1、CDMA基站基于北斗/GPS双模授时的原理与应用,主要内容,一、前言二、北斗系统概况三、北斗授时定时基本原理四、CDMA基站定时方案五、试验原理,一、前言,1、国内卫星授时应用现状及存在的问题,卫星授时系统设备具有高精度、低成本、覆盖范围广的特点，已广泛应用于通信、电力、交通、宇航、广播电视、计算机网络及军事应用等领域。时间频率应用和定位(测量)应用、导航应用共同构成卫星导航系统的三大应用方向，具有广阔的市场前景,应用领域,目前，国内各应用领域的卫星授时产品均以单GPS产品为主，仅有少量的国产GPS/GLONASS双系统产品、GPS/GLONASS/北斗三系统产品和单北斗产品,应用产品现状,1
2、、国内卫星授时应用现状及存在的问题,北斗一号导航系统投入使用前，通信、电力、交通等基础行业的授时系统由于没有得到自主的卫星导航系统的支撑，被迫形成了对美国GPS、俄罗斯GLONASS卫星导航系统的完全依赖，导致其存在潜在的巨大安全隐患，甚至严重影响国家信息安全,主要问题二：国家支持力度不够，导致产业化乏力,主要问题一：对国外导航系统依赖性太强，存在严重的安全隐患,一方面，由于国家对北斗一号导航系统民用授时应用产业没有明确的扶持，导致核心的北斗授时接收机的成本与成熟的GPS授时接收机相比还有一定差距，缺乏市场竞争力；另一方面，国家对各基础行业的安全隐患没有严格的强制性控制措施出台，各行业仍倾向于
3、廉价的GPS授时产品，从而导致投资者对北斗民用授时市场信心不足,2、利用北斗一号授时的必要性,使用自主的北斗一号进行授时可摆脱对美国GPS、俄罗斯GLONASS导航系统的过分依赖，有效消除各基础行业由于其授时系统所带来的巨大安全隐患，保障国家利益、国家信息安全,维护国家信息安全,推动北斗授时民用产业化，可促进我国卫星应用产业的发展，并可获得良好的社会效益和经济效益,促进自有基础产业的发展,二、北斗系统概况,（一）第一代卫星导航定位系统北斗一号,北斗一号系统已于2000年12月完成研制建设，并于2002年1月1日投入试运行。它的建成，打破了美、俄在卫星导航领域的垄断，同时也标志着我国在卫星导航技
4、术领域取得了重大突破,1、系统组成空间部分：由3颗静止轨道卫星(2颗工作、1颗备份)组成 定点位置：东经80度、110度、140度地面应用系统：地面控制中心、标校系统和各类用户机,2、基本性能基本功能：有源导航定位，双向简短 报文通信、授时定时定位精度：平面位置 20米 100米 高 程 10米定时精度：单向100ns，双向20ns通信能力：一次可传输120个汉字,北斗1号导航定位卫星外形图,北斗1号系统覆盖区域,3、系统现状,2002年1月1日开始试运行，标志着我国在卫星定位领域新的突破2002年12月完成第三颗备份卫星的发射，保障系统全天候不间断运行。至此，北斗一号系统正式投入运行系统可为
5、陆海空用户提供定位、定时和双向简短数字报文通信服务，极大地改善了我国长期缺乏自主有效的高精度实时定位定时等手段的局面，可广泛应用于我军指挥作战和国民经济各个领域,应用终端已形成体系,终端分为：手持型、车载型、指挥型各种型号的终端已广泛应用于军队和国民经济建设的各个领域,丰富的用户机产品,加固指挥型用户机,嵌入式用户机,便携式用户机,手持型用户机,标准1U机箱指挥机,用户机OEM板,4、应用北斗系统的突出优势,自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合涉及国民经济命脉的关键部门应用，摆脱对国外系统的依赖性，降低安全隐患覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无信号盲区 同时具备授时、
6、定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持 特别适合集团用户大范围接收信号进行高精度定时应用 国家发改委准备在北斗民用领域加大支持力度，政策扶植民用部门,温总理对本项目的批示,反映了国家政策对北斗民用的大力支持,由于北斗一号是一个有源定位系统，在实时性和动态适应能力方面无法满足远程武器精确制导的要求。在目前严峻的国家安全形势下，为了满足“打赢”的要求，有必要尽快建成我国自主的第二代无源导航定位系统。经过前期论证，基本确定了我国二代导航系统的功能、性能、框架和技术体制,（二）第二代卫星导航定位系统北斗二号,1、系统组成空间部分：多颗轨道卫星地面运控系统：1个地面运行控制中心 若干个上行注入站 若干基准
