新一代北斗时统终端分类及测试技术分析

孙海燕，孙文龙，杨玉婷，马 煦

（北京卫星导航中心，北京 100094）

1 研究背景

时统终端用于产生标准的时间信号、标准频率信号和实现局域时间同步。它可为各类电子信息设备和信息系统提供标准的时间和频率以及精密时间同步服务。它广泛应用于科学研究、工业检测、工程建设、计量测试、试验鉴定等领域[1-3]。传统的时统终端因为接收信号源受限，产生和输出的标准时间频率信号可能存在漂移和精度受限问题，影响了其应用范围和精度水平[4-5]。

新一代北斗时统终端是指通过接收北斗导航卫星信号生成和输出标准时间信号、标准频率信号和时间同步信号的设备。与传统的时统终端相比，其接入了更高精度的北斗卫星导航信号，可以全天候接收外部时间源且时间源信号精度更高，达到纳秒量级。因此，接收北斗卫星信号的时统终端输出标准时间、标准频率和时间同步信号精度比传统时统终端精度更高，并可实时接收北斗输入信号，将各类电子信息设备和信息系统时间锁定到北斗系统时间，实现实时时间同步，因此拓展了其应用范围和精度。传统时统终端借助北斗卫星导航技术实现了质的跃升。

对新一代北斗时统终端的测试是保证其精度水平和功能正常性的必须技术手段。由于新一代北斗时统终端有别于传统的时统终端，必须对其功能和性能指标进行深入分析和分类，为测试工作的开展提供技术条件。

本文在综合分析新一代北斗时统终端分类的基础上，对关键的性能技术指标进行提取，并提出测试方法。此外，通过实验验证的手段对时间保持性能指标测试方法进行探讨。该测试技术为研制测试系统并测试北斗时统终端提供了有力的技术支撑。

2 北斗时统终端概述

2.1 北斗时统终端定义

北斗时统终端应具备北斗标准时间接收、保持、输出和完好性判别功能。标准时间接收功能：能接收北斗单向授时、双向定时信号等包含标准时间信息的授时信号，并可扩展接收其他系统的授时信号。标准时间输出功能：能输出5MHz/10MHz和1PPS等标准时间频率信号以及时间码IRIG-B码。标准时间保持功能：经定时后建立标准时间，在不接收授时信号情况下，一定时期内连续地保持下去，使绝对同步偏差保持在一定的允许偏差限度之内。标准时间完好性判别功能：通过授时系统本身的完好性监测系统或不同授时系统之间授时信息的比对，对授时系统发播的授时信息进行完好性判别。通过这些功能要求和性能指标要求，使得北斗时统终端输出的标准时间频率信号达到连续性、稳定性、准确性、可靠性和实时性要求，保障标准时间、标准频率和高精度时间同步用户实际需求。

北斗时统终端与传统终端的区别：北斗时统终端具备接收北斗/GNSS卫星无线授时的标准时间信号而非本地外频标信号；部分北斗时统终端除具有常规的标准秒脉冲信号和频率信号输出能力外，还具备网络授时能力；北斗时统终端应具备较高的时间保持能力，在无法收到卫星信号等外界授时信号的情况下，能够进行独立时间保持，并输出准确的标准时间。因此，北斗时统终端在功能和性能指标上与传统终端有所不同，测试方法相应有所区别。主要区别在于要考察终端接收北斗授时信号能力、时间保持能力和网络授时能力等。此外，随着接收卫星授时信号的北斗时统终端广泛应用于车船、飞机等不同动态载体上，需要适应不同环境要求，包括高温、湿热、冲击振动、抗电磁干扰等情况。因此，在不同模拟环境下对北斗时统终端进行环境适应性测试也是亟需考虑的问题。

