GNSS定时标准制定中相关问题探讨及说明

张向波，胡永辉，王如龙，武建锋，何在民，赵当丽

(1.中国科学院 国家授时中心/时间频率基准重点实验室，西安　710600；

GNSS定时标准制定中相关问题探讨及说明

张向波1，胡永辉1，王如龙2，武建锋1，何在民1，赵当丽1

(1.中国科学院 国家授时中心/时间频率基准重点实验室，西安710600；

2.中国卫星导航工程中心，北京100094)

摘要：规范GNSS定时单元的性能要求及测试方法，对指导国内GNSS定时单元的研制、生产、检测和应用，推动BDS导航产业的发展具有重要意义。针对编制BDS专项标准《全球卫星导航系统定时单元性能要求及测试方法》(征求意见稿)，介绍了编制的目的、原则、标准主要内容及确定依据，并就定时模式、定时精度及定时精度的测试方法等问题进行探讨并说明，指出BDS专项标准《全球卫星导航系统定时单元性能要求及测试方法》(征求意见稿)的编制充分参考了国内外有关定时型设备的相关标准，力求与国内外标准既保持一致又有所创新，为BDS的国际化应用打下基础。

关键词：BDS；定时单元；定时精度；定时模式；测试方法

0引言

时间作为基本物理量，已成为现代信息社会的基本要素。随着全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)的快速发展，卫星导航、定位和授时在各国军事和经济发展中的作用越来越重要。要实现卫星授时，用户需要GNSS定时校频接收机(终端设备)接收卫星信号，来实现本地时间信号和标准时间信号的同步(定时)和校准本地频率信号和标准频率信号的偏差(校频)[1]。目前，在涉及国民经济命脉的国防、通信、电力、交通、计算机和金融网络等领域，大量使用美国全球定位系统(global positioning system，GPS)定时产品，已发布的国家标准、国家军用标准和行业标准也主要为GPS的导航、定时设备标准，涉及北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)[2]的标准很少。过分地依赖美国GPS，对我国国民经济发展和国防建设造成了极大的潜在威胁。BDS是我国自主建设运行的卫星导航系统，已于2012年正式提供服务，所以制定BDS在导航定位和定时方面的国家标准或专项标准，使BDS授时应用市场化和产业化，对于增强BDS技术在国际、国内市场的竞争力具有重要作用。

为了规范GNSS定时单元性能要求及测试方法，指导国内GNSS定时单元的研制、生产、检测和应用，为GNSS定时单元产品的性能测试提供依据，推动BDS导航产业的发展，由全国北斗卫星导航标准化技术委员会根据“中国第二代卫星导航系统重大专项应用推广与产业化项目”(以下简称“专项”)下的BDS应用标准化的工作安排，提出制定《全球卫星导航系统(GNSS)定时单元性能要求及测试方法》，由全国北斗卫星导航标准化技术委员会归口。本文介绍了编制北斗专项标准《全球卫星导航系统(GNSS)定时单元性能要求及测试方法》(征求意见稿)的目的、原则、主要内容及确定依据，对经过多次讨论、修改确定后的定时模式、定时精度及定时精度的测试方法等问题进行说明，指出《全球卫星导航系统(GNSS)定时单元性能要求及测试方法》(征求意见稿)的编制充分参考了国、内外相关标准，力求与国内外标准既保持一致又有所创新，为BDS的国际化应用打下基础。

1标准制定的原则、主要内容及确定依据

1.1编制原则

标准按照文献[3]给出的规则编制，在编制过程中充分调研了现行国际和国内定时型接收设备[4]的相关标准，并结合目前市场上关于授时、定时型设备[5]的研制技术指标，确定了GNSS定时单元的术语、组成、功能、性能指标和测试方法等内容。对目前授时、定时领域中广泛使用的“GNSS定时”、“定时精度”、“定时模式”“首次定时时间”等术语进行了定义与规范，同时在相应性能指标的测试方法上力求与最新的国际和国家标准保持一致又有所创新，使内容既有一定先进性，又技术成熟，具有规范性。同时，力求使本标准中的功能、性能指标和测试方法能够满足研制方、生产方、使用方及其他相关方的要求，制定出能为各方接受和采用的标准。

