北斗系统不断播发导航电文，每分钟发出1超帧，每1超帧包含1920个间隔为 31.25ms 的帧数据包，假设系统在发出 1 超帧中的第n帧数据，此数据通过卫星转发到达授时系统，授时系统根据帧数据内容可获得该帧发出时的北斗系统时间，通过计算路径各阶段的传播时延，将计算得到的传播时延加到信号发出时间就能得到卫星信号到达时刻的北斗系统时间。同时根据第n帧到达的时间也可以推算出下一秒到达时间。

我们假设某个帧的扩频码的发射时刻为Ts，接收机接收到该码的时刻为Tu，地面中心站到电磁波在传输过程中由于电离层和对流层而造成的延时为A（  ）卫星到接收机的距离为d，由于其他原因造成的随机误差为（t），那么

其中，（t）主要为授时系统的硬件延时。

五、影响授时精度的分析

根据单向授时原理，影响北斗系统授时精度的因素主要有以下几方面：

1.星历误差

北斗系统星历从控制中心发射经卫星转发，星历数据是根据地面中心站对卫星进行跟踪而推算出卫星转发星历时自身的位置的。地面中心站每分钟播发1超帧的星历数据，由于地球非球形引力等摄动力对在轨卫星位置的影响，卫星的实际位置与星历所提供的位置有所偏差。因此准确地估计出连续时刻的卫星位置，是北斗系统精确授时的一个重要任务。

2.对流层和电离层误差

地球上层空间的对流层和电离层会改变电磁波的路径和速度，这直接影响了卫星信号到用户机的传播时延。对流层对电磁波的影响是由于电磁波在大气中的传播速度相对于真空中的速度小而引起时延，这主要取决于信号路径的折射率，即由大气密度决定；电离层对电磁波的影响是由于电磁波穿过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化，电离层对电磁波的影响取决于电离层中的电子密度和信号频率。在卫星星历给出了对流层和电离层时延模型的参数，由本地用户机计算获得对流层和电离层时延误差。

3.授时接收机晶振误差

接收机大多使用石英晶振频率源，其频率稳定度有限，普通晶振的准确度只能达到10-5，多源授时系统使用了温补石英晶振，频率稳定度也只达到10-7至10-9，本地接收机时钟误差是影响授时精度与稳定的重要因素。

六、结语

通过对北斗卫星导航系统的分析可以看出，北斗卫星导航系统日趋完善，功能愈发的强大，对国家而言，建立自己的卫星导航系统，避免在将来的战争中受制于人，具有极其重要的战略意义，也体现了我国不断强大的科技水平。对于社会经济而言，北斗星卫星导航系统每年能创造巨大的经济效益，一方面可以省去原来用来引进国外系统的巨额资金，另一方面，我们将自己的系统以低价服务国内用户，可以让更多行业部门应用上这种高科技设备，从而创造更多的社会价值和物质财富。我国的卫星技术必将突破重重技术难关，不断降低测量、数据传输等误差的影响，让北斗卫星导航系统更进一步。

【作者简介】朱恩营（1983.02-），男，满族，辽宁省沈阳市人，大学本科学历，民航东北地区空中交通管理局高级工程师，主要研究方向：通信导航监视。