2.2 北斗时统终端分类

根据实际应用需要，接收北斗卫星导航信号的北斗时统终端分类如下：

（1）从终端型态分类。北斗时统终端分为箱式终端和嵌入式终端。箱式终端是独立仪器形式进行工作的终端，嵌入式终端是以板卡、模块等形式嵌入到整体系统中工作的终端。嵌入式终端设备可与宿主设备根据需要进行不同程度的耦合集成，因此嵌入式终端除遇到箱式终端可能遇到的情况外，还可能受到电磁环境干扰等情况。

（2）从终端应用分类。北斗时统终端分为固定型终端（室内外）、低动态型终端（车/船）和高动态终端（飞机）。固定型终端是在稳定环境下运行的终端，可能放置在室内恒温恒湿环境工作，也可能放置在室外温差较大的地方工作。低动态终端是在低速度条件下运行的终端，例如车载终端和船载终端，可能遇到常温、高温、高湿、盐雾等情况。高动态终端是在高速度条件下运行的终端，例如机载终端，可能遇到高热、高压等情况。

北斗时统终端在形态、结构和指标上存在显著差异，分别适用于不同的用户和场景。从测试评估角度而言，存在测试功能和性能指标的差异以及测试环境的差异。因此，需要根据不同终端在实际使用中的不同需求来论证测试指标以及环境适应性测试要求。

3 北斗时统终端测试指标分类

要考察北斗时统终端的综合性能，需要对其进行测试。对北斗时统终端的测试指标进行梳理分类，并构建测试指标体系既要考虑目前实际测试的终端设备需求，也要满足将来可能出现的终端设备需求。现将已测试过的各类北斗时统终端设备功能和性能指标进行梳理汇总，为测试指标体系构建提供参考依据。目前各类北斗时统终端具体名称不统一，其中一部份功能有相似之处，可以归为一类终端进行测试。因此，首先梳理汇总终端名称和主要功能如表1所示：

表1 已测北斗时统终端名称和主要功能

北斗时统终端测试指标按大类分为功能指标测试和性能指标测试两类。两者主要区别在于功能指标无量化指标参数，是定量描述；性能指标有量化的指标参数，是定性描述。测试项目必须包括主要的功能测试和性能测试指标。

综合来看，根据对各种时统终端设备的测试情况，北斗时统终端测试重要的功能项目有标准时间接收功能、标准时间保持功能、标准时间输出功能和标准时间完好性判别功能等。重要的性能指标测试项目有固定时间偏差、定时偏差、时间保持偏差、1PPS信号质量、相对频率偏差、频率稳定度、频率信号质量（5MHz和10MHz）、相位噪声、网络定时偏差等。

结合上述设备测试情况和体系构建原则，初步构建了北斗时统终端必须测试的功能和性能指标体系，包括必测项目和选测项目。与北斗时间接收、保持、输出等密切相关的项目属于必测项目，是重点测试内容。被测试设备的用户如有其它测试需求，在具备测试环境条件的情况下进行选择性测试，属于选测项目。

4 北斗时间相关指标测试

4.1 固定时间偏差测试

固定时间偏差是指被测设备从北斗卫星接收导航信号到输出标准时间的整条链路产生的系统性的、固定的时间偏差。相当于被测设备时间与标准时间同步的系统误差。其包括了导航信号接收链路、接收天线和设备时延等产生的时间偏差，而不仅仅是设备零值。对固定时间偏差的标定并置入设备，相当于被测设备输出时间与标准时间进行了时间同步[6]。

固定时间偏差可按照如下方法进行测量和计算：

图1 固定时间偏差测试连接框图

如图1连接，时间间隔计数器接入外频标，外频标信号由UTC（x）产生，并加到时间间隔计数器的外标输入端。被测设备的秒脉冲加到时间间隔计数器的启动输入端。标准时间信号源的秒脉冲加到时间间隔计数器的停止输入端。时间间隔计数器的两条输入线缆长度相等，产生的线缆时延相同并在计算时抵消。

计算机连接时间间隔计数器进行数据采集。数据采样间隔为1s，连续测量8，6400s。记录测试数据并计算结果。

记录时间间隔计数器每次测量得的时差值为Δti（i=1，2，…86400）。按照公式（1）计算ti的平均值，设为ΔT。ΔT的数值和符号分别表示了其与标准参考源之间的偏差量和关系。

