论卫星导航定位系统设备时延的原因

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本文结合理论实践，先分析了设备时延的含义，再提出影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素，最后分析相应的控制措施，希望对提升卫星导航定位系统运行的稳定性和可靠性有一定的帮助。引言在科学技术不断发展的背景下，卫星导航定位系统愈发先进，被广泛应用在生活、生产中。根据工作原理的不同，在卫星导航定位系统大体上可以分为两种：①RNSS系统；②RDSS系统。其中RNSS系统是一种卫星无线电导航系统，至少需要4颗卫星才能实现导航定位，是一种无源定位体制；而RDSS系统，由2颗卫星即可完成导航定位，是一种有源定位体制。无论何种卫星导航定位系统最主要的功能是定位和定时。设备时延是影响定位和定时准确性的主要因素，基于此，本文结合理论实践，对影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素做了如下探讨。

1设备时延的含义

当信号通过传输系统或者网络时，输出信号比输入信号会产生一定的滞后时间，被称之为时延。就卫星导航定位系统而言，测距设备的传输信号并非单一的，可能是一组信号，也可能是多组信号[1]。因此，卫星导航定位系统的时延也不仅仅是指某一种信号的传输时延，属于中群时延，是对各个频率下时延量的整体表示。

2影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素

2.1设备自身

在卫星导航定位系统设计中，设备设计和材料选择的主要指标之一是时延特性，设备自身的时延特性是影响整个卫星导航定位系统时延的主要因素。除选择合适的材料之外，诸如终端、信道设备等均放置在室内，或者密封性较好的空间中，确保各项设备都能在良好的环境中运行。2.1.1终端。终端是卫星导航定位测距系统的主要设备，具有通信、测量的作用，在终端设备设计时要着重考虑以下两个方面：①满足卫星导航定位系统测量对准确性的要求，比如：通道测量需要在FPGA中实现，以确保每个通道的处理环节延时相一致，选择外部时频来输送IPPS信号，确保测量起点的准确性。②通过一系列行之有效的措施，确保设备运行环境温度和湿度的稳定性，比如：可以安装精密空调、设置恒温系统等，确保终端设备时延的稳定性，实际测试结果表明，将终端设备放置到恒温环境中，时延可控制在0.05ns以下。2.1.2信道设备。为确保卫星导航定位系统各项设备的时延特性，信道设备也要放置在室内环境中，导致信道设备时延增加的主要因素包括以下几个方面：①低噪声放大器，应用最广泛的C频段低噪声放大器时延特性指标为：线性群时延0.01ns/MHz，群时延波动为0.1ns，在运行中会对卫星导航定位系统造成约0.1ns波动。②变频器，其主要作用是对载波信号进行频谱搬移，在保证变频铺本形状不变的前提下，对信号做放大处理，提升输出信号的纯度，在运行中会对卫星导航定位系统时延造成1.0ns的波动[2]。

2.2设备老化

设备老化是导致卫星导航定位系统发生时延不稳定性的主要因素，为有效解决此类问题，就需要根据卫星导航定位系统运行环境的不同进行合理调整和分析，具体而言，可以从以下两个方面入手：（1）器件选择长对设备时延的影响。为验证不同器件对设备时延老化的影响，本文选择两种较新的产品进行试验。随着使用时间的增加，设备时延振动呈现先增加、后降低、最后趋于稳定的状态。不同设备老化引起的试验变化基本相同。但产品选用的器件不同，设备时延变化也各不相同。因此，通过合理选择器件可大幅度降低设备老化对时延的影响，从单个设备时延结果来开，通过预先老化的方法，可有效控制设备时延变化。（2）器件老化对设备时延的影响。为科学验证器件对设备时延老化的影响，选择某生产单位生产的同批次产品进行为期8个月老化试验。

2.3环境温度影响因素

环境温度是影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素，卫星导航定位系统设备在运行中，终端和信道设备都放置在恒温恒湿的封闭性环境中，温度变化比较小。因此，时延特性受到温度变化较大是放置在室外的设备，如：电缆、抛物面天线馈源网络等设备。

2.4信号质量影响因素

信号质量对卫星导航定位系统设备时延的影响主要体现在以下几个方面：（1）传输线缆多路径效应。在卫星导航定位系统中射频信号传输时多采用射频线缆，如果存在弯折现象，则驻波比就很难为0，信号在电缆中会发生多径反射，从而引发信号时延变化。多径效应也是导致卫星导航定位系统接收信号发生延迟扩展主要因素，造成最大的影响是导致扩频信号同步时造成同步误差[3]。（2）信号干扰。如果干扰信号功率和运行信号功率相同，则引发时延误差可达0.4ns，但干扰信号的功率超过运行信号功率10bB时，时延误差可达到2ns。

3设备时延控制手段

3.1合理规避温度影响

大量实例表明，温度是影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素，在设备选择和系统设计时要高度注意，卫星导航定位系统的地面控制站温度在50ps/℃~400ps/℃之间，为降低设备时延对卫星导航定位系统的影响，就必须严格控制温度，可采用以下措施：（1）在设备设计时，选择高性能的温度惰性元器件，并合理布设电路板，比如：在射频接插件选择时要尽量选择高可靠性、高密封性的插件，避免在使用过程中损坏插件。（2）地面放置的设备要建立恒温机房，并采用计算机对机房中的温度进行严格控制，确保温度时刻保持在允许范围中。（3）选择高性能电缆，设备连接完成后，还要设备试验进行严格的零值标定，在射频信号传输中尽量选择低损耗、高相位稳定度、高密封性、高机械强度的同轴电缆。

3.2做好设备选择和设计工作

（1）在变频器设计时，可采用宽带响应特性和温度特性较高的无源混频设计方案。（2）尽量降低放大器的功耗，增加效益，此外，如果射频器工作为非线性区，设备通道时延在100ps/dB~1ns/dB之间，因此，在设计中要尽量把放大器放置在线性区域中[4]。（3）在满足卫星导航定位系统抗干扰性能的基础上，尽量采用宽带技术，并尽量降低滤波器的数量，在设计时通道宽带要略大于信号的宽带。

4结束语

综上所述，本文结合理论实践，探讨了影响卫星导航定位系统设备时延的主要因素，探讨结果表明，设备时延是卫星导航定位系统在运行中客观存在的，很难从根本上的规避。影响设备时延的因素比较多，包括：设备自身特性、设备老化、环境温度、信号质量等。任何一个环节发生问题都会引起设备时延，因此，需要根据卫星导航定位系统运行的实际情况，从合理规避温度影响、做好设备选择和设计工作等方面入手，才能降低设备时延，提升卫星导航定位的精度。

参考文献：

[1]张文红.民航卫星导航系统中的同步技术[J].电子技术与软件工程，2018（21）：20.

[2]王蓉，陈思，胡伟锋，邓春.卫星导航定位误差仿真分析[J].计算机测量与控制，2018，26（10）：264-268.

[3]何在勇.全球导航定位系统GNSS的技术与应用[J].科学技术创新，2018（28）：14-15.

[4]王禹.大地测量中北斗卫星导航定位系统的运用分析[J].科技创新与应用，2018（26）：175-176.

作者:万晓东 单位:陕西东方航空仪表有限责任公司