一种双向测距与时间同步系统的设计与分析

总第３７卷第１期　２０１４年１月　￣９－Ｊｕ－！频率学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉｍｅ　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｖ０１．３７　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．，２０１４　一种双向测距与时间同步系统的设计与分析　（１．中国科学院国家授时中心，西安７１０６００；　２．中国科学院时间频率基准重点实验室，西安７１０６００；　３．中国科学院大学，北京１０００４９）　马红皎　，吴华兵　一，李梦　一，王康　一，武建锋　，何在民　，胡永辉　摘要：在研究双向单程伪距测量原理的基础上，设计了双向测距与时间同步（ＤＲＴＳ）终端系统　总体构架，阐述了在系统中使用的技术，并搭建了基于ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的双向测距与时间同步系统　软硬件平台。实验结果表明，此系统的码速率为５　ＭＨｚ、中心频率为１　５　ＭＨｚ时，测距和时间同　步的分辨率可达０．１　５　ｃｍ和５　ｐｓ（＠１　Ｓ），采用不同频率源时测距和时间同步的精度分别为　１．０３８　ｍ和３．４６　ｎｓ，采用相同频率源时分别为０．２８　ｃｍ和９．４　３　ｐｓ（参考频率稳定度１×１　０－１　ｏ／ｄ　量级）。与国外同类产品相比具有测量精度优势，但考虑通用性，此系统的硬件仍需进一步优　化，软件上需要做到码速率可调。　关　键　词：精密测距；时间同步；双向单程伪距测量；双向测距与时间同步（ＤＲＴＳ）　中图分类号：ＴＮ９６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４－０６３７（２０１４）０１－００１　８—０７　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｄｕａｌ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ＭＡ　Ｈｏｎｇ－ｊｉａｏ　，ｗｕ　Ｈｕａ．ｂｉｎｇ　，。　，ＬＩ　Ｍｅｎｇ　，　，ｗＡＮＧ　Ｋａｎｇ　，２＇３，ｗｕ　Ｊｉａｎ．ｆｅｎｇ　，一，　ＨＥ　Ｚａｉ—ｍｉｎ　．ＨＵ　Ｙｏｎｇ．Ｈｕｉ　Ｉ，　（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｃｅｍｅｒ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ’ａｎ　７１０６００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｉｍｅ　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｐｒｉｍａｒｙ　Ｓｔａｎｄａｒｄ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｃｅｎｔｅｒ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ’ａｎ　７　１　０６００，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＣｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｒｆａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ＤＲＴＳ（ｄｕａｌ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＤＯＷＲ（ｄｕａｌ　ｏｎｅ—ｗａｙ　ｒａｎｇｉｎｇ）．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ａｎｄ　ａ　ｈａｒｄｗａｒｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ＤＲＴＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｒｅ　０．１　５　ｃｍ　ａｎｄ　５　ｐｓ（ｆｏｒ　ｌ　Ｓ　ｔｉｍｅ　ｉｎｔｅｒｖａ１）　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＤＲＴＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｄｅ　ｒａｔｅ　ｉｓ　５　ＭＨｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｌ　５　ＭＨｚ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｒｅ　１．０３　８　ｍ　ａｎｄ　３．４６　ｎｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｈｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　收稿日期：２ｏ１３—０３—２１　基金项目：中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（Ｏ９０５ＹＲ２６０１）　作者简介：马红皎，男，博士，副研究员，主要从事时间频率传递、卫星导航研究。　第１期　马红皎等：一种双向测距与时间同步系统的设计与分析　１９　ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｒｆｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｒｅ　０．２８　ｃｍ　ａｎｄ　９．