根据前期测量，确定时间频率测试系统秒信号输出端口相对标准时间UTC（x）的时延值为t0。故固定时间偏差R可计算如下，见公式（2）：

4.2 定时偏差测试

定时偏差是指北斗时统终端（被测设备）输出的时间与标准时间的偏差除去固定时间偏差后，用合成不确定度方式表示的剩余时差。相当于被测设备时间与标准时间同步的随机误差。从接收导航卫星信号能力的角度来讲，定时偏差也通常称为授时精度。一般定时偏差是通过测量被测时统终端输出的1PPS信号来完成的。

按北斗卫星导航定位体制的不同，定时偏差测试要针对RNSS单向授时和RDSS双向授时的不同工作模式进行，其中RNSS单向授时还分为单星单向授时和多星单向授时两种工作模式。

RNSS单星单向授时模式：北斗时统终端只接收一颗北斗导航卫星信号，利用单星信号进行定时，在此情况下输出授时信号。测量单星授时模式下输出的授时信号与标准时间偏差可以表征在固定位置的任意时刻标准时统终端输出授时信号的精度。

RNSS多星单向授时模式：北斗时统终端接收多颗北斗导航卫星信号，利用多星信号进行定时，在此情况下输出授时信号。测量多星授时模式下输出的授时信号与标准时间偏差可以表征在位置移动时的任意时刻标准时统终端输出授时信号的精度。

RDSS双向授时模式：北斗时统终端接收北斗导航卫星信号，设置工作模式在双向授时模式，在此情况下输出授时信号。测量双向授时模式下输出的授时信号与标准时间偏差。由于北斗导航系统时间精度高于终端内频标，RDSS双向定时偏差高于RNSS单向定时偏差。RDSS双向授时为北斗导航系统特有技术，且精度优于GPS系统单向授时，因此为北斗特色优势之一。

虽然测试要考虑到终端工作的不同模式，需要分别在不同工作模式下分别进行定时偏差测试，但测试方法、流程和数据处理方式基本相同，在下文中一并论述。

按信号源不同，将测试方法分为两种：

方法1：直接接收卫星信号。

设备连接方法参考图1连接。时间间隔计数器的主振器采用外频标，外频标信号为UTC（x）产生的信号。被测设备的秒脉冲加到时间间隔计数器的启动输入端；标准时间信号源的秒脉冲加到时间间隔计数器的停止输入端。时间间隔计数器的两条输入线缆长度相等，产生的线缆时延相同并在计算时抵消。计算机连接时间间隔计数器进行数据采集。数据采样间隔为1s，连续测量86400s，获得时差数据。

北斗时统终端分别工作在RNSS单星单向授时、RNSS多星单向授时和RDSS双向授时模式下进行测试，得到不同工作模式下的终端定时偏差。

方法2：间接接收卫星信号（北斗导航信号模拟器）。

图2 时差法（间接接收卫星信号）测量图

在无法接收到北斗导航卫星信号情况下，采用间接接收卫星信号法进行测试。北斗导航信号模拟器溯源至标准时间装置，此时时间基准为北斗导航信号模拟器输出的1PPS信号。如图2连接，北斗导航信号模拟器分别设置在RNSS单星单向授时、RNSS多星单向授时和RDSS双向授时模式下输出导航信息，通过有线方式传输至北斗时统终端。采用时间间隔计数器测试箱式固定型终端输出的1PPS信号与北斗导航信号模拟器输出的1PPS信号的时间偏差。标准频率源为时间间隔计数器提供外频标参考信号。在此环境下，测试得到在RNSS单星单向授时、RNSS多星单向授时和RDSS双向授时模式下，箱式固定型终端的定时偏差。

