CDMA基站基于北斗/GPS

雙模授時的原理與應(yīng)用

主要內(nèi)容一、前言二、北斗系統(tǒng)概況三、北斗授時定時根本原理四、CDMA基站定時方案五、試驗原理一、前言1、國內(nèi)衛(wèi)星授時應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題衛(wèi)星授時系統(tǒng)設(shè)備具有高精度、低本錢、覆蓋范圍廣的特點，已廣泛應(yīng)用于通信、電力、交通、宇航、播送電視、計算機網(wǎng)絡(luò)及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。時間頻率應(yīng)用和定位(測量)應(yīng)用、導(dǎo)航應(yīng)用共同構(gòu)成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的三大應(yīng)用方向，具有廣闊的市場前景應(yīng)用領(lǐng)域目前，國內(nèi)各應(yīng)用領(lǐng)域的衛(wèi)星授時產(chǎn)品均以單GPS產(chǎn)品為主，僅有少量的國產(chǎn)GPS/GLONASS雙系統(tǒng)產(chǎn)品、GPS/GLONASS/北斗三系統(tǒng)產(chǎn)品和單北斗產(chǎn)品應(yīng)用產(chǎn)品現(xiàn)狀

1、國內(nèi)衛(wèi)星授時應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題

北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用前，通信、電力、交通等根底行業(yè)的授時系統(tǒng)由于沒有得到自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支撐，被迫形成了對美國GPS、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完全依賴，導(dǎo)致其存在潛在的巨大平安隱患，甚至嚴(yán)重影響國家信息平安

主要問題二：國家支持力度不夠，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化乏力主要問題一：對國外導(dǎo)航系統(tǒng)依賴性太強，存在嚴(yán)重的平安隱患2、利用北斗一號授時的必要性

使用自主的北斗一號進(jìn)行授時可擺脫對美國GPS、俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的過分依賴，有效消除各根底行業(yè)由于其授時系統(tǒng)所帶來的巨大平安隱患，保障國家利益、國家信息平安維護(hù)國家信息平安

推動北斗授時民用產(chǎn)業(yè)化，可促進(jìn)我國衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的開展，并可獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)自有根底產(chǎn)業(yè)的開展二、北斗系統(tǒng)概況〔一〕第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——北斗一號1、系統(tǒng)組成空間局部：由3顆靜止軌道衛(wèi)星(2顆工作、1顆備份)組成定點位置：東經(jīng)80度、110度、140度地面應(yīng)用系統(tǒng)：地面控制中心、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機2、根本性能根本功能：有源導(dǎo)航定位，雙向簡短報文通信、授時定時定位精度：平面位置20米～100米高程10米定時精度：單向100ns，雙向20ns通信能力：一次可傳輸120個漢字北斗1號導(dǎo)航定位衛(wèi)星外形圖北斗1號系統(tǒng)覆蓋區(qū)域3、系統(tǒng)現(xiàn)狀2002年1月1日開始試運行，標(biāo)志著我國在衛(wèi)星定位領(lǐng)域新的突破2002年12月完成第三顆備份衛(wèi)星的發(fā)射，保障系統(tǒng)全天候不間斷運行。至此，北斗一號系統(tǒng)正式投入運行系統(tǒng)可為陸?？沼脩籼峁┒ㄎ?、定時和雙向簡短數(shù)字報文通信效勞，極大地改善了我國長期缺乏自主有效的高精度實時定位定時等手段的局面，可廣泛應(yīng)用于我軍指揮作戰(zhàn)和國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域應(yīng)用終端已形成體系豐富的用戶機產(chǎn)品加固指揮型用戶機嵌入式用戶機便攜式用戶機手持型用戶機標(biāo)準(zhǔn)1U機箱指揮機用戶機OEM板4、應(yīng)用北斗系統(tǒng)的突出優(yōu)勢溫總理對本工程的批示〔二〕第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——北斗二號1、系統(tǒng)組成空間局部：多顆軌道衛(wèi)星地面運控系統(tǒng)：1個地面運行控制中心假設(shè)干個上行注入站假設(shè)干基準(zhǔn)站和監(jiān)測站應(yīng)用系統(tǒng)：各類用戶機假設(shè)干應(yīng)用增強系統(tǒng)

具有連續(xù)無源實時三維定位、測速能力具有雙向簡短報文通信〔位置報告〕功能具有高精度授時功能具有一定的抗干擾、保密及防欺騙能力2、主要功能和性能要求〔1〕主要功能〔2〕主要性能效勞范圍：較之北斗一號有顯著擴(kuò)展定位精度：與GPS相當(dāng)授時精度：保存單、雙向定時功能，且精度上比北斗一號有進(jìn)一步提高短電文通信：滿足導(dǎo)航定位信息交換要求用戶設(shè)備：體積小、重量輕、功耗低，滿足手持和其它各種載體需要

