北斗高精度时间同步技术方案

徐 荣，赵金峰，田 湘，戴卫恒，李永强，吕 晶

北斗高精度时间同步技术方案

徐 荣1，赵金峰2，田 湘1，戴卫恒1，李永强1，吕 晶1

（1. 陆军工程大学 通信工程学院，南京 210007；2. 61905部队，沈阳 110000）

为了进一步提高北斗卫星导航系统（BDS）时间同步设备的授时和守时精度，提出一种高精度时间同步技术方案：由于秒脉冲驯服时钟方案存在输出秒脉冲短稳差，驯服周期长等缺点，可以利用微型铷钟频率稳定度高的优点，基于载波测量时钟变化率来进行时间同步；既能解决输出秒脉冲短期抖动大的问题，又可以快速驯服并保持守时长期精度。实验结果表明，长期授时精度可达到10 ns，可以满足第五代移动通信技术（5G）通信的最高时间同步需求。

微型铷钟；时间同步；北斗卫星导航系统（BDS）授时；守时

0 引言

随着北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）授时设备的广泛应用，通信、电力、金融、交通等行业的高效运转对时频信息的依赖性越来越强。以移动通信为例，第五代移动通信技术（the fifth generation of mobile communicationtechnology, 5G）的基本业务时间同步需求为±1.5 µs，5G基站的带内非连续载波聚合和带间载波聚合的同步要求是±130 ns，带内连续载波聚合的同步要求是±65 ns，其中联合多天线发送和接收信号的技术（multiple input multiple output，MIMO）发送要求时间同步精度为±32.5 ns[1]。另外由于BDS卫星民用信号到达地面最大功率在-120 dBm左右[2]，在实际的使用环境中，容易受到电磁干扰影响，使得本地时间系统有时无法锁定卫星信号，导致发生较大的时间偏差，会直接影响移动通信系统的稳定性。这些行业痛点对BDS时间同步设备的授时和守时精度提出了更高要求。

微型铷原子钟（以下简称微型铷钟）的出现可以很好地解决上述问题。微型铷钟具有频率稳准度高、功耗低、体积小等优点[3]，并且价格适中，可广泛应用到上述行业。本文主要研究利用微型铷钟频率稳准度优势提高BDS授时与守时精度。

1 卫星授时与守时基本原理

目前卫星授时大多采用静态授时方式，可以分成位置未知和位置已知2种工作模式。

1）未知位置时的授时原理。此时，在位置未知工作模式下，接收机将通过接收4颗以上BDS卫星的信号，完成接收机空间三维位置及钟差值的计算；当只能接收3颗卫星时，接收机将退化至二维工作模式，解算输出经纬度和钟差值。BDS授时接收机跟踪这些卫星信号，并解扩解调信号，以测得用户机到这些卫星的伪距并获得这些卫星的导航电文。根据从导航电文中析出的电离层模型参数、卫星钟差改正参数等对伪距进行伪距修正。根据电文中析出的星历参数和卫星信号发送时刻，计算出卫星发送信号时的位置。由用户机至这些颗BDS卫星的修正后的伪距以及卫星位置，可列出方程组为

2）位置已知时的授时原理。如果BDS授时接收机长时间固定位置进行授时，可将对输出的用户位置进行较长时间的平滑，减轻测量噪声以及多径误差给位置解算带来的影响，并将平滑后的接收机位置作为已知位置，并将工作模式转为位置已知的授时工作方式。BDS授时接收机根据已知的精确位置信息，在捕获到的卫星中，选择仰角较高的卫星作为授时卫星。用户机跟踪该卫星信号，并解扩解调该信号，以测得用户机到该卫星的伪距并获得该卫星的导航电文。根据从导航电文中析出的电离层模型参数、卫星钟差改正参数等对伪距进行伪距修正。根据电文中析出的星历参数和卫星信号发送时刻，计算出卫星发出信号时的位置及至用户机的距离。由修正后的伪距和卫星至用户机的距离，就可得出BDS授时接收机钟差，修正本地时间，即可使本地时间与BDS系统时间同步。