定时偏差由两个分量共同组成—— 平均值和标准偏差，即对已经标定过固定时间偏差的时统终端进行时差测量，对获得的时差数据进行处理，计算得到平均值和时间标准偏差，再取二者的均方根值（RMS）即作为此时统终端的定时偏差。

计算平均值：“平均值”相当于JJF1403-2013《全球导航卫星系统（GNSS）接收机（时间测量型）校准规范》第7.2.12.1的“定时准确度”[7]，见公式（3）：

式中，n为测量次数，（i=1，Ln）；xi为第i次测量值；为测量均值。

计算时间标准偏差：“时间标准偏差”相当于JJF1403-2013《全球导航卫星系统（GNSS）接收机（时间测量型）校准规范》第7.2.12.2的“定时稳定度”[7]，见公式（4）：

式中，S为时间标准偏差。

计算定时偏差：

式中，σ为定时偏差。

4.3 时间保持偏差测试

时间保持偏差，又称“时间保持精度”。是指被测设备在正常接收北斗卫星导航信号状态下，突然无法收到或断开卫星授时信号后一段时间内自主保持标准时间的精度。应包括频率偏差和时间偏差。在此主要关注时间偏差，用时间偏差变化的最大值表示。时间保持偏差相当于用北斗卫星导航信号对被测设备进行频率驾驭（驯服）后的时钟速率[8]，即时间偏差在一天内的变化量。

自主时间保持工作模式是北斗导航时统终端最重要的工作模式之一。因为卫星导航信号均为弱信号，容易受到干扰和遮挡。在无外部信号时，标准时统终端必须增强自主授时能力，提高时间保持偏差。因此，时间保持偏差测试也是终端测试的最重要的一个项目，必须测试。

其测试原理是先对被测设备进行导航卫星信号授时，然后在无授时信号模式下，用时间间隔计数器采集在一段时间内被测设备输出时间信号与标准时间之间的时间偏差，再进行相应计算得到测试结果。测试设备连接如图3。

图3 时间保持偏差测试连接框图

工作模式为无导航信号接收模式下工作，设置方式如下：

为被测设备卫星导航天线设置电磁屏蔽罩，使天线接收不到北斗导航卫星信号；将被测设备的外接卫星导航天线与设备接头取下来，使设备工作在无外接天线状态，因此接收不到北斗卫星信号。

在此情况下进行时间保持偏差测试。测试步骤如下：分别将同步器和UTC（x）的1PPS秒信号输入接到SR620时间间隔计数器的两个测试通道A/B（同步器接B通道，UTC（x）接A通道）；将外频标接入计数器后端；串口线与测试笔记本连接；将SR620时间间隔计数器设置为DC模式、触发电平均为0.7V，采样间隔为1s；断开所有在线参考，在设备进入保持模式1天后，利用时间间隔计数器采集测试两个通道信号上升沿的时间间隔值，利用计算机的采集软件采集24小时数据。

采集一天（86400s）的测试数据，则：时间保持偏差=最大值-最小值（1天中）。

4.4 网络定时偏差测试

NTP和PTP网络授时是基于网络来使计算机时间同步化的协议，可以提供高精度的时间校准。NTP网络时间保持LAN上可达到与时间源差小于1ms。测试内容为NTP网络定时偏差，即被测时统设备输出NTP信号与标准时间信号的时间偏差。

采用多模时间测试仪对被测设备输出的频率信号进行网络定时偏差指标测试。标准时间信号源为多模时间测试仪提供参考频率信号，如图4所示：

图4 网络定时偏差测试框图

测试步骤如下：在网络链接通畅的情况下进行测试；将被测设备产生的PTP/NTP授时信号接入多模时间测量仪的测试接口，与标准时间产生的1PPS秒脉冲信号进行时间比对；测试仪取样间隔1s，取样时间100s，计算每组时差算数平均值得到时差数据

