背景

GNSS以其提供亞米級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）的定時精度。事實上，除了三個空間維度之外，GNSS還使用戶能夠計算時鐘偏差和接收器時鐘相對于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。

精確測量GNSS接收器的1-PPS信號的精度可能具有挑戰(zhàn)性，尤其是在處理納秒級的不確定性時。實時天空信號的可變性（大氣條件、多路徑等）和不可預(yù)測性都給制造商或用戶使用這些信號校準(zhǔn)設(shè)備帶來了阻礙。射頻電路和信號處理算法對每個信號的頻率和調(diào)制也非常敏感，每個GNSS信號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信號評估時間同步。

因此，正確測量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，還可以提供1-PPS信號，用作被測設(shè)備（DUT）的參考。

然而，在這種情況下，測量和驗證 GNSS 模擬器的準(zhǔn)確性依然是一個挑戰(zhàn)。生成模擬信號的經(jīng)典方法是使用實時硬件（例如FPGA）在中頻（IF）中合成每個衛(wèi)星信號（通常描述為通道）。這種方法的缺點是每個FPGA只能處理有限數(shù)量的通道，因此需要獨立校準(zhǔn)每個衛(wèi)星群。這個校準(zhǔn)過程不僅費力，還是導(dǎo)致最終測試錯誤的主要原因。

虹科Safran軟件定義GNSS模擬器的主要優(yōu)勢之一是它能夠利用GPU的強大功能以數(shù)字方式生成基帶中的每個衛(wèi)星信號（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)星信號都使用相同的硬件組件從基帶信號合成到射頻信號。因此，Skydel模擬器只需針對兩個GNSS頻段校準(zhǔn)一次，并且同一載波上每個衛(wèi)星信號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)計為與外部參考時鐘同步，并且可以輕松地同步無限數(shù)量的Skydel實例（例如，同步多個天線或多個接收器）。本文說明概述了Skydel模擬器提供的典型時序配置，并解釋了用戶如何使用其特定的實驗室設(shè)置（RF 電纜、LNA、功分器等）準(zhǔn)確校準(zhǔn)模擬器。

時序配置

GPSDO參考時鐘

使用虹科Skydel GNSS模擬器校準(zhǔn)定時接收器的最簡單方法是設(shè)置一個基本配置，該配置使用內(nèi)部配備GPSDO時鐘（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參考時鐘。

對于此配置，必須在X300輸出設(shè)置中選擇GPSDO作為參考時鐘。

通過此配置，RF信號與X300無線電的1 PPS輸出同步。

外部參考時鐘—單個Skydel會話

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

對于此配置，必須在X300設(shè)置中選擇外部作為參考時鐘，且對每個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信號與參考時鐘的1 PPS輸出完成了同步。請注意，在這種情況下，SDR的1 PPS輸出被停用，因為它們不與任何信號同步。

外部參考時鐘—多個Skydel會話

多個Skydel會話可以與每個會話中正在工作的一個或多SDR同步，原理與單個 Skydel會話相同—需要使用外部參考時鐘來同步每個SDR。

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

與單個 Skydel實例的配置類似，RF信號與參考時鐘的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，其精度等于或優(yōu)于5ns。本文中描述的每個配置以及在SDR輸出上選擇的每個采樣率都執(zhí)行此校準(zhǔn)。

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

使用虹科Safran Skydel模擬器高精度評估補充延遲所需的流程如下：

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

要測量RF信號與1 PPS之間的延遲，則需要在Skydel模擬器上創(chuàng)建特定場景。測量RF信號定時的最簡單方法是廣播單個GPS C/A衛(wèi)星信號，并觀察調(diào)制代碼的最后一個碼片和第一個碼片之間的轉(zhuǎn)換。由于Skydel 模擬器的特殊設(shè)計，每個其他GNSS信號都將與C/A代碼完美對齊。

場景描述

在Skydel中創(chuàng)建一個新場景，并在要測量的輸出上配置一個新的僅限無線電廣播的GPS C/A 信號SDR。在“Settings”面板中，選擇將用于評估定時接收器的輸出帶寬。

在GPS→General（常規(guī)選項卡）中，取消選中signal propagation delay（信號傳播延遲選項）。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信號對齊。

在GPS→Message Modification→NAV選項卡中，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位設(shè)置為0（包括奇偶校驗位）。通過此修改，會在調(diào)制代碼結(jié)束時（每毫秒）有一個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)星信號的RF信號（PRN10在Skydel的默認(rèn)配置中是可見的，作為擴頻碼的最后一個碼片，它與第一個碼片的符號相反）。

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

運行仿真并調(diào)整示波器來同時顯示1 PPS信號和RF信號?，F(xiàn)在可以準(zhǔn)確地測量1 PPS的上升沿與RF信號的相位反轉(zhuǎn)之間的延遲，這有助于確定并補償在未來測量中采用相同設(shè)置帶來的延遲。

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。然而，50% 的上升沿與圖中的垂直虛線是對齊的，平面線與RF信號的相位反轉(zhuǎn)同步。在此示例中，測量了1 PPS和RF信號之間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)，它對于許多計時應(yīng)用（如銀行或能源生產(chǎn)和傳輸）也至關(guān)重要。對于這些類型的應(yīng)用，定時接收器的準(zhǔn)確性是必不可少的，因此，使用 GNSS 模擬器是實現(xiàn)這種精度的關(guān)鍵。虹科Safran Skydel GNSS模擬器的強大之處在于它能夠在基帶中合成所有GNSS信號，這意味著同一頻段上的所有衛(wèi)星信號彼此之間可以完美同步。因此，雖然系統(tǒng)時序校準(zhǔn)在其他系統(tǒng)上是一項復(fù)雜且昂貴的操作，但在虹科Safran Skydel GNSS模擬器上卻是極其簡單的。