基于卫星导航的时间位置标定仪器研究

刘依楠 左申正

摘  要：气象雷达各个分系统工作运行需要一个精准的时间戳标定，以便软件后台处理数据，并且雷达系统每次运行时都要对天线反射体进行方位、仰角的标定。本文结合实际的应用场景，在传统NTP网络时间服务器的功能基础上增加了位置信息的测量，设计了一种可以同时对方位、仰角、时间进行标定的仪器，该标定仪器可以提高气象雷达观测数据的实时性和可靠性。

关键词：卫星导航;仰角;时间信息;雷达

中图分类号：TN967.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0081-03

Abstract：Radar run each subsystem work requires a precise time stamp for calibration，In order to software processing data;and radar system run will be calibration the azimuth and angle of the antenna reflector. In this paper，on the basis of the function of the traditional NTP network time server to increase the measurement location information，combined with the actual application scenario design a calibration of the instrument for the azimuth，angle，time. The calibration instrument can improve the real-time performance and reliability of weather radar data.

Keywords：satellite navigation;elevation;time information;radar

0  引  言

氣象雷达系统分布的各个分系统、探测设备在获取观测资料时，系统的时间信息不准确可能导致观测资料不可用，以及从观测资料中获取的预报产品不可信。依赖数据服务器、网关以及其它网络设备的背后存在一个基本的信任：网络里的计算机都有准确的时间。

气象雷达工作时都需要标定天线方位仰角，目前依靠传统的太阳法，这种方法受太阳本身在天空中位置的影响，测量时间不自由、局限性大、精度也得不到精确的保证;另外，测量出的位置信息的时间戳和雷达系统可能存在偏差，导致数据的可靠性降低。

本文以此为出发点，为气象雷达系统设计提供一个准确的时间基准，使各个分布式的采集观测站有统一的时间标准，提高观测资料的时间戳的可靠性，为每个探测设备提供一个第三方时间基准源，这样就可以保证整个观测网中的设备观测时间统一，并且通过卫星定位获取对应时间的高精度位置信息。

1  工作原理

目前标定系统时间戳的通用方法基本采用NTP网络时间服务器，市面上的NTP网络时间服务器基本都是采用单测量站的方式接收GPS系统中各个卫星的原子钟频（也可以根据不同的要求选择其他卫星授时系统，例如北斗、GLONASS、伽利略作为时间的基准源），设备由高精度卫星接收机、高可靠性工业级信号处理主板、高亮度LED显示屏和工业机箱等部件组成，采用高效的嵌入式Linux操作系统。

由于本文的设计背景是应用于气象雷达系统，在对各分系统进行时间标定的同时，还需要为雷达系统提供相应时次的可靠方位仰角位置信息，故本文在传统NTP网络时间服务器的基础上进行升级，采用双测量站（主站、从站）和两个高精度大地测量型天线，主站的位置信息作为基准，标定从站的位置信息，进行RTK处理，最终将高可靠性的位置信息传输到信号处理主板，并且由从站获取卫星系统的原子钟频，向信号处理主板发送高精度的UTC时间。

2  系统设计

本文设计的系统主要由高精度大地测量天线、高精度测量站和信号处理主板构成，系统构成框图如图1所示。

2.1  高精度大地测量天线

测量天线是本系统处理卫星信号的首个器件，它将接收到的卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，以供测量站摄取与处理。因为系统赖以定位的信息基本全部来自于天线接收到的卫星信号，所以接收天线的性能直接影响整个系统的定位性能，它对系统整体所起的作用和贡献绝对不容忽视。

测量天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换成便于处理的电信号。具有优良指标的天线在提高整机的接收灵敏度、减小地形、地貌以及环境因素对设备的影响等方面有非常重要的作用。在天线单元的选择中，除保证宽波束、高增益和宽轴比带宽外，天线单元在整个波束带宽内还应该提供均匀的幅度响应和均匀的相位响应。

外置测量天线选择的是集GPS L1&L2，BDS B1&B2 &B3和GLONASS G1&G2三星七频测量天线，可广泛应用于大地测量、桥梁施工、海洋测量、水下地形测量等工作场景。该天线采用多馈点设计，保证天线相位中心和几何中心的重合，提高测量精度。内置低噪声放大模块，采用前置及多级滤波器滤除干扰信号，保证在恶劣电磁环境下正常工作。具有高增益、低噪声、体积小巧、重量轻等优点。