计算每组的时差数据计算公式同（3）：

其中，n为测量次数，n=100。

计算时差测量结果，见公式（6）：

计算被测设备的网络定时偏差：

设标准时间源输出端口时间为T0，被测设备网络授时端口输出时间为T1。标准时间源到多模时间测试仪之间线缆时延为r0，被测设备到多模时间测试仪之间线缆时延为r1，则计算见公式（7）：

计算得到网络定时偏差，见公式（8）：

式中，线缆时延r0和r1可以单独测量得到，为已知数。如果两条线缆等长，r0=r1，则网络网络定时偏差T1见公式（9）：

5 时间保持偏差测试评估验证

时间保持偏差是指被测设备在没有时间参考信号输入的情况下自主保持标准时间的精度。其测试方法是使用时间间隔计数器采集在一段时间内被测设备输出时间信号与标准时间之间的时间偏差，再进行相应计算得到测试结果。

北斗卫星导航授时易于受到信号干扰，因此在实际应用中，北斗授时终端在接收不到卫星授时信号条件下采用自主时间保持模式工作。常规测试评估方法是利用授时信号同步本地频标一段时间后，关掉外部天线接收信号，让终端工作在自主运行状态测试终端输出信号与标准信号的时差。该方法测试结果准确，但测量时间较长。因此需要对北斗时统终端时间保持偏差测试方法的选择参数进行优化研究，讨论得到合适的测试参数，缩短测试周期，提高测试工作效率。

本文以某型北斗时钟作为测试对象，分两种情形研究时间保持偏差的测试参数：

第一种：授时时间相同情况下，自主时间保持偏差变化。

情形1：授时1天自主保持60天，分析自主保持1天、8天、15天、20天情况下设备时间保持偏差。

以某型北斗时钟作为测试对象，在授时1天后，分别采集了若干天时间的自主保持时差数据，图5给出1天、8天、15天、22天、50天、60天设备自主保持的时差曲线：

图5 时间保持偏差时差测量曲线1

分别计算得到设备时间保持偏差如表2所示：

表2 时间保持偏差表

讨论：经过1天授时，在设备自主保持1天、8天、15天、22天时其时间保持偏差大约在同一个量级。因此，在测试时间有限的情况下，可以用1天的时间保持能力去评估时统终端设备1月以内的时间保持能力，在0.1s以下量级。但在较长天数之后，比如50天和60天之后时间保持偏差不在同一个量级。因此，对于此类时统终端不能用时间自主保持1天的时间保持偏差结果评价约30天（1个月）以后的时间保持能力。

对于此类北斗时钟可以判断内频标精度较低，不具备高精度时间保持能力，不适合用于对时间保持能力要求较高的应用场合。

第二种：卫星授时时间不同，对自主时间保持偏差的影响。

情形2：分别让指挥所时钟授时1天、2天、3天、8天后，自主时间保持1天，测试时钟时间保持偏差。如图6所示：

图6 时间保持偏差时差测量曲线2

分别计算得到设备时间保持偏差如表3：

表3 时间保持偏差表

讨论：该型北斗时钟授时时间的长短对于时间保持偏差的影响很小。在以后对此类终端时间保持偏差进行测试时，可采用较短的授时时间（达到开机稳定状态）后，即可开始时间保持偏差的时差数据采集。

对于此类北斗时钟可以判断内部采用晶振做为内频标，时间保持能力低，且未进行频率驯服控制。如果采用铷频标作为内部频标，且做了卫星授时信号对铷频标的频率驯服控制，可能卫星授时时间越长，设备时间保持偏差越高。

6 结束语

本文针对接收北斗卫星信号的新一代北斗时统终端的定义、分类、测试指标等进行深入分析，提出功能和性能测试指标体系。在此基础上，重点分析了与北斗时间相关的指标测试方法，并对时间保持偏差测试方法进行实验评估验证。北斗时统终端的测试指标和测试方法分析论证为构建测试系统并进行测试提供了技术支撑。随着北斗系统全球化建设及新一代北斗时统终端在电力、通信、交通、金融等行业的广泛应用，对北斗时统终端的测试技术能力和应用范围必将快速发展和提升。