7、站和监测站应用系统：各类用户机 若干应用增强系统,具有连续无源实时三维定位、测速能力 具有双向简短报文通信（位置报告）功能 具有高精度授时功能 具有一定的抗干扰、保密及防欺骗能力,2、主要功能和性能要求,（1）主要功能,（2）主要性能服务范围：较之北斗一号有显著扩展定位精度：与GPS相当授时精度：保留单、双向定时功能，且精度上比北斗一号有进一步提高短电文通信：满足导航定位信息交换要求用户设备：体积小、重量轻、功耗低，满足手持和其它各种载体需要,二代导航区域系统建成后，可基本满足我军民用户对无源导航定位的需求，与近期我军武器装备的发展水平也相匹配，同时，也与我国国民经济发展对卫星导航定位的需求相
8、适应。而且，系统很好地继承了一代的功能，用户利益得到了有效的保护,三、北斗授时定时基本原理,授时定时基本原理,BD-1采用超帧周期帧结构形式向用户播发询问信号，每一超帧的起始帧定为发播时间帧，可为用户提供授时定时服务BD-1每台用户机启用前均需在中心控制系统完成一系列的测试，其中包括设备的零值测试。设备零值测试主要测量单向设备时延和双向设备时延单向设备时延t设备单是指信号在正向传播（中心控制系统卫星用户机）过程中所经设备的总时延双向设备时延t设备双是指信号在正反向传播（中心控制系统卫星用户机卫星中心控制系统）过程中所经设备的总时延按照战术技术指标要求，系统的定时精度为20ns、100ns两档，
9、前者采用双向定时法，后者采用单向定时法,单向定时基本原理（100ns档）,单向定时的基本方法是：假设用户位于卫星1的下行波束覆盖区，用户接收中心控制系统播发的时间帧询问信号，同时以本地钟秒信号1脉冲/s作开门脉冲，以询问信号相关峰作关门脉冲，测得1：,则由下式即可求得用户钟与中心控制系统时钟的钟差： =1-nt 式中：nt为帧号对应的时间，nt=n31.25(ms)，为信号的正向传播时延： =t设备单+tR01+tRU1 其中t设备单值存储在用户机中，其中tR01为地面中心至北斗卫星的传输时延，可在北斗卫星下行信号中提取，tRU1为北斗卫星至用户终端的传输时延，需要在用户端计算获得，因此卫星星
10、历误差、电离层对流层修正误差、以及用户位置误差成为制约单向定时精度的主要误差源。因卫星星历和传播修正模型由系统即时提供，精度较高，因此用户的位置误差成为单向定时最主要的误差源。当位置误差小于50米时，单向定时精度可优于100ns。,双向定时基本原理（20ns档）,双向定时的基本方法是：假设用户位于卫星1的下行波束覆盖区，用户接收中心控制系统播发的时间帧询问信号，然后一方面测出第n帧询问信号相关峰到本地钟整秒信号1脉冲/s的时间间隔1值，另一方面向中心控制系统转发响应信号，由中心控制系统测出信号的往返时间2值，并算出该信号由中心发出至用户机收到的正向传播时延值，再发送给该用户作为双向定时时延修正
11、值：,则用户可根据下式求得用户钟与中心控制系统时钟的钟差： =1-1-nt 式中： 1为用户定时终端实测值，nt为帧号对应的时间，nt=n31.25(ms)，为信号的正向传播时延 =t设备单-（t设备双-2-t正传1+t返传1）/2 其中t设备单、t设备双均值存储在北斗地面中心， t正传1为信号的正向传输时延， t返传1为信号的返向传输时延。由地面中心算得钟差并发送给用户。 因双向时延可实测获得，所有修正在中心计算，因此双向定时可获得优于20ns的定时精度。,四、CDMA基站定时方案概要,系统概述,CDMA基站子系统（BSS）的重要功能之一是保持频率和时间标准，完成时间和频率的协同，提供系统所
12、必需的频率基准、精确定时、同步基准和系统时钟。目前国内CDMA基站的时间频率保持标准基本都采用GPS系统来定时，而保持主要靠高稳晶振和铷原子钟。在CDMA建站初期国外GPS/GLONASS比较成熟，我国的授时导航系统正在建设中，自2003年以来我国自主的北斗系统投入稳定可靠运行，各科研院所研发了一系列授时、定时用户终端，但没有专门用于CDMA基站的授时设备。2005年3月航天科技集团公司与中国联通公司高层就研发和装备北斗CDMA基站定时系统达成一致。2005年4月航天科技集团公司责成航天四创迅速启动该项目。,系统任务,北斗用于CDMA站间时间同步包括无线同步和传输（网络）同步无线同步要求：CD
