卫星导航接收机时频校准技术研究

彭正梁，胡浩

（湖南省计量检测研究院，湖南 长沙 410014）

由于卫星导航接收机在实际运行期间经常会出现时间频率偏差，这需要在此基础上合理应用卫星导航接收机时频校准技术，这有助于提升技术处理效率。考虑到时频生成与保持系统往往会对可用的时频信号产生根本性影响，这一特点在我国自主建设的北斗卫星导航系统中表现得尤为明显。此外，时频生成与保持技术弥补了北斗导航系统在星载原子钟方面与国外相关导航系统上存在的不足，并在此基础上改善了铷原子钟的各项性能指标，从而在最大限度上降低了原子钟性能不足给整个导航系统带来的影响。下文是对卫星导航接收机时频校准技术的具体分析。

1 校准方法简介

1.1 直接影响方法

时间频率会直接影响卫星导航接收机的传输参数。通常来说，卫星导航接收机时间频率传输参数，这一参数体系主要包含卫星导航接收机相位中心实际稳定性的校准参数、卫星导航接收机内部噪声指标的校准参数、卫星导航接收机内部延迟的校准参数等。以卫星导航接收机天线的相位中心实际稳定性的校准方法为例，卫星导航接收机天线是关键的用户导航组件，卫星导航接收机通常需要天线以便获得卫星信号中的信息，这意味着卫星导航接收机的天线受到直接影响的数据。此外，由于卫星导航接收机中的相位中心的稳定性通常会影响卫星导航接收机的实际时间频率，并且在一定程度上直接影响卫星导航接收机的时频传输参数。因此，技术人员必须选择与接收器相关的天线并将其用作标准零件，然后，通过现场测量标准天线之间的超短基线参数值来获得要校准的天线情况，这种检测方法可以提高校准天线相位中心的稳定性。

1.2 间接影响方法

间接影响方法主要是指以间接形式影响卫星导航接收机的时频传输参数的方法。间接影响卫星导航接收机时频传输参数的技术主要包括校准初始冷启动定位时间、校准第一热启动定位时间、校准恢复时间、校准检测灵敏度、校准精度和定位偏差。例如，当接收器和年历星历处于未知时间条件下，从启动接收机电源到发出第一个有效定位点的时间，就被视为第一次冷启动时间，在这一过程中，技术人员应当打开接收机并清除接收机中的先验数据，然后，关闭模拟器。此外，技术人员通过操作执行仿真就可以在模拟器的仿真操作期间，给接收器加电并开始计时，从而查询出接收器是否可以定位，确定从开机到接收机输出的第一个有效定位点的时间间隔，然后，确定校准批次是否符合相关标准。在这一过程中，如果时间间隔符合相关标准，则技术人员可以在此过程中停止模拟场景并关闭接收机。

1.3 频率校准方法

卫星原子频率标准的输出信号需要经过计时系统调制后才能发送给用户。技术人员在校准频率时，通常使用频率调制设备和相位调制设备从而提高频率稳定性。在这一过程中，技术人员进行频率漂移校是因为较小的频率漂移校正值不会引起频率跳跃，从而可以避免降低该卫星导航性能。此外，技术人员除了需要减少跳频之外，还应该满足国家对卫星导航和定位应用的需求，进而在卫星的用户容量、服务区域、动态性能、定位精度和使用方面获得重大技术突破。

1.4 技术现存问题

关于导航卫星时频信号的产生和维护上，现今国内外仍然存在标准上的差距。这反映在国内外对于卫星导航接收机的空间环境适应性、长期指标可靠性和性能稳定保证性上都存在不同看法。根据对国外导航时频技术现状的长期分析和研究，可以发现，国外在这一领域的技术积累悠久、技术发展过程中也有许多成功与失败案例，因此，技术经验丰富。而国内有关这一领域的研究长期受到资金需求大、缺乏专用软件、发展起步较晚、设备性能不足、技术不够完善等方面问题的困扰，因此，技术人员为了确保卫星导航接收机使用的可靠性，有必要在不同环境条件下对其时频校准技术进行多方面的实验与研究。

2 系统框架分析

2.1 系统核心

卫星导航接收机的时频校准技术主要是在系统平台上实现这一技术的有效应用。考虑到系统平台的核心多为能够控制主机的信号模拟器，因此，技术人员为了进一步验证卫星导航接收机时频校准技术的实际应用可行性，需要采用高精度的Novate10EMV-1 和Novate10EMV-3 定时卫星导航接收机，并将其作为进行校准的接收机，然后，采取特定工程解决方案。例如，技术人员可以使用控制主机和信号模拟器的校准系统软件，将其组成卫星导航接收机的时频校准系统。此外，考虑到校准系统软件主要需要信号模拟器和TCP/IP 协议来实现通信功能，因此，技术人员需要控制信号模拟器的内部仿真系统软件以进行适当仿真，通过校准接收器和串行端口协议之间的通信来完成校准过程。