1.2标准主要内容和确定依据

标准主要规定了GNSS定时单元组成、功能要求、性能指标、输入输出接口、环境适应性以及各性能指标的测试方法等内容，适用于GNSS定时单元的研制、生产、检测和应用。

首先标准中规定了GNSS定时单元由GNSS接收天线和GNSS定时处理单元组成。GNSS定时单元通过天线接收GNSS公开服务信号，其中BDS为必选信号，进行捕获、跟踪、解扩、解调与解算处理，实现定时功能，根据默认设置或交互指令输出标准时间信号、时码信息、数据信息、状态信息，清晰描述了定时单元的数据处理过程、输出数据信息和信号等。其次规定定时单元应包括的定时模式、参数设置、时间系统选择、天线开路、短路保护和数据输出等功能，给出了接收灵敏度、首次定位时间、首次定时时间、重捕获时间、定位精度、定时精度以及频率准确度和频率稳定度[6-7]等性能指标。最后在测试方法部分规定测试所需的测试设备、测试环境、测试信号以及针对各功能和性能指标具体采用的测试方法，其中捕获灵敏度、跟踪灵敏度、首次定位时间、失锁重捕时间、定位精度的测试方法与本批其他专项标准中的测试方法协调一致；同时以定时精度、定时抖动、频率准确度和频率稳定度的测试方法作为规范，为其他标准提供参考。

1.3主要性能指标

1)接收灵敏度。

捕获灵敏度应优于-130 dBm，失锁重捕灵敏度应优于-135 dBm，跟踪灵敏度应优于-140 dBm。

2)首次定位时间。

冷启动时应不超过60 s，热启动时应不超过5 s。

3)定位精度。

在位置精度衰减因子(position dilution of precision，PDOP)≤6时，水平定位精度优于10 m (95%置信度)，垂直定位精度优于15 m (95%置信度)。

标准制定中，起初针对接收灵敏度这一指标的确定出现了不同意见，指出所确定的灵敏度指标较陈旧，远差于现行的GNSS信号接收机，和最新技术不吻合。但是考虑到标准为BDS民用标准，目的是为规范GNSS定时单元的性能要求及测试方法，指导国内定时单元的研制、生产、检测和应用，推动BDS产业发展，所以接收灵敏度等性能指标既不能太高又不能太低，要考虑各方需求。以上性能指标及其测试方法都是在科研、生产单位讨论并经过评审后确定的，与其他同批标准进行了协调一致，使本批标准的制定更统一并具规范性。

2关于GNSS定时单元的问题说明

对于GNSS定时单元来说，定时模式、首次定时时间和定时精度这几个性能指标及其测试方法有其独特性，不同于导航单元中常见的性能指标，其他标准凡是涉及到定时的，可参照本标准中的规定，以协调一致；同时“定时”的性能指标又是和“导航”的性能指标相对应，所以在此对以上3个性能指标及其测试方法加以说明。

2.1定时模式

GNSS定时单元应具备“位置保持”和“自主定位”2种定时模式。

卫星单向授时时，“位置保持模式”即指通过设置GNSS接收机天线的精确坐标使用户位置已知，这时接收机只需要接收1颗导航卫星信号就可获得定时信息；“自主定位模式”即指用户位置未知，接收机需要接收至少4颗导航卫星信号才能自主解算获得定位和定时信息。