3）守时原理。守时是卫星授时设备在失去卫星信号时利用本地时钟继续输出时间信号。不过任何时钟在工作时，频率都会容易向某一方向漂移，因此在锁定卫星信号时要进行时钟建模驯服本地时钟，从而在守时期间对时钟频率漂移进行修正，获得更稳准的输出。

时钟模型的建立包括了时钟模型描述以及参数优化计算2个部分。如果在某一时间段内，BDS授时接收机工作正常，接收机时钟的频率漂移也已稳定，那么可以用这段时间内的时钟偏差变化来建立二项式时钟偏差模型。对于参数的优化计算可以采用最小二乘法、Kalman滤波法等多种手段，这些手段可以有效克服测量噪声以及干扰时测量野值的影响，获得可靠的模型参数估计值[4]。钟差特性的描述为[5-7]。

2 基于微型铷钟的BDS授时与守时技术方案

目前市面上的授时设备大都是采用BDS授时商用模块的秒脉冲（one pulse per second, 1PPS）来驯服铷钟[8]。如图1所示，该方案的时间和频率输出以商用模块输出的1PPS信号为基准参考，但由于商用模块一般用温度补偿晶体振荡器（temperature compensate xtal oscillator, TCXO）作为本地时钟，温补晶振利用补偿电压发生器，通过产生随温度变化的频率与补偿电压相补偿，改善晶振性能，可在更宽的温度范围内获得更高的稳定度，但短期稳定度可能受影响[9]。因其1PPS每秒有十几ns的抖动，一般需要几个小时才能完成时钟驯服，限制了校频和时间同步精度的提高，所以无法满足更高的授时与守时精度要求。

图1 传统BDS时间同步技术方案

本文的设计方案如图2所示，通过自主研发BDS授时接收机接收BDS卫星导航信号，以微型铷钟为本地时钟参考，实现卫星信号观测与铷钟钟差的紧耦合解算，提升了授时与守时精度。

图2 基于微型铷钟的BDS时间同步技术方案

微型铷钟采用美国微芯科技公司的SA.35m（如图3所示）。该款原子钟是小型商业化的微型原子钟，频率稳准度好，有利于长期守时的准确性；另外工作功耗低，正常工作状态下小于5 W。

图3 微芯科技公司的SA.35 m

常见的BDS授时接收机一般采用码相位观测值进行解算，获得解算时刻的本地钟与系统时的钟差，然后在本地时加上钟差值累积等于整秒时输出秒脉冲。由于每秒输出一个脉冲，因此每秒仅需完成一次解算，然后在下一个秒脉冲时调整输出。这种方法实时简单，计算量也较小，但精度不高。由于解算算法只能获得观测时刻的本地钟和系统钟的差值，而观测时刻与秒脉冲输出时刻存在一定的时间差，在这个时间差内由于本地钟的频差会引入新的钟差，而这个钟差没有体现在解算算法中，因此仅依据解算钟差进行时间调整的方法不够精确。普通授时接收机常用TCXO，频率稳定度在1×10-7左右，也就是说1 s时间会滑动100 ns左右；当观测时刻与解算时刻相差0.5 s以上时，时钟滑动带来的误差就会达到50 ns，从而严重限制了授时精度的提升。

为此，本文提出了观测结合预测的钟差计算和调整方式，可以较好地解决这个问题。BDS授时接收机的钟差通过码伪距观测值来计算，钟差变化率通过基于载波相位观测的伪多普勒值计算。伪多普勒值的观测精度可以达到0.1 Hz[10]，结合BDS系统的时间几何精度因子（time dilution of precision, TDOP）值分布，可以获得的钟差变化率计算精度能达到2×10-10s/s，即每秒滑动0.2 ns。当观测时刻与秒脉冲输出时刻相差0.5 s时，由于时钟滑动带来的钟差变化的补偿精度可以达到0.1 ns，大大提高了授时精度。同时为了精确估算测量时刻与脉冲调整时刻之间的时间差，必须将本地时间调整至与BDS系统时同步，这样观测时间和系统时采用同样一个时间刻度，可以精确估计出2个时刻之间的时间差，结合计算出来的钟差变化率就可以推算出观测和调整时刻间的时钟滑动情况。结合上述原理分析，提出并实现了基于闭环方式的1PPS调整，如图4所示。

