基于北斗短报文通信的NIMDO方案设计与实现

顾杨义， 陈 亮， 梁 坤， 杨志强

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.中国计量科学研究院 时间频率计量科学研究所，北京 100029；3.北京交通大学 电子信息工程学院,北京 100044； 4.国家时间频率计量中心，北京 100029;)

1 引 言

随着秒定义的量子化，“时间”成为了准确度最高、应用最广的物理量[1,2]。时间频率的高度统一对人们日常生活、航空航天以及国民经济等都有着十分重要的意义[3～5]。通信领域对时间同步设备的性能要求已达到ns量级，例如在正常跟踪卫星接收机的情况下1 PPS(pulse per second，秒脉冲)+ToD(time of day，时间信息)接口相对于UTC(universal time coordinated，协调世界时)的时间偏差要求优于±150 ns。基于GNSS(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)时间频率传递技术，文献[6～8]描述了一种可被UTC(NIM)(原子时标国家计量基准)实时驯服的振荡系统(NIMDO)，即远程实时溯源至UTC(NIM)的时间频率源，其时间偏差、时间稳定度和频率稳定度分别可优于10 ns、1 ns和3×10-14。利用北斗的短报文通信功能可进行数据传输控制系统工具的研发，其效果已得到了实际验证[9]。利用北斗短报文通信可在系统监测、交通疏导等实际应用中及时完成信息交互，其传输数据的准确性和完整性能够满足监测等系统的需求[10,11]。本文提出了一种基于北斗短报文通信的NIMDO(UTC(NIM) disciplined oscillator，可被UTC(NIM)实时驯服的振荡系统)方案，设计了一套使用更可靠通信的远程时间溯源实验装置，利用北斗短报文通信，实施了参考端对客户端的实时驯服实验，实现了基于北斗短报文通信的NIMDO方案并进行了性能验证。

2 基于北斗短报文通信的NIMDO方案

2.1 北斗短报文通信

短报文发送方首先将包含接收方ID(identity document，身份标识号码)号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。短报文通讯的传输时延约0.5 s，通讯的最高频度是1次/s。

2.2 基于北斗短报文通信的远程时间溯源原理

参考端GNSS时间传递装置与北斗短报文通信发射端相连，利用北斗短报文数据包发送参考端数据。客户端NIMDO与北斗短报文通信接收端相连，用于接收北斗短报文数据包中的参考端数据。其中，UTC(NIM)和时间频率源为GNSS时间频率传递装置提供时间频率信号即1 PPS信号和5/10 MHz信号，NIMDO内部由时间频率源、GNSS时间频率传递装置、驯服控制系统组成。

图1 基于北斗短报文的远程时间溯源原理图Fig.1 Schematic diagram of remote time traceability based on BeiDou short message

2.3 系统实现

2.3.1 系统组成

整个系统分为参考端和客户端两个部分，硬件分为GNSS时间频率传递装置、NIMDO、北斗多卡/单卡数传终端(见图2)，软件分为多卡服务端和单卡客户端软件。其中，GNSS时间频率传递装置产生时频传递数据，NIMDO用于接收时频传递数据并完成对时间频率源的驯服，北斗多卡数传终端用于发送北斗短报文信息，北斗单卡数传终端用于接收北斗短报文信息，软件实现格式转换(多卡服务端软件把RFile文件转换成短报文格式，单卡客户端软件从短报文格式文件中解析出RFile文件)。

图2 北斗多卡/单卡数传终端设备图Fig.2 Diagram of BeiDou multi-card/single-card data transmission terminal equipment

2.3.2 北斗短报文格式

由于远程时间频率溯源中利用有线网络传输的时间频率数据最主要是CGGTTS(common generic GNSS time transfer standard，通用GNSS时间传输标准)数据，而该数据不能直接用北斗短报文通信发送和接收，因为北斗短报文通信的数据格式和内容是有一定限制的。因此格式转换是本次方案设计的主要工作，即在北斗短报文通信发射端将GNSS时间频率传递装置生成的数据格式转换成北斗短报文通信格式，在北斗短报文通信接收端从接收到的短报文信号中提取出数据信息，用于溯源计算处理。

在远程时间频率溯源中利用到了CGGTTS的部分信息，如跟踪卫星的卫星号，跟踪卫星的起始日期，实际跟踪长度中点处本地参考钟与GNSS时间的时差等[12]。所以在利用北斗短报文通信进行时频数据传输实验时，把RFile文件转成短报文格式，通过软件实现数据包的发送和接收，接收端将解析出的RFile文件合并成CGGTTS文件并且需要提取CGGTTS中的卫星号、起始日期、时差等信息。

每包数据包含GPS(global positioning system，全球定位系统)和北斗信息。电文内容是GPS双频时频传递数据文件及北斗双频时频传递数据文件中有效数据信息转换的部分，包括跟踪卫星的卫星号，跟踪卫星的起始日期，实际跟踪长度中点处本地参考钟与GNSS时间的时差等。每包数据中最多包含32个GPS及BDS(beidou navigation satellite system，北斗卫星导航系统)卫星的双频时间频率传递数据信息，超过32个卫星时，会剔除掉最低仰角的卫星。北斗短报文格式如表1所示，设定好用户地址、通信类别、传输方式以及通信电文内容，通过软件实现北斗短报文的发送与接收。