要获取定时信息，首先需要定位，然后通过伪距测量得到时延后才能获取定时信息；所以这里要强调的是没有“自主定时模式”这种说法。

对于位置保持模式这一功能的测试，可采用实际卫星信号测试：设置被测定时单元接收天线的精确坐标，然后查看定时单元是否能正确输出定时信息；对于自主定位模式这一功能的测试，也可用实际卫星信号进行测试。被测定时单元接收不少于4颗导航卫星信号，自主定位后查看定时单元是否能正确输出定位和定时信息。

2.2首次定时时间

首次定时时间分为热启动首次定时时间和冷启动首次定时时间。冷启动首次定时时间定义为在输入卫星导航信号功率电平为-130 dBm时，定时单元在概略位置、概略时间、星历和历书未知的状态下开机，到首次能够在其后10 s连续输出3维定位误差小于300 ns的定位数据，所需时间应不超过100 s；热启动首次定时时间定义为在输入卫星导航信号功率电平为-130 dBm时，定时单元在概略位置、概略时间、星历和历书已知的状态下开机，到首次能够在其后10 s连续输出3维定位误差小于300 ns的定位数据，所需时间应不超过15 s。

首先要说明的是首次定时时间与首次定位时间是2个概念：对于导航定位，关心的是首次定位时间；但是对于定时，必须先利用伪距进行定位，关心的是首次定时时间。对于首次定时时间的规定是采用将定位误差归算到定时所对应的误差，例如“3维定位误差100 m”对应定时为“3维定位误差300 ns”。然后根据大多数生产厂商给出的冷启动首次定位时间和热启动首次定位时间，确定冷启动首次定时时间(100 s)和热启动首次定时时间(15 s)；但是较首次定位时间的限值(冷启120 s，热启30 s)更为严格。

其次对于首次定时时间的测试，我们规定用模拟器进行测试。对于冷启动首次定时时间，使被测定时单元获得冷启动状态，然后以1 Hz的位置更新率连续记录输出的定位数据，找出首次连续10次输出3维定位误差不超过300 ns的定位数据的时刻，计算从开机到上述10个输出时刻中第1个时刻的时间间隔，应符合要求；对于热启动首次定时时间，在被测定时单元正常定位状态下，短时断电60 s后，被测定时单元重新开机，以1 Hz的位置更新率连续记录输出的定位数据，找出首次连续10次输出3维定位误差不超过300 ns的定位数据的时刻，计算从开机到上述10个输出时刻中第1个时刻的时间间隔，应符合要求。

2.3定时精度

定时单元具备时间系统选择功能，即可以选择设置提供协调世界时(universal time coordinated，UTC)输出的功能，即国际UTC；或系统时间[8]输出功能，即GNSS建立和保持的时间，如GPS系统时间(GPS time，GPST)、北斗时(BDS time，BDT)等。而各全球卫星导航系统时间又通过UTC(k)与国际UTC建立联系，各国保持的地方协调世界时UTC(k)和国际UTC之间存在偏差，所以定时单元的定时精度就应分为“相对于UTC定时精度”和“相对于系统时间定时精度”。标准确定定时精度指标时，在征求各科研和生产厂家意见的同时，考虑到BDT和UTC的偏差在100 ns以内，所规定的具体指标如下：

1)相对于UTC定时精度:

①位置保持模式≤150 ns；

②自主定位模式≤250 ns。

2)相对于系统时间定时精度:

①位置保持模式≤50 ns；

②自主定位模式≤100 ns。

对于“定时精度”的测试，分为相对于UTC定时精度和相对于系统时间的定时精度。具体测试分为直接获取UTC信号的测试、间接获取UTC信号的测试和比较法测试3种方法。

2.3.1相对于UTC定时精度

1)可直接获取UTC信号的测试。

当测试现场可直接获取UTC信号时，测试采用时刻比对分析法，设备连接如图1所示，该方法主要以均值和标准偏差为测量依据。

①测试步骤：

a)按图1所示连接设备；

b)按要求预热被测定时单元；

c)按要求设置被测定时单元的工作模式，输入其内部时延，对工作在位置保持模式下的定时单元，还应输入其天线坐标，天线坐标的误差不大于0.1 m；

d)测量标准时间频率源输出的秒脉冲与被测定时单元输出的秒脉冲之间的时差Δi， 每1 s测量一次，连续测量24 h，记录测量值。

图1　可直接获取UTC信号的测试设备连接图

②数据处理：

a) 按公式(1)计算平均值

(1)

b)按公式(2)计算标准偏差

(2)