图4 1PPS产生与调整过程图

1PPS与测量基本时间帧（fundamental time frame, FTF）同步，FTF以间隔时间对各信号跟踪码环进行采样观测，分别通过基于伪距和伪距变化率的最小二乘法解算出钟差及其变化率。由于本地时间与系统时间同步，因此基于观测时刻可以准确计算出观测时刻距调整时刻的时间差，然后与钟差变化率相乘获得修正量。并通过状态转移方程预测下一个FTF时刻的时间调整量d。

根据这一预测，对FTF脉冲溢出时刻进行调整，通过一系列的调整过程，FTF将与BDS时间对齐，由于本机时间以FTF作为计时基础，于是实现了本地时间与系统时间的同步，同时实现1PPS信号的准确输出。

在进行1PPS调整的同时进行微型铷钟驯服，但微型铷钟冷启动时，前几十分钟频率漂移特别快，不适合做为长期驯服的初始参数。具体流程如图5所示：开机后首先判定BDS卫星信号是否锁定，锁定则进行PVT解算，在解算有效后测量微型铷钟的频差，并进行时钟建模训练；BDS卫星信号未锁定时判断时钟模型参数是否完成训练，未有效则本地时钟在守时时自由振荡；有效则预测频差漂移，在守时期间利用预测频差调整时间输出，提升守时精度。

图5 微型铷钟驯服守时流程

3 实验与结果分析

为验证方案的可行性，利用经过计量校准的时频综合测试仪和时间间隔计数器，在室温静态条件下分别进行采用微型铷钟作为参考的BDS时间同步设备时间同步精度测试（如图6所示）。

图6 时间同步精度测试系统

经过14 d左右的授时精度测试，结果如图7(a)所示，其授时标准差10.4 ns，峰峰值50.83 ns；然后将时频综合测试仪输出1PPS设偏900 ns，拔掉BDS授时设备的天线转入守时，经过23 h左右守时，结果如图7(b)所示，时间间隔计数器测量授时偏差280 ns。

图7 测试结果

4 结束语

时间同步系统是现代科技社会正常运行的基石，因此时间同步技术至关重要。本文介绍秒脉冲驯服时钟的不足之处，提出利用微型铷钟稳定度高的优点，直接作为本地接收机时钟，进行钟差变化率直接测量，再结合观测钟差进行1PPS相位调整，并进行时钟建模。实验结果表明长期授时精度能够满足5G通信等领域高精度时间同步需求。

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Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technology

XU Rong1, ZHAO Jinfeng2, TIAN Xiang1, DAI Weiheng1, LI Yongqiang1, LYU Jing1

（1.Institute of Communication Engineering, Army Engineering University, Nanjing 210007, China;2. Troops 61905, Shenyang 110000, China）

BeiDou navigation satellite system (BDS) timing service has been widely used in power grid, mobile communication and other industries due to its global coverage, all-weather, and high-precision advantages. However, with the emergence of new technologies such as the fifth-generation (5G) communications, higher precision timing and punctuality requirements are put forward for time synchronization equipment. For the one pulse per second pulse discipling clock scheme, the output second pulse stability is poor, and the discipling cycle is long, a time synchronization technical scheme based on the carrier wave to measure the clock change rate is proposed by using the micro rubidium clock with the advantages of high frequency stability. which not only solves the problem of output the problem of short-term jitter of the second pulse, but also can be quickly disciplined, and long-term accuracy of timekeeping can be maintained. The experimental results show that the long-term timing accuracy reaches 10 ns, which can meet the highest time synchronization requirements of 5G communication.

miniature rubidium atomic clock; time synchronization; BeiDou navigation satellite system (BDS) timing; timekeeping

P228

A

2095-4999(2023)01-0154-05

徐荣，赵金峰，田湘，等. 北斗高精度时间同步技术方案[J]. 导航定位学报, 2023, 11(1): 154-158.（XU Rong, ZHAO Jinfeng, TIAN Xiang, et al. Scheme of BeiDou high-precision time synchronization technology[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(1): 154-158.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230123.

2022-05-16

徐荣（1980—），男，江苏兴化市人，本科学历，副教授，研究方向为卫星导航授时与导航对抗。