這樣做就能完成GNSS接收器的定時(shí)校準(zhǔn)

背景

GNSS以其提供亞米級(jí)精度定位的能力而聞名。然而鮮為人知的是，GNSS還提供了一種非常便捷的方法，可以通過GNSS接收器獲得納秒（甚至亞納秒）的定時(shí)精度。事實(shí)上，除了三個(gè)空間維度之外，GNSS還使用戶能夠計(jì)算時(shí)鐘偏差和接收器時(shí)鐘相對(duì)于GNSS星座原子鐘的漂移。要正確執(zhí)行此操作，必須首先校準(zhǔn)GNSS接收器和從天線到接收器的RF設(shè)置。

精確測(cè)量GNSS接收器的1-PPS信號(hào)的精度可能具有挑戰(zhàn)性，尤其是在處理納秒級(jí)的不確定性時(shí)。實(shí)時(shí)天空信號(hào)的可變性（大氣條件、多路徑等）和不可預(yù)測(cè)性都給制造商或用戶使用這些信號(hào)校準(zhǔn)設(shè)備帶來(lái)了阻礙。射頻電路和信號(hào)處理算法對(duì)每個(gè)信號(hào)的頻率和調(diào)制也非常敏感，每個(gè)GNSS信號(hào)之間的延遲最多可以變化幾納秒，這解釋了為什么需要為每個(gè)信號(hào)評(píng)估時(shí)間同步。

因此，正確測(cè)量GNSS接收器精度的最佳方法是使用經(jīng)過良好校準(zhǔn)的GNSS模擬器作為參考。GNSS模擬器允許用戶控制每種類型的大氣效應(yīng)并再現(xiàn)確定性和重復(fù)性信號(hào)，還可以提供1-PPS信號(hào)，用作被測(cè)設(shè)備（DUT）的參考。

然而，在這種情況下，測(cè)量和驗(yàn)證 GNSS 模擬器的準(zhǔn)確性依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。生成模擬信號(hào)的經(jīng)典方法是使用實(shí)時(shí)硬件（例如FPGA）在中頻（IF）中合成每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)（通常描述為通道）。這種方法的缺點(diǎn)是每個(gè)FPGA只能處理有限數(shù)量的通道，因此需要獨(dú)立校準(zhǔn)每個(gè)衛(wèi)星群。這個(gè)校準(zhǔn)過程不僅費(fèi)力，還是導(dǎo)致最終測(cè)試錯(cuò)誤的主要原因。

虹科Safran軟件定義GNSS模擬器的主要優(yōu)勢(shì)之一是它能夠利用GPU的強(qiáng)大功能以數(shù)字方式生成基帶中的每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)（以及多路徑或干擾）。使用GNSS模擬器核心軟件Skydel可以讓同一頻段上的所有衛(wèi)星信號(hào)都使用相同的硬件組件從基帶信號(hào)合成到射頻信號(hào)。因此，Skydel模擬器只需針對(duì)兩個(gè)GNSS頻段校準(zhǔn)一次，并且同一載波上每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)之間的延遲完全等于零。

虹科Safran Skydel GNSS模擬器從一開始就被設(shè)計(jì)為與外部參考時(shí)鐘同步，并且可以輕松地同步無(wú)限數(shù)量的Skydel實(shí)例（例如，同步多個(gè)天線或多個(gè)接收器）。本文說(shuō)明概述了Skydel模擬器提供的典型時(shí)序配置，并解釋了用戶如何使用其特定的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置（RF 電纜、LNA、功分器等）準(zhǔn)確校準(zhǔn)模擬器。

時(shí)序配置

GPSDO參考時(shí)鐘

使用虹科Skydel GNSS模擬器校準(zhǔn)定時(shí)接收器的最簡(jiǎn)單方法是設(shè)置一個(gè)基本配置，該配置使用內(nèi)部配備GPSDO時(shí)鐘（Global Positioning System Disciplined Oscillator，通常譯作馴服鐘）的Ettus X300 SDR。在這種情況下，GPSDO用作10MHz和1 PPS參考時(shí)鐘。

對(duì)于此配置，必須在X300輸出設(shè)置中選擇GPSDO作為參考時(shí)鐘。

通過此配置，RF信號(hào)與X300無(wú)線電的1 PPS輸出同步。

外部參考時(shí)鐘—單個(gè)Skydel會(huì)話

如果用戶想為GNSS模擬器使用外部參考時(shí)鐘，也可以將SDR（或多個(gè)SDR）與外部10MHz和1 PPS參考同步。在這種情況下，將每個(gè)X300 SDR的1 PPS輸入和參考輸入連接到外部時(shí)鐘的相應(yīng)輸出。對(duì)這些連接中的每一個(gè)使用完全相同的電纜是很重要的。

對(duì)于此配置，必須在X300設(shè)置中選擇外部作為參考時(shí)鐘，且對(duì)每個(gè)SDR都需要這樣做。

在Global→Synchronize simulators設(shè)置中，必須將Skydel模擬器配置為 Master（主站）。

通過這種配置，RF信號(hào)與參考時(shí)鐘的1 PPS輸出完成了同步。請(qǐng)注意，在這種情況下，SDR的1 PPS輸出被停用，因?yàn)樗鼈儾慌c任何信號(hào)同步。

外部參考時(shí)鐘—多個(gè)Skydel會(huì)話

多個(gè)Skydel會(huì)話可以與每個(gè)會(huì)話中正在工作的一個(gè)或多SDR同步，原理與單個(gè) Skydel會(huì)話相同—需要使用外部參考時(shí)鐘來(lái)同步每個(gè)SDR。