2.2  高精度测量站

由于本文设计的应用背景是为气象雷达系统提供方位仰角位置信息和时间基准，所以需要采用两个高精度测量站，一个主站，一个从站，主站的位置信息作为基准标定从站的位置信息，二者进行RTK处理，最终得到具有高可靠性、高稳定性的位置信息数据，并且通过测量从站获取高精度的UTC时间。本设计选择的测量站的时间精度为20nS、测量位置精度水平方向2cm、垂直方向5cm。

测量站由射频器（RF）、信号通道（基带）、数据处理器（CPU）组成。其任务是对天线馈送来的微弱信号进行放大、滤波、下变频，最终输出較低的中频信号并经过ADC转换成数字中频，通过信号通道完成信号捕获、跟踪、解扩、解调及伪距测量、载波相位测量，最终送到CPU对观测数据进行处理，结算出定位结果、时间信息和物体运动速度等。

射频前端处理模块通过天线接收所有可见卫星的信号，经前置滤波器和前置放大器的滤波放大后，再与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频（IF）信号，最后经模数（A/D）转换器将中频信号转变成离散时间的数字中频信号。

基带数字信号处理模块通过处理射频前端输出的数字中频信号，复制出与接收机的卫星信号相一致的本地载波和本地伪距信号，从而实现对信号的捕获与跟踪，并且从中获得伪距和载波相位等测量值，解调出导航电文。

在基带数字信号处理模块处理完数字中频信号后，各个通道分别输出其所跟踪的卫星信号的伪距、多普勒频移和载波相位等测量值以及信号上解调出来的导航电文，而这些卫星测量值和导航电文中的星历参数等信息再经过后续的定位导航运算功能模块的处理，接收机最终获得定位结果，或者再输出各种导航信息。

测量站的三大功能模块如图2所示。

2.3  信号处理主板

信号处理主板采用Linux2.6内核，内建Web服务器和FTP服务器，用于接收、浏览和显示跟踪到的导航卫星，图形化的人机交互界面用于请求产品、显示分析和运行参数设置，接收实时观测量，解算数据，转换成指定的数据格式，并定时打包数据上传到指定的FTP服务器。这一部分是整个系统的实时数据处理部分，采用的技术方案是使用嵌入式技术来实现数据接收、解析、打包上传等。最终通过RJ45网络接口为雷达系统授时和标定方位仰角。

3  系统测试

选择公司风廓线雷达配合系统测试，架设好天线，并确保模块供电正常之后，软件每秒钟从模块获取经纬度、方向和时间信息，同时每两秒广播此信息给风廓线工作软件。我们通过分析记录在文件中的这些信息，对系统进行评估。

方向测试说明：风廓线雷达波束指向精度为0.5°，所以这里的期望值比其指向精度高一个数量级。结果如表1所示。

经度测试说明：沿赤道，1°经度差对应的距离在所有纬度中最大。0.0001°的误差表征11.13米左右的距离误差（赤道周长取40075704米）。

此误差小于移动风廓线雷达盲区覆盖半径（28米）。结果如表2所示。

纬度测试说明：0.0001°的纬度误差表征11.11米左右的距离误差（子午线周长取40008548米）。

此误差小于移动风廓线雷达盲区覆盖半径（28米）。结果如表3所示。

定向信息获取速度（从模块上电开始计时），如表4所示。

原始测试数据格式：

由于篇幅原因，截取部分测试数据，如图3所示。

4  结  论

在气象雷达系统的应用背景下，本文在传统NTP网络时间服务器的基础上增加了测量方位仰角的功能，并已应用于公司的相关雷达产品中，目前获取的观测数据相对稳定、可靠，实现了气象雷达系统整个观测网中的设备观测时间统一，并且通过卫星定位获取对应时间的高精度位置信息。

参考文献：

[1] 丁金才.GPS气象学及应用 [M].北京：气象出版社，2009.

[2] 赵科佳，张爱敏，宁大愚.基于NTP协议的网络时间服务系统的实现 [J].电子测试，2008（7）：13-16.

作者简介：刘依楠（1987.06-），男，汉族，北京人，中级工程师，硕士研究生，研究方向：电路与系统方向。