式中SΔ为定时标准偏差，单位为ns。

c)按式(3)计算定时总偏差

(3)

2)间接获取UTC信号的测试。

当测试现场不能直接获取UTC信号时，由于没有可用的UTC信号和标准时间频率信号，所以需要建立与UTC或国家标准时间的溯源链路，通过溯源和比对[9-10]确定本地标准时间频率源与UTC或国家标准时间的钟差信息和频差信息，然后按照图2所示连接设备进行测试。溯源系统最好采用已经标校过的溯源系统，并在数据处理中考虑溯源系统不确定度的影响。测试方法与可直接获取UTC信号的测试方法相同。

图2　间接获取UTC信号的3测试设备连接图

3)比较法测试。

当测试现场通过直接或间接都无法获取UTC信号时，可采用比较法。比较法测试的条件是需要1台经过测试标定过的定时接收机，其测试设备连接如图3所示。

①测试步骤：

a)按图3所示连接设备；

b)按要求预热被测定时单元；

c)测量已经标定过的定时单元的1 个秒脉冲信号与被测定时单元的1 个秒脉冲信号之间的时差Δi， 每1 s测量一次，连续测量24 h，记录测量值。

图3　比较法测试设备连接图

②数据处理：

a) 按式(4)计算平均值

(4)

式中：Δts为标准时间频率源时间与UTC时间的偏差，单位为ns；τ4为被标定定时单元1个秒脉冲输出电缆时延，单位为ns。

b)按公式(5)计算标准偏差

(5)

c) 按公式(3)计算定时总偏差Bγ。

2.3.2相对于系统时间定时精度

相对于系统时间定时精度的测试与相对于UTC定时精度的测试类似，也分为直接获取系统时间信号的测试、间接获取系统时间信号的测试和比较法测试3种方法。

1)可直接获取系统时间信号的测试。

当测试现场可直接获取系统时间时，其测试方法、测试步骤和数据处理与相对于UTC定时精度的测试方法、测试步骤和数据处理相同，测试设备连接如图4所示。

图4　可直接获取系统时间信号的测试设备连接图

①测试步骤：

a)按图4所示连接设备；

b)按要求预热被测定时单元；

c)按要求设置被测定时单元的工作模式，输入其内部时延，对工作在位置保持模式下的定时单元，还应输入其天线坐标，天线坐标的误差不大于0.1 m；

d)测量标准时间频率源输出的秒脉冲与被测定时单元输出的秒脉冲之间的时差Δi。 每1s测量一次，连续测量24 h，记录测量值。

②数据处理：

a)按类似式(1)计算平均值；

b)按类似式(2)计算标准偏差；

c)按类似式(3)计算定时总偏差Bγ。

2)间接获取系统时间信号的测试。

在不能直接获取系统时间信号的情况下，由于没有可用的系统时间信号和标准频率信号，所以需要建立与系统时间的溯源链路，通过溯源和比对确定本地标准时间频率源与系统时间的钟差信息和频差信息；然后按照图5所示连接设备进行测试，测试方法与可直接获取系统时间信号的测试方法相同。

溯源系统最好采用已经标校过的溯源系统，并在数据处理中考虑溯源系统不确定度的影响。

图5　间接获取系统时间信号的测试设备连接图

3)比较法测试。

通过直接或间接都无法获取系统时间信号的情况下，可采用比较法。比较法测试的条件是需要1台经过测试标定过的定时接收机，其测试设备连接图如图3所示；测试步骤和数据处理与相对于UTC的定时精度采用的比较法测试步骤和数据处理相同。

