这样做就能完成GNSS接收器的定时校准

背景

GNSS以其提供亚米级精度定位的能力而闻名。然而鲜为人知的是，GNSS还提供了一种非常便捷的方法，可以通过GNSS接收器获得纳秒（甚至亚纳秒）的定时精度。事实上，除了三个空间维度之外，GNSS还使用户能够计算时钟偏差和接收器时钟相对于GNSS星座原子钟的漂移。要正确执行此操作，必须首先校准GNSS接收器和从天线到接收器的RF设置。

精确测量GNSS接收器的1-PPS信号的精度可能具有挑战性，尤其是在处理纳秒级的不确定性时。实时天空信号的可变性（大气条件、多路径等）和不可预测性都给制造商或用户使用这些信号校准设备带来了阻碍。射频电路和信号处理算法对每个信号的频率和调制也非常敏感，每个GNSS信号之间的延迟最多可以变化几纳秒，这解释了为什么需要为每个信号评估时间同步。

 

 

因此，正确测量GNSS接收器精度的最佳方法是使用经过良好校准的GNSS模拟器作为参考。GNSS模拟器允许用户控制每种类型的大气效应并再现确定性和重复性信号，还可以提供1-PPS信号，用作被测设备（DUT）的参考。

然而，在这种情况下，测量和验证 GNSS 模拟器的准确性依然是一个挑战。生成模拟信号的经典方法是使用实时硬件（例如FPGA）在中频（IF）中合成每个卫星信号（通常描述为通道）。这种方法的缺点是每个FPGA只能处理有限数量的通道，因此需要独立校准每个卫星群。这个校准过程不仅费力，还是导致最终测试错误的主要原因。

虹科Safran软件定义GNSS模拟器的主要优势之一是它能够利用GPU的强大功能以数字方式生成基带中的每个卫星信号（以及多路径或干扰）。使用GNSS模拟器核心软件Skydel可以让同一频段上的所有卫星信号都使用相同的硬件组件从基带信号合成到射频信号。因此，Skydel模拟器只需针对两个GNSS频段校准一次，并且同一载波上每个卫星信号之间的延迟完全等于零。

虹科Safran Skydel GNSS模拟器从一开始就被设计为与外部参考时钟同步，并且可以轻松地同步无限数量的Skydel实例（例如，同步多个天线或多个接收器）。本文说明概述了Skydel模拟器提供的典型时序配置，并解释了用户如何使用其特定的实验室设置（RF 电缆、LNA、功分器等）准确校准模拟器。

 

时序配置

GPSDO参考时钟

使用虹科Skydel GNSS模拟器校准定时接收器的最简单方法是设置一个基本配置，该配置使用内部配备GPSDO时钟（Global Positioning System Disciplined Oscillator，通常译作驯服钟）的Ettus X300 SDR。在这种情况下，GPSDO用作10MHz和1 PPS参考时钟。

 

对于此配置，必须在X300输出设置中选择GPSDO作为参考时钟。

 

通过此配置，RF信号与X300无线电的1 PPS输出同步。

 

外部参考时钟—单个Skydel会话

如果用户想为GNSS模拟器使用外部参考时钟，也可以将SDR（或多个SDR）与外部10MHz和1 PPS参考同步。在这种情况下，将每个X300 SDR的1 PPS输入和参考输入连接到外部时钟的相应输出。对这些连接中的每一个使用完全相同的电缆是很重要的。

 

对于此配置，必须在X300设置中选择外部作为参考时钟，且对每个SDR都需要这样做。

 

在Global→Synchronize simulators设置中，必须将Skydel模拟器配置为 Master（主站）。

 

通过这种配置，RF信号与参考时钟的1 PPS输出完成了同步。请注意，在这种情况下，SDR的1 PPS输出被停用，因为它们不与任何信号同步。

 

外部参考时钟—多个Skydel会话

多个Skydel会话可以与每个会话中正在工作的一个或多SDR同步，原理与单个 Skydel会话相同—需要使用外部参考时钟来同步每个SDR。

 