４３　ｐｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　１０　”ｉｓ　ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ　ＤＲＴＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｉｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＲＴＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｉｌｌ　ｎｅｅｄｓ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＲＴＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｃｏｄｅ　ｒａｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｃｉｓｅ　ｒａｎｇｉｎｇ；ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｄｕａｌ　ｏｎｅ—ｗａｙ　ｒａｎｇｉｎｇ；ＤＲＴＳ（ｄｕａｌ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）　０　引言　随着航天航空试验、导航、通信、电力等科学技术的发展，越来越多的工程和科学领域需要精密时　间同步。比如：世界各时间实验室需要纳秒或亚纳秒量级的高精度时间同步；卫星发射、测控，试验靶　场的原子钟需要标校；导航卫星之间、卫星与地面站、地面站之间需要高精度时间同步；另外，自主编　队航天器（ＡＦＦ）、组网飞行器等，也需精密基线测量和时问同步。基于双向精密测距的时间同步终端，　在国内尚无成熟商业产品，国内用户目前主要依靠进口。　本文在介绍双向单程伪距测量原理的基础上，设计了一种双向测距与时间同步（ｄｕａｌ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｖｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＤＲＴＳ）系统。分析了此ＤＲＴＳ系统构成框架、系统中使用的关键技术、发射与跟踪信　号质量的判别，最后给出系统的测试结果和配套计算机软件的功能模块及本软件中所使用的新技术与新　方法。　Ｉ双向单程伪距测量原理　卜　双向单程伪距测量（ｄｕａｌ　ｏｎｅ—ｗａｙ　ｒａｎｇｉｎｇ，ＤＯＷＲ）是在两终端各自安装发射机和接收机，通过伪　码和载波相位测量，各自得到相对伪距，通过双向测量消除钟差，实现两终端间精密测距和时间同步。　ＤＯＷＲ的时序原理如图１所示。　Ａ发送　Ｂ发送　一△ｆ　～　—　ＩＡ接收　—ｔ２　１一…一　　Ⅲｒ　Ｉ　１　－Ｉ山　～Ｉ　ｒＥ～　ｒ　ｌ一　－ｒ　～　Ｂ接收　一　ｔｌ—ｌ—　一　一ｌ１一　ｆ一　图１　ＤＯＷＲ的时序原理　由图１可知：　Ｔ１＝ｔ２＋　＋ｒｌ＋Ａｔ．　时间频率学报　总３７卷　＝　＋　＋　一△　。　（２）　式（１）和（２）中，两终端之间的钟差为△ｆ，终端Ａ测量到的本地伪距为　，终端Ｂ测得的本地伪距　为　，终端Ａ的发射设备时延为　，终端Ａ的接收设备时延为　，终端Ｂ的发射设备时延为　，终端Ｂ　的接收设备时延为　，两终端天线间的电磁波传播时延为　。由式（１）和（２）可得到终端Ａ，Ｂ之间　的钟差　和真实距离Ｄ分别为　１　△ｆ＝妄・［（　一　）一（ｔ２一ｆ　）－（ｒｌ一　）］　１　（３）　（４）　和设　ｌ２＝　＋　，　ｌ＝ｔ２＋　，贝４　Ｄ＝－　・［（　十　）一（　－４－　２）一（　＋　）］・ｃ。　Ａｔ＝去・［（　～　）＋（ｆ　－－ｔ２１）］，　上　（５）　（６）　１　Ｄ＝圭・［（　－４－　）一（ｆ１２＋ｆ：　）】・ｃ。　二　在测量中，　和　可以分别从终端Ａ，Ｂ的码跟踪环中提取，并嵌入到传输帧数据区内，通过数据　交换链路向对方发送。由于单向传播时延　和　可以通过设备的标校得到，通过ＤＯＷＲ即可得到时间　比对测量值和准确的距离。　２　ＤＲＴＳ系统构成框架　本文设计的ＤＲＴＳ系统由接收通道、发送通道、频率基准、中频信号处理机、显控计算机、电源配　电器６大部分构成，如图２所示。该系统主要包括铷钟、多普勒模拟单元，基准源放大及分路器、频率　综合器、噪声源、Ａ／Ｄ采样、综合基带处理单元，ＢＰＳＫ调制器及设备监控单元和计算机等主要组成　单元。　信号处理单元　接收信号ｉ　ｒ—　——————十—叫ＢＰＦ卜．－１．　　ＡＧＣ卜—●　ｒ】　］ｌ　Ｉ　茬　Ｈ　薹Ｈ　测　误　量　码　值　显　显　一　一　刁　刀　显控　计算机　匦塑　匦　匝因　回　亟］－ｊ　二　图２　Ｉ）ＲＴＳ单套设备总体功能框图　３　ＤＲＴＳ系统中使用的技术　ＤＲＴＳ系统的单程伪距测量与ＧＮＳＳ伪距测量方法相同：终端Ａ的码跟踪环在锁定后输出帧同步计　第１期　马红皎等：一种双向测距与时间同步系统的设计与分析　标日稳定度在１×１０。。、准确度在１×１０　时，该终端机能够达到的测距精度和时间同步精度分别为小于　等于１．０３８　ｍ和３．４６　ｎｓ（ｓｔｄ），满足原来的设计要求，可以用于自主编队飞行器等星间组网伴飞等的精　密基线测量和时间同步测量。如果：在同源时相等量级的铷标情况下，测试精度均值为０．２７９　ｅｍ／９＿３　ｐｓ　（ｓｔｄ），这个值表征了此环境下，设备的测量最佳极值。系统的测距和时间同步的分辨率可达０．１５　ｅｍ　和５　ｐｓ（＠１　ｓ），比国外同类产品　优越ｌ倍。详细比较见表１。由于与国外同类产品所使用的参考频率　源的稳定度与准确度量级均低，测距与时间同步的精度没有直接可比性，但从数据结果进行分析，如果　使用相同量级的频率参考源时，本系统仍具有优势。　３３９．１０　ｊ粤　３３９．０８　皿噩Ｉ】　兽　＿＿＿　一　一　ｌ１．．Ｉ—　Ｉ—Ｉｊ－　ｌ　ＩＩ　・　ｌ　ＩＩｉｌｌＩ｜　＿蚕３３９＿０６　３３９．０４　ｒｒ丌Ｔ　一ＪＪ—　Ｔｌ　】Ｊ川　川Ｊ…ＩＪＪｌ　ｌｌ—　皿啷　嚣　３３９．Ｏ２　５　１Ｏ　１５　２０　２５　３０　３５　４０　采样个数／（Ｘ　１０　）　图１０　６０　ｍ同源　采样个数／（Ｘ　１０　）　图１１　６０　ｍ不同源　表１本系统ＤＲＴＳ与德国ＳＡＴＲＥ　ＭＯＤＥＭ的比较　４．４计算机配套软件　计算机配套软件功能模块包括：　１）串行通信口的选择、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等参数的控制；　２）数值的显示和图形界面的显示：包括两站之间各自的伪距测量值、两站间的钟差、两站间的　真距；　３）数据的分析和处理模块：包括数据采集、结果显示和结果储存。　本软件中使用的新技术与新方法包括：　１）根据分辨率自动调整软件界面文字和控键的大小和位置；