13、MA系统对无线定时要求十分严格：同一信道码序列时间误差小于50ns同一基站内不同信道发射时间小于1us不同基站导频发射时间小于10us传输（网络）同步要求数据同步，以高精度北斗授时系统作为时钟基准，同时以公用数字同步网的同步基准作为备用时钟基准 每个基站都需使用高精度的时间基准参考源,系统功能,北斗用于CDMA站间时间同步主要是给基站提供稳定、可靠的时间频率基准。接收BD广播的定时信号，提取秒信号并进行校正，对高稳晶振进行驯服和时间保持，利用频率综合器产生CDMA所需的各种同源频率信号。同时兼容BD和GPS两个授时系统，自动进行信号精度分析和备份切换,系统性能指标,GPS/BD双模接收天线采用
14、蘑菇头形式，馈线30m（可选）；19”1U标准机箱，同时兼容BD/GPS两个系统；输出信号频率准确度：优于2E-12（高稳晶振连续驯服24h后平均频率准确度）；优于1E-10（高稳晶振连续驯服24h后断开GPS/BD信号，自动保持24h平均频率准确度）时域短期频率稳定度（10MHz）5E-10/S1E-12/Day,系统性能指标,输出信号：1PPS：TTL电平，50欧姆正极性，脉宽1ms，上升沿20ns，锁定状态相对与UTC精度优于100ns，驱动能力10m；TOD时间码信号：RS232接口，9600-8-N-1，输出年月日时分秒及GPS/BD锁定信息。环境要求：电源：交流220V/50Hz，
15、DC48V工作温度：-1040 存放温度：-1055 ,CDMA站间时间同步总体方案,各站独立接收卫星授时信号，自动同步到同一时间基准，有效控制时间精度和保持精度。基站定时原理同时接收GPS和北斗时，得到时间基准1pps信号对BD时和GPS时进行性能选优，确定输出信号基准时间根据1pps信号用频率综合模块产生同精度的频率信号：10MHz，19.6608MHz和E1时钟信号等,CDMA基站时间系统方案,采用19”1U机箱，内部结构布局图（前面板显示，所有信号从后面板输出）,影响定时精度的关键因素及对策,北斗接收天线位置测量精度基站BD天线位置越准确授时精度越高，一般情况下天线位置精度10m，定时
16、精度优于30ns；基站位置的精确测量可以利用大地测量型的GPS接收机来完成精确测量时延校正技术空中时延：电离层、对流层，从卫星广播信息电文中获得并作为参数进行修正钟差：从卫星广播信息电文中获得并作为参数进行改正多普勒频差：系统计算多普勒(包括本地钟差)偏差并进行改正,五、现场试验原理,外部时钟输入,目前大部分厂家的BTS都具有外部时钟输入接口，通过设置或自动切换，可以工作在外部时钟模式；,以朗讯公司BTS为例,目前朗讯公司现网运行的CDMA基站设备由GPS系统来保持严格的时钟同步。基站BTS的时钟由CTU-2 GPSOMQM卡提供， GPSOMQM卡接收GPS的信号，产生系统需要的时频基准。,
17、外部工作模式,CTU-2 GPSOMQM卡在设计时是支持外部时钟输入，如系统检测存在外部时钟输入，通过设置可切换到外部时钟输入模式。外部时钟输入在设计时是通过IOU的J13（RJ45）口输入。,信号接入,工作流程,双模授时设备输出口为DB9芯插座（母头）。通过专用连接电缆将这些信号与BTS相联。将双模同步设备与BTS连接后，BTS则可通过设置转换为外部时钟模式。根据试验要求，可将双模同步设备切换到GPS或北斗模式，开展不同项目的测试工作。,设备工作模式的切换,设备可工作于两种工作模式：BD或GPSBD/GPS均工作正常下切换开关拨至BD，工作于BD工作模式；切换开关拨至GPS，工作于GPS工作模式；BD/GPS只有一种工作正常无论切换开关在何位置，系统自动切换至那种模式,设备安装流程,天线安装安装在屋顶开阔地带，南方无遮挡机箱安装安装在19寸机架上数据线安装时间输入数据线外部状态输入数据线,天线安装,机箱安装,数据线安装,谢谢大家,
