CDMA网络辅助北斗定位时钟同步的可行性

　　1 研究背景

　　北斗导航系统是我国独立发展的拥有完全自主知识产权的全球卫星导航系统，截至 2012年10月25日，北斗卫星导航系统已成功发射16颗卫星[1]，并于2012年底组网运行，形成区域服务能力，与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟伽利略定位系统被认为是全球四大卫星导航系统。为加快推进北斗卫星导航系统的应用与产业化，增强我国导航与位置服务产业自主创新能力，国家制定了《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》，其中明确提到“以北斗为核心的多系统兼容互用、室内外协同实时精密定位”[2]的关键技术突破。

　　辅助定位技术是通过移动终端和移动通信网络为卫星定位提供必要的辅助信息，以提高卫星定位终端定位的速度、灵敏度和定位精度等。辅助定位技术已广泛应用于GPS定位系统，被称作AGPS(Assisted Global Positioning System)。目前基于北斗定位导航系统的辅助定位技术暂时处于空白，从技术发展的角度看，利用辅助定位技术提高北斗定位的速度和精度是未来北斗定位系统的发展趋势和重要研究方向，而时钟同步是实现辅助北斗定位的关键，也是CDMA网络辅助北斗定位的技术难点之一。

　　2 时钟同步定义

　　时钟同步是数字通信系统的基础，时钟同步不良容易导致信息传递出现误码、滑码等问题，对于任何通信设备和系统而言，都需要提供一个精准的同步时钟，以保障其正常运作。北斗辅助定位终端涉及接收机时钟、北斗时钟、北斗卫星钟、基带时钟和CDMA基站时钟，若没有处理好各时钟的同步问题，必然引起辅助北斗定位的精度变差，甚至无效。因此，北斗辅助定位终端的时钟同步是实现CDMA网络辅助北斗定位的第一步。

　　3 北斗卫星时钟同步

　　北斗卫星导航系统的时间基准是北斗时(BDT)，采用国际单位制(SI)“秒(s)”为基本单位连续累计，而北斗辅助定位终端的时间基准是本地时间UTC，两者时钟不同步存在钟差，因此，必须先使北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时实现同步。

　　北斗辅助定位终端接收机由于成本因素，无法配备高精度的原子钟，一般配备了石英钟，石英钟的晶体振荡器连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器对这些脉冲进行累计得到时间值，这些时间值就作为辅助定位终端接收机的基准时间，由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、电容、电平以及晶体老化等多种不稳定因素的影响，终端接收机的时间基准不可避免地存在误差。目前，石英钟日频率稳定度约为10-11，假设终端接收机时钟与北斗卫星钟之间的同步钟差为1微秒(s)，则由于时钟偏差引起的定位等效距离误差约为300m(m)。

　　为有效解决北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗卫星时钟异步的问题，将终端接收机时钟的钟差作为未知数与终端位置参数共同求解，假设北斗辅助定位终端接收机同时接收到至少4颗卫星信号，利用最小二乘法解算终端位置和钟差参数：

　　(1)

　　式中为终端位置;为卫星位置;为终端接收机时钟与北斗卫星时钟的偏差;c为光速2.99792458×108m/s;为终端对卫星j的伪距。

　　得到终端接收机时钟与北斗卫星时钟的钟差后，北斗辅助定位终端接收机从导航电文中解调出A0UTC(BDT相对于UTC的钟差)和A1UTC(BDT相对于UTC的钟速)，根据、A0UTC和A1UTC实现北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗卫星时钟的同步。

　　然而，北斗卫星时钟并不是北斗时钟，尽管北斗卫星配备了高精度的原子钟，日频率稳定度约为10-13，卫星钟与北斗时钟的钟差为纳秒级(s)，等效距离误差为0.3m，但随着卫星的不断运行，卫星钟与北斗时的钟差不断增大，带来的距离误差也越大。

　　为了修正北斗卫星钟的钟差，北斗辅助定位终端接收机从北斗导航电文中解调出钟差参数，并计算在定位时刻卫星钟的钟差△tsv，用△tsv去修正北斗卫星钟的时钟偏差，从而确保北斗卫星钟与北斗时的同步，公式如下：

　　(2)

　　(3)

　　式中，为卫星钟钟差，为卫星钟钟速，为卫星钟的钟速变化率，tsv为参考历元，由北斗辅助定位终端接收机伪码跟踪环锁定得到，F为常数，e、和分别是卫星轨道偏心率、卫星轨道长半轴的开方和卫星轨道偏近点角。

　　北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时钟同步后，可以输出秒脉冲信号1PPS，用于精确授时。秒脉冲是一个以方波形式输出的电平信号，北斗辅助定位终端接收机输出1PPS的上升沿时刻与北斗时钟的偏差通常少于1纳秒，1PPS是终端接收机测量时刻的稳定信号，但并不包含绝对的时间信息，还需要通过其他输出语句获得。至此，北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时钟实现了同步，利用秒脉冲1PPS将时钟信息输出，终端可利用接收机时钟信息实现与北斗时钟的同步。