表1 北斗短报文数据部分格式说明Tab.1 The format of BeiDou short message data part

2.3.3 驯服算法

当前NIMDO的原子钟驯服算法的原理基于PID(proportional integral differential，比例积分微分)调节控制。PID控制器是一种线性控制器，它可以根据给定真值r(t)与实际输出y(t)构成控制偏差e(t)，如式(1):

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制，如式(2):

(2)

其传递函数为：

G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TIs)+TDs]

(3)

对于NIMDO系统中基于PID控制的原子钟驯服算法，需要调整的信号是频率信号，通过PID算法可以预测得到下一时刻原子钟的输出信号情况，如时差(频率的积分项)、频率和频漂(频率的微分项)，之后依据此对原子钟进行调整，使其与参考端原子钟的差值达到可以要求，实现驯服[13～17]。

3 实验验证

3.1 实验设计

参考端GNSS时间频率传递装置(站1)已被校准，客户端的NIMDO(站2)处于接收机模式且已被校准；同样参考端(站3)和客户端(站4)也已经被校准。基于实验原理图(见图3)在中国计量科学研究院昌平院区搭建基于北斗短报文的时频数据传输链路，参考端GNSS时间频率传递装置接入时间频率源1(UTC(NIM))提供的时间频率信号后开始测量，实时生成RFile数据文件(从CGGTTS文件中拆分出的每隔16 min实时比对数据文件)。发送端软件每隔30 s搜索最新的RFile文件，将RFile文件转换成北斗短报文格式后发送出去。接收端负责接收北斗短报文，解析出RFile文件，把RFile文件合并成CGGTTS文件，并从CGGTTS文件中提取时间、卫星等信息，计算出本地时间频率源与参考端时间频率源的时差，通过驯服控制系统对本地时间频率源进行驯服。

图3 基于北斗短报文的NIMDO方案实验原理图Fig.3 Experimental schematic diagram of NIMDO scheme based on BeiDou short message

3.2 实验结果分析

为了评估基于北斗短报文通信的NIMDO方案的远程时间溯源性能，利用北斗短报文通信，实施了参考端对客户端的实时驯服实验。

实验中共记录了6天的数据，北斗短报文通信数据包发送和接收情况如表2所示，根据统计，在实验过程中接收端存在丢包现象且丢失数据包的占比为2.47%。

表2 短报文通信数据记录表Tab.2 Short message communication data log sheet

分别取得均位于昌平院区的参考端(站1)和客户端(站2)的双频时频传递数据中时差等信息并作差绘制出溯源时差曲线，如图4所示。其中，时差均值为-1.1 ns，时差标准差为0.8 ns，相对频率偏差为1.6×10-15。从图4的结果中可以看出时差数据连续的现象，说明基于北斗短报文传输时频数据能够在短基线的条件下，满足连续运行的稳定性。分析时差曲线发现客户端(站2)与参考端(站1)间的溯源偏差优于±4 ns。

图4 北斗短报文传输数据实验时差结果Fig.4 Time difference results of BeiDou short message transmission data experiment

另选取位于中国计量科学研究院和平里院区的NIMDO(站4)与其参考站(站3，位于昌平院区)的时差比对结果(MJD(modified julian date，约化儒略日)57230-MJD 59234)来进行验证(北斗通信与网络通信比较结果见图5)。蓝线为基于北斗短报文通信，客户端(站2)与参考端(站1)的溯源时差曲线；橙线为基于网络通信，客户端(站4)与参考端(站3)的溯源时差曲线。其中，为了方便观察不同站点间的溯源时差曲线，将图中蓝线(站1-站2)数据+5 ns，将橙线(站3-站4)数据-5 ns。站1与站2的时差均值为-1.1 ns，时差标准差为0.8 ns，相对频率偏差为1.6×10-15；站3与站4的时差均值为-0.1 ns，时差标准差为2.1 ns，相对频率偏差为-7.2×10-16。可以看出,两者曲线的时差均值相近，且北斗通信溯源时差曲线的标准差更小。

图5 北斗通信与网络通信比较结果Fig.5 Comparison results of BeiDou communication and network communication

时差的不确定度u计算如式(4)：

(4)

式中：uA根据直接计算共钟标准差的结果得到，由于北斗短报文通信实验和网络通信实验中用到的数据均是GPS双频时频传递数据，故uA1=uA2=0.7 ns;UB是所有不确定度来源的不确定度，由经验值可得uB=3.5 ns。根据计算可得u1=u2=3.6 ns。

4 结 论

为了提供一种更可靠的数据传输手段，提出了一种基于北斗短报文通信的NIMDO方案，并设计了一套使用更可靠通信的远程时间溯源实验装置，利用北斗短报文通信，实施了参考端对客户端的实时驯服实验，实现了基于北斗短报文通信的NIMDO方案并进行了性能验证。实验结果表明：在短基线条件下，基于北斗短报文通信的NIMDO方案实现了远程时间精确溯源，客户端与参考端间的溯源偏差优于±4 ns，溯源偏差的不确定度为3.6 ns。