对于此配置，必须在每个SDR的X300输出设置中选择外部作为参考时钟。在 Global→ Synchronize simulators设置中，必须将其中一个Skydel模拟器会话配置为Master（主站）。所有剩余的会话都必须配置为Slave（从站）。

 

与单个 Skydel实例的配置类似，RF信号与参考时钟的1 PPS输出同步。

 

校准程序

配置设置

虹科Safran Skydel模拟器旨在提供一致的PPS信号，其精度等于或优于5ns。本文中描述的每个配置以及在SDR输出上选择的每个采样率都执行此校准。

但用户可能会在射频输出和被测接收器之间进行自定义安装，包括射频电缆、LNA、衰减器和分离器。这些组件中的每一个都会为用户可能需要评估的RF信号传播增加一个补充延迟。因此，要获得更好的延迟测量精度，就需要使用更好的仪器（例如，低于1ns）。

使用虹科Safran Skydel模拟器高精度评估补充延迟所需的流程如下：

首先，测量设置需要将示波器连接到1 PPS参考和需要评估延迟的RF信号（例如在接收器的输入端）。虽然下图说明了具有内部参考时钟（GPSDO）的配置，但它也适用于本文中描述的其他配置（即，1 PPS参考成为外部时钟的1 PPS输出）。

 

要测量RF信号与1 PPS之间的延迟，则需要在Skydel模拟器上创建特定场景。测量RF信号定时的最简单方法是广播单个GPS C/A卫星信号，并观察调制代码的最后一个码片和第一个码片之间的转换。由于Skydel 模拟器的特殊设计，每个其他GNSS信号都将与C/A代码完美对齐。

 

场景描述

在Skydel中创建一个新场景，并在要测量的输出上配置一个新的仅限无线电广播的GPS C/A 信号SDR。在“Settings”面板中，选择将用于评估定时接收器的输出带宽。

在GPS→General（常规选项卡）中，取消选中signal propagation delay（信号传播延迟选项）。然后，Skydel将为每颗卫星模拟零延迟的伪距，使其能够准确地将C/A代码与1 PPS信号对齐。

 

在GPS→Message Modification→NAV选项卡中，在卫星#10上添加新的消息修正。将所有子帧和字上的每个位设置为0（包括奇偶校验位）。通过此修改，会在调制代码结束时（每毫秒）有一个0/1码片转换。

 

在GPS→Signals中，取消选择除PRN 10之外的所有卫星信号的RF信号（PRN10在Skydel的默认配置中是可见的，作为扩频码的最后一个码片，它与第一个码片的符号相反）。

 

在GPS→Signal level中，将Global（全球信号功率）和GPS C/A code设置为最大（各10dB），要确保射频信号显示在示波器上。

 

运行仿真并调整示波器来同时显示1 PPS信号和RF信号。现在可以准确地测量1 PPS的上升沿与RF信号的相位反转之间的延迟，这有助于确定并补偿在未来测量中采用相同设置带来的延迟。

 

注意：由于此处使用的示波器的限制，所以并未绘制1 PPS信号。然而，50% 的上升沿与图中的垂直虚线是对齐的，平面线与RF信号的相位反转同步。在此示例中，测量了1 PPS和RF信号之间520+/-100ps的固定偏移。

 

结论

GNSS已被证明是定位和导航不可或缺的系统，它对于许多计时应用（如银行或能源生产和传输）也至关重要。对于这些类型的应用，定时接收器的准确性是必不可少的，因此，使用 GNSS 模拟器是实现这种精度的关键。虹科Safran Skydel GNSS模拟器的强大之处在于它能够在基带中合成所有GNSS信号，这意味着同一频段上的所有卫星信号彼此之间可以完美同步。因此，虽然系统时序校准在其他系统上是一项复杂且昂贵的操作，但在虹科Safran Skydel GNSS模拟器上却是极其简单的。