2.4频率稳定度和频率准确度

频率稳定度描述频率源输出频率的随机起伏程度。时域表征量为在某一时间间隔(采样时间)内平均频率的双取样方差(阿伦方差)平方根值[11]。频率稳定度有短期稳定度和长期稳定度之分，1 s稳定度应优于5×10-9，10 s稳定度应优于1×10-9，100 s稳定度应优于5×10-10，10 000 s稳定度应优于5×10-12，1 d稳定度应优于1×10-12。测量频率稳定度的方法有直接测频法、变频测频法、频差倍增测频法、比相法、比时法等，这里我们选用最常用的方法，即直接测频法和比相法。采样时间1 s、10 s、100 s和10 000 s的频率稳定度的测试采用直接测频法和比相法，1 d的频率稳定度的测试采用比相法。

频率准确度描述的是频率源实际输出的频率值与其标称频率值的相对变化量，即相对偏差。频率准确度在取样时间为24 h时，应优于1×10-9。测量频率准确度的方法有直接测频法、变频测频法、频差倍增测频法、比相法或校频仪相位记录法、比时法以及校频仪测周法等，这里我们还是选用最常用的方法。测量中的采样时间应该等于或大于10 s，这里我们考虑到准确性，采样时间设为24 h。计算得到的频率准确度等于或高于日频率漂移率或日频率波动时，测量结果按比日频率漂移或日频率波动低1个数量级的数值给出，反之按计算结果给出；同时，频率准确度需要校准时，应根据被测频率源日频率漂移率和频率漂移方向进行，将被测频率源相对于参考频率源的频率偏差，调到与其频率漂移率相反方向并调低一个数量级。

3结束语

本文主要介绍了北斗专项标准《全球卫星导航系统(GNSS)定时单元性能要求及测试方法》(征求意见稿)制定中的主要内容及确定依据，对定时精度等相关问题从指标的确定和测试方法等方面进行了探讨和说明，较全面地考虑了定时单元功能和性能指标测试的独特性，提出了具有针对性的测试方法，对GNSS定时单元的研制、生产、检测和应用具有参考作用。

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Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS

ZHANG Xiangbo1，HU Yonghui1，WANG Rulong2，WU Jianfeng1，HE Zaimin1，ZHAO Dangli1

(1.National Time Service Center，Chinese Academy of Science/Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，Chinese Academy of Science，Xi’an 710600，China；2.China Satellite Navigation Engineering Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Standardization of performance requirements and test methods of GNSS timing unit is not important for only very guiding domestic development，production，testing and application of timing unit，but also for promoting the development of BDS satellite navigation industry.As for working out of BDS special standard "Performance requirements and test methods for GNSS timing unit"，this paper mainly introduced the aim，principle and the main contents of the standard，and determining the basis for the main content was also included.Additionally，timing mode，timing accuracy and test methods were discussed as well.It pointed out that this specification had fully referenced to the relevant standard of timing equipment at home and abroad，and strived to be consistent with both domestic and international standards with innovation，laying the foundation for an international application.

Keywords：BDS specialization；timing unit；timing accuracy；timing mode；test methods

收稿日期：2015-09-15

基金项目：装备技术基础科研项目(ZKGSZ20151JL04)。

第一作者简介：张向波(1985—)，男，陕西西安人，硕士，助理研究员，研究方向为远程高精度时间频率传递技术。

中图分类号：P228

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0015-06

引文格式：张向波，胡永辉，王如龙，等.GNSS定时标准制定中相关问题探讨及说明[J].导航定位学报，2016，4(2)：15-20.(ZHANG Xiangbo，HU Yonghui，WANG Rulong，et al.Discussion and related terms explanation for working out of timing standard of GNSS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：15-20.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160204.