二代導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)建成后，可根本滿足我軍民用戶對無源導(dǎo)航定位的需求，與近期我軍武器裝備的開展水平也相匹配，同時，也與我國國民經(jīng)濟(jì)開展對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的需求相適應(yīng)。而且，系統(tǒng)很好地繼承了一代的功能，用戶利益得到了有效的保護(hù)三、北斗授時定時根本原理授時定時根本原理單向定時根本原理〔100ns檔〕

單向定時的根本方法是：假設(shè)用戶位于衛(wèi)星1的下行波束覆蓋區(qū)，用戶接收中心控制系統(tǒng)播發(fā)的時間幀詢問信號，同時以本地鐘秒信號1脈沖/s作開門脈沖，以詢問信號相關(guān)峰作關(guān)門脈沖，測得Δ1：

地面中心1脈沖/sn幀1脈沖/s1脈沖/s1脈沖/s用戶ΔεnΔt

τΔ1單向定時原理那么由下式即可求得用戶鐘與中心控制系統(tǒng)時鐘的鐘差Δε：

Δε=Δ1-τ-nΔt

式中：nΔt為幀號對應(yīng)的時間，nΔt=n×31.25(ms)，τ為信號的正向傳播時延：

τ=t設(shè)備單+tR01+tRU1

其中t設(shè)備單值存儲在用戶機中，其中tR01為地面中心至北斗衛(wèi)星的傳輸時延，可在北斗衛(wèi)星下行信號中提取，tRU1為北斗衛(wèi)星至用戶終端的傳輸時延，需要在用戶端計算獲得，因此衛(wèi)星星歷誤差、電離層對流層修正誤差、以及用戶位置誤差成為制約單向定時精度的主要誤差源。因衛(wèi)星星歷和傳播修正模型由系統(tǒng)即時提供，精度較高，因此用戶的位置誤差成為單向定時最主要的誤差源。當(dāng)位置誤差小于50米時，單向定時精度可優(yōu)于100ns。雙向定時根本原理〔20ns檔〕

雙向定時的根本方法是：假設(shè)用戶位于衛(wèi)星1的下行波束覆蓋區(qū)，用戶接收中心控制系統(tǒng)播發(fā)的時間幀詢問信號，然后一方面測出第n幀詢問信號相關(guān)峰到本地鐘整秒信號1脈沖/s的時間間隔Δ1值，另一方面向中心控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)信號，由中心控制系統(tǒng)測出信號的往返時間Δ2值，并算出該信號由中心發(fā)出至用戶機收到的正向傳播時延值τ，再發(fā)送給該用戶作為雙向定時時延修正值：地面中心1脈沖/sn幀1脈沖/s1脈沖/s1脈沖/s用戶ΔεnΔtτΔ1雙向定時原理那么用戶可根據(jù)下式求得用戶鐘與中心控制系統(tǒng)時鐘的鐘差Δε：