2.2 信号模拟器

信号模拟器可以提供各种准确或重复的模拟信号。卫星时频信号生成和维护系统主要包括一个频率源和一个频率切换部件、一个频率相位部件和CPU 类的控制处理子系统。这一系统通过保持与卫星和地面的信息交换，并支持生成信号的补偿处理，促使维护系统连接到其他卫星用户，从而为北斗系统的数据信号生成单元提供准确的时基信号，并提升L 波段载频频率源时频信号的准确性和稳定性。

2.3 数据处理部分

数据处理部分通常由两部分组成，分别是一个星载原子钟和一个频率合成部分。星载原子钟的一部分包括时间发生器和相位异常检测单元，技术人员通过设置原子钟产生时间输出相位，并使卫星时间与地面参考保持时间同步，而相位异常检测单元可以维持、检查1pps信号的输出稳定性。与之相对的，数据处理部分接收上行指令并完成频率校准和相位同步，同时，监视原子钟的工作状态并收集漂移率的历史数据，在此基础上构造原子钟漂移模型，以自主地修改原子钟的频率精度，从而有效减少原子钟的频率误差。

2.4 性能补偿部分

卫星时钟的功率补偿处理部分多利用卫星时钟漂移、温度频率、星地比较、工作时间等数据，采用不同算法来计算并调整卫星信号，然后，以时频方式生成频率新号并增强空间时钟的性能，而时频信号的产生利用主时钟和备用时钟的平缓切换，实现时频信号的产生和维持。此外，技术人员可以在深入研究的基础上，通过对两个信号之间的相位关系进行深入分析，确保有效、稳定的连续时频信号。

3 系统硬件及关键技术

3.1 系统硬件

考虑到系统硬件是模拟器进行软件安装与安装的操作平台，因此，系统硬件中的信号模拟器主要由国家计量研究所的时频实验室提供，主要包括一个软件主机控制器、一个信号组合器、一个GLONASS 信号模拟器和一个GPSLI+L2 信号模拟器。在这一过程中GLONASS 信号模拟器和GPSLI+L2 信号模拟器的基本功能是将GLONASS 与GPS 信号合并，然后，在组合器的信号输出处形成双系统和双频卫星仿真信号，从而为技术人员提供现实而全面的时频校准环境，上文提到的系统硬件具有较高设备水平，因此，具有良好泛用性。

3.2 关键系统

在卫星导航接收机时频校准技术的实际开发和应用中，硬件之间的通信需要通信接口协议，任何信号模拟器和校准系统软件也都需要通信接口协议的支持，因此，不难看出，通信接口协议Die Zeit-频率校准技术对于卫星导航接收器非常重要。由于卫星导航接收机的时频校准技术是空间定位科学技术的典型技术，并且卫星导航接收机的时频校准技术正在不断优化和更新，因此该关键技术常用于获取空间信息数据与各种服务。另外，卫星导航接收器的当前时频校准格式为NMEA-0183，其系统格式是最终定位格式的一部分，且二进制定位格式有效地转换为标准标准定位格式，因此，具有良好的使用价值。

3.3 应用要点

卫星导航接收机的时频校准技术的一般构造原理影响了实际应用时的要点。技术人员根据对标定接收机、接收机标定系统和信号模拟器之间的数据信息，以及传输系统的数据进行进行分析，就可以获得整个系统技术框架的详细设计模式。技术人员在进行分析后就可以发现，校准系统所需的所有信息基本上都包含要校准的接收机和信号模拟器的所有数据信息，并且信号模拟器的数据信息主要包括发送用于控制模拟器的相关命令和返回数据信息。与此同时，传输请求主要包括接收机内部时频校准系统与信号模拟器之间的通信命令数据信息的传输。另外，相互校准程序还可以有效地提高信号模拟器系统的软件运行效率，并有效地调节信号功率强度，从而为接收机校准提供最佳的外部校准条件，在提高了校准效率的同时，节省了工作人员的劳动强度。

另外，考虑到模拟器是校准源的一部分，并可以提供适当的标准信息数据，因此，在某种程度上可以认为，模拟器必须提供适当的信息和数据以校准各种参数，例如，高度和速度限制测量、精度和错误检测、灵敏度跟踪检测等。在这一过程中，技术人员要校准的接收器的信息数据管理包括，从接收器发送控制命令、收集接收器返回的信息数据、处理解码和存储数据，在上述环节的基础上，才能够形成最后的数据信息文件。与此同时，考虑到接收器通过校准系统的串行接口与校准系统通信，并发送关联的数据信息命令，因此，技术人员在收集接收方返回的信息数据时，必须首先对数据信息进行解码，然后确定接收方的具体情况和位置，才能够获取纬度和经度等地理位置信息，这有助于精确计算各种参数与信息，从而获得更加准确的校准文件。

4 结语

综上所述，本文主要介绍了卫星导航接收机时频校准技术的实用操作方法、系统框架、系统硬件和关键技术。为了更好地利用卫星导航接收机的时频校准技术，技术人员需要充分利用其技术提高校准效率和准确性，同时，继续研究和探索该领域的前沿新技术以更好地实现这一目标，只有这样，才能够为卫星导航接收机时频校准技术发展带来更多技术上的助力。