對(duì)于此配置，必須在每個(gè)SDR的X300輸出設(shè)置中選擇外部作為參考時(shí)鐘。在 Global→ Synchronize simulators設(shè)置中，必須將其中一個(gè)Skydel模擬器會(huì)話配置為Master（主站）。所有剩余的會(huì)話都必須配置為Slave（從站）。

與單個(gè) Skydel實(shí)例的配置類似，RF信號(hào)與參考時(shí)鐘的1 PPS輸出同步。

校準(zhǔn)程序

配置設(shè)置

虹科Safran Skydel模擬器旨在提供一致的PPS信號(hào)，其精度等于或優(yōu)于5ns。本文中描述的每個(gè)配置以及在SDR輸出上選擇的每個(gè)采樣率都執(zhí)行此校準(zhǔn)。

但用戶可能會(huì)在射頻輸出和被測(cè)接收器之間進(jìn)行自定義安裝，包括射頻電纜、LNA、衰減器和分離器。這些組件中的每一個(gè)都會(huì)為用戶可能需要評(píng)估的RF信號(hào)傳播增加一個(gè)補(bǔ)充延遲。因此，要獲得更好的延遲測(cè)量精度，就需要使用更好的儀器（例如，低于1ns）。

使用虹科Safran Skydel模擬器高精度評(píng)估補(bǔ)充延遲所需的流程如下：

首先，測(cè)量設(shè)置需要將示波器連接到1 PPS參考和需要評(píng)估延遲的RF信號(hào)（例如在接收器的輸入端）。雖然下圖說(shuō)明了具有內(nèi)部參考時(shí)鐘（GPSDO）的配置，但它也適用于本文中描述的其他配置（即，1 PPS參考成為外部時(shí)鐘的1 PPS輸出）。

要測(cè)量RF信號(hào)與1 PPS之間的延遲，則需要在Skydel模擬器上創(chuàng)建特定場(chǎng)景。測(cè)量RF信號(hào)定時(shí)的最簡(jiǎn)單方法是廣播單個(gè)GPS C/A衛(wèi)星信號(hào)，并觀察調(diào)制代碼的最后一個(gè)碼片和第一個(gè)碼片之間的轉(zhuǎn)換。由于Skydel 模擬器的特殊設(shè)計(jì)，每個(gè)其他GNSS信號(hào)都將與C/A代碼完美對(duì)齊。

場(chǎng)景描述

在Skydel中創(chuàng)建一個(gè)新場(chǎng)景，并在要測(cè)量的輸出上配置一個(gè)新的僅限無(wú)線電廣播的GPS C/A 信號(hào)SDR。在“Settings”面板中，選擇將用于評(píng)估定時(shí)接收器的輸出帶寬。

在GPS→General（常規(guī)選項(xiàng)卡）中，取消選中signal propagation delay（信號(hào)傳播延遲選項(xiàng)）。然后，Skydel將為每顆衛(wèi)星模擬零延遲的偽距，使其能夠準(zhǔn)確地將C/A代碼與1 PPS信號(hào)對(duì)齊。

在GPS→Message Modification→NAV選項(xiàng)卡中，在衛(wèi)星#10上添加新的消息修正。將所有子幀和字上的每個(gè)位設(shè)置為0（包括奇偶校驗(yàn)位）。通過此修改，會(huì)在調(diào)制代碼結(jié)束時(shí)（每毫秒）有一個(gè)0/1碼片轉(zhuǎn)換。

在GPS→Signals中，取消選擇除PRN 10之外的所有衛(wèi)星信號(hào)的RF信號(hào)（PRN10在Skydel的默認(rèn)配置中是可見的，作為擴(kuò)頻碼的最后一個(gè)碼片，它與第一個(gè)碼片的符號(hào)相反）。

在GPS→Signal level中，將Global（全球信號(hào)功率）和GPS C/A code設(shè)置為最大（各10dB），要確保射頻信號(hào)顯示在示波器上。

運(yùn)行仿真并調(diào)整示波器來(lái)同時(shí)顯示1 PPS信號(hào)和RF信號(hào)?，F(xiàn)在可以準(zhǔn)確地測(cè)量1 PPS的上升沿與RF信號(hào)的相位反轉(zhuǎn)之間的延遲，這有助于確定并補(bǔ)償在未來(lái)測(cè)量中采用相同設(shè)置帶來(lái)的延遲。

注意：由于此處使用的示波器的限制，所以并未繪制1 PPS信號(hào)。然而，50% 的上升沿與圖中的垂直虛線是對(duì)齊的，平面線與RF信號(hào)的相位反轉(zhuǎn)同步。在此示例中，測(cè)量了1 PPS和RF信號(hào)之間520+/-100ps的固定偏移。

結(jié)論

GNSS已被證明是定位和導(dǎo)航不可或缺的系統(tǒng)，它對(duì)于許多計(jì)時(shí)應(yīng)用（如銀行或能源生產(chǎn)和傳輸）也至關(guān)重要。對(duì)于這些類型的應(yīng)用，定時(shí)接收器的準(zhǔn)確性是必不可少的，因此，使用 GNSS 模擬器是實(shí)現(xiàn)這種精度的關(guān)鍵。虹科Safran Skydel GNSS模擬器的強(qiáng)大之處在于它能夠在基帶中合成所有GNSS信號(hào)，這意味著同一頻段上的所有衛(wèi)星信號(hào)彼此之間可以完美同步。因此，雖然系統(tǒng)時(shí)序校準(zhǔn)在其他系統(tǒng)上是一項(xiàng)復(fù)雜且昂貴的操作，但在虹科Safran Skydel GNSS模擬器上卻是極其簡(jiǎn)單的。