Δε=1-Δ1-τ-nΔt

式中：Δ1為用戶定時終端實測值，nΔt為幀號對應(yīng)的時間，nΔt=n×31.25(ms)，τ為信號的正向傳播時延

τ=t設(shè)備單-〔t設(shè)備雙-Δ2-t正傳1+t返傳1〕/2

其中t設(shè)備單、t設(shè)備雙均值存儲在北斗地面中心，t正傳1為信號的正向傳輸時延，t返傳1為信號的返向傳輸時延。由地面中心算得鐘差Δε并發(fā)送給用戶。因雙向時延可實測獲得，所有修正在中心計算，因此雙向定時可獲得優(yōu)于20ns的定時精度。四、CDMA基站定時方案概要系統(tǒng)概述CDMA基站子系統(tǒng)〔BSS〕的重要功能之一是保持頻率和時間標(biāo)準(zhǔn)，完成時間和頻率的協(xié)同，提供系統(tǒng)所必需的頻率基準(zhǔn)、精確定時、同步基準(zhǔn)和系統(tǒng)時鐘。目前國內(nèi)CDMA基站的時間頻率保持標(biāo)準(zhǔn)根本都采用GPS系統(tǒng)來定時，而保持主要靠高穩(wěn)晶振和銣原子鐘。在CDMA建站初期國外GPS/GLONASS比較成熟，我國的授時導(dǎo)航系統(tǒng)正在建設(shè)中，自2003年以來我國自主的北斗系統(tǒng)投入穩(wěn)定可靠運行，各科研院所研發(fā)了一系列授時、定時用戶終端，但沒有專門用于CDMA基站的授時設(shè)備。2005年3月航天科技集團(tuán)公司與中國聯(lián)通公司高層就研發(fā)和裝備北斗CDMA基站定時系統(tǒng)達(dá)成一致。2005年4月航天科技集團(tuán)公司責(zé)成航天四創(chuàng)迅速啟動該工程。系統(tǒng)任務(wù)北斗用于CDMA站間時間同步包括無線同步和傳輸〔網(wǎng)絡(luò)〕同步無線同步要求：CDMA系統(tǒng)對無線定時要求十分嚴(yán)格：同一信道碼序列時間誤差小于50ns同一基站內(nèi)不同信道發(fā)射時間小于1us不同基站導(dǎo)頻發(fā)射時間小于10us傳輸〔網(wǎng)絡(luò)〕同步要求數(shù)據(jù)同步，以高精度北斗授時系統(tǒng)作為時鐘基準(zhǔn)，同時以公用數(shù)字同步網(wǎng)的同步基準(zhǔn)作為備用時鐘基準(zhǔn)每個基站都需使用高精度的時間基準(zhǔn)參考源系統(tǒng)功能北斗用于CDMA站間時間同步主要是給基站提供穩(wěn)定、可靠的時間頻率基準(zhǔn)。接收BD播送的定時信號，提取秒信號并進(jìn)行校正，對高穩(wěn)晶振進(jìn)行馴服和時間保持，利用頻率綜合器產(chǎn)生CDMA所需的各種同源頻率信號。同時兼容BD和GPS兩個授時系統(tǒng)，自動進(jìn)行信號精度分析和備份切換系統(tǒng)性能指標(biāo)GPS/BD雙模接收天線采用蘑菇頭形式，饋線30m〔可選〕；19〞1U標(biāo)準(zhǔn)機箱，同時兼容BD/GPS兩個系統(tǒng)；輸出信號頻率準(zhǔn)確度：優(yōu)于2E-12〔高穩(wěn)晶振連續(xù)馴服24h后平均頻率準(zhǔn)確度〕；優(yōu)于1E-10〔高穩(wěn)晶振連續(xù)馴服24h后斷開GPS/BD信號，自動保持24h平均頻率準(zhǔn)確度〕時域短期頻率穩(wěn)定度〔10MHz〕5E-10/S1E-12/Day系統(tǒng)性能指標(biāo)輸出信號：1PPS：TTL電平，50歐姆正極性，脈寬>1ms，上升沿<20ns，鎖定狀態(tài)相對與UTC精度優(yōu)于100ns，驅(qū)動能力10m；TOD時間碼信號：RS232接口，9600-8-N-1，輸出年月日時分秒及GPS/BD鎖定信息。環(huán)境要求：電源：交流220V/50Hz，DC48V工作溫度：-10～40℃存放溫度：-10～55℃CDMA站間時間同步總體方案各站獨立接收衛(wèi)星授時信號，自動同步到同一時間基準(zhǔn)，有效控制時間精度和保持精度?；径〞r原理同時接收GPS和北斗時，得到時間基準(zhǔn)1pps信號對BD時和GPS時進(jìn)行性能選優(yōu)，確定輸出信號基準(zhǔn)時間根據(jù)1pps信號用頻率綜合模塊產(chǎn)生同精度的頻率信號：10MHz，19.6608MHz和E1時鐘信號等1ppsGPS接收機BD接收機1pps性能選優(yōu)頻率綜合pp2s19.6608ME1時鐘10.0MCDMA基站時間系統(tǒng)方案采用19〞1U機箱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局圖〔前面板顯示，所有信號從后面板輸出〕接口選件BD接收機GPS接收機擴(kuò)展時鐘模塊時鐘性能分析與頻率綜合模塊前面板影響定時精度的關(guān)鍵因素及對策五、現(xiàn)場試驗原理外部時鐘輸入目前大局部廠家的BTS都具有外部時鐘輸入接口，通過設(shè)置或自動切換，可以工作在外部時鐘模式；以朗訊公司BTS為例目前朗訊公司現(xiàn)網(wǎng)運行的CDMA基站設(shè)備由GPS系統(tǒng)來保持嚴(yán)格的時鐘同步?；綛TS的時鐘由CTU-2GPSOMQM卡提供，GPSOMQM卡接收GPS的信號，產(chǎn)生系統(tǒng)需要的時頻基準(zhǔn)。外部工作模式CTU-2GPSOMQM卡在設(shè)計時是支持外部時鐘輸入，如系統(tǒng)檢測存在外部時鐘輸入，通過設(shè)置可切換到外部時鐘輸入模式。外部時鐘輸入在設(shè)計時是通過IOU的J13〔RJ45〕口輸入。信號接入內(nèi)置GPS模塊CPURJ45BD/GPS設(shè)備1PPS+1PPS-BD_TX+BD_TX-BD_RX+BD_RX-GPSOMQM板卡HIOU板COMPACT4.0工作流程雙模授時設(shè)備輸出口為DB9芯插座〔母頭〕。通過專用連接電纜將這些信號與BTS相聯(lián)。將雙模同步設(shè)備與BTS連接后，BTS那么可通過設(shè)置轉(zhuǎn)換為外部時鐘模式。根