　　4 CDMA基带时钟同步

　　CDMA网络中所有基站都以GPS作为系统时钟基准(以CDMA2000网络为例说明)，北斗辅助定位终端通过接收/解调前向链路信号中的导频信道和同步信道，获取定时和同步信息，从而与CDMA系统时钟保持同步。

　　北斗辅助定位终端基带的时钟同步分为两步，一是导频信道的捕获，二是同步信道的解调。

　　每个基站在导频信道上不断发射导频信号，导频信号是全零数据，码长为32 768(215)chip/s，码片速率为1.2288Mchip/s，信号周期为26.66毫秒(1.2288M/215=26.66)。在同一基站中，各信道都具有相同的序列初相位，即时间偏置指数，基站利用导频PN序列的时间偏置指数来标识每个前向CDMA信道，在IS-95中，时间偏置指数有512个(215/64=512)。导频信道的捕获主要是短码相位的捕获，北斗辅助定位终端不断搜索可用的相位，当本地PN码发生器发射的扩频码与搜索到的扩频信号PN码的相位差在一定范围内，采用锁相环技术来进行扩频信号的跟踪，直至本地PN码发生器和扩频信号PN码相位完全同步，此时导频信道的捕获完成。

　　北斗辅助定位终端一旦完成导频信道的捕获，同步信道的同步也完成，基站开始以80毫秒同步信道超帧为单位发送定时和同步信息，同步信道超帧包含一个完整的同步信道消息，由3个同步信道数据帧构成，每个同步信道数据帧与PN码周期相同，为26.66毫秒。同步信道发送前经过卷积编码、码符号重复、交织、扩频调制等步骤。北斗辅助定位终端解调同步信道的消息，获取对时间同步有用的定时信息。同步信道传输的信息如表1 所示：

　　表1 同步信道传输的信息

　　字段 含义

　　P_REV 协议版本

　　MIN_P_REV 最小协议版本

　　SID 系统标识

　　NID 网络标识

　　PILOT_PN 时间偏置指数

　　LC_STATE 长码状态

　　SYS_TIME 系统时间

　　LP_SEC GPS时间与本地时钟累计误差，以秒为单位

　　LTM_OFF 本地时间距系统时间的偏移，单位为30分钟

　　DAYLT 是否启用夏时制

　　P_RAT 寻呼信道速率

　　北斗辅助定位终端根据所解调同步信息中的PILOT_PN、LC_STATE和SYS_TIME计算自身的系统时间，实现与CDMA系统的同步：

　　[3] (4)

　　公式(4)中：为CDMA网络的起始时间1980年6月6日00：00：00。

　　5 北斗辅助定位终端的时钟同步

　　北斗辅助定位终端既实现了与北斗时钟的同步，也实现了与CDMA网络时间的同步，而CDMA网络与GPS保持时钟同步，也就是说，北斗辅助定位终端还需要解决北斗时钟与GPS时钟的异步问题。

　　目前科学上有2种时间计量系统：世界时UT系统和原子时AT系统，世界时是以地球自转为基础的时间系统，由于地球自转速度不均，自转轴存在极移，世界时的时间稳定性弱，而原子时是基于原子震荡周期，时间稳定性高。随着时间的迁移，世界时和原子时的偏差越来越大，为避免两者偏差过大，从1972年开始采用以原子时秒长为基础，在时刻上尽量逼近世界时的协调时间时(UTC)作为时间基准，UTC采用闰秒(或跳秒)方式，当UTC与世界时的时刻偏差超过±0.9s时，在UTC引入1闰秒[4]，闰秒的发布和维护由国际地球自转服务机构(IERS)负责。

　　GPS时钟基准为GPST，属于原子时，溯源于美国海军天文台(USNO)的协调时间时UTC(USNO)，与国际UTC的偏差均方根约为2纳秒[5]，起始历元为1980年1月6日(UTC)00时00分00秒，根据IERS的官方公布，截止到2012年6月30日23时59分60秒，国际原子时TAI与UTC时的偏差为35s[6]，即，又GPST与TAI之间存在常数差，即，因此有

　　(5)

　　而北斗时钟基准为BDT，溯源于我国科学院国家授时中心的协调时间时UTC(NTSC)，与国际UTC偏差保持在100纳秒以内，起始历元为2006年1月1日(UTC)00时00分00秒，不闰秒，北斗时与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报，目前，北斗时与UTC的偏差大约为2s，即。

　　假设GPS和BDT时的偏差为，有

　　(6)

　　可知，目前GPS时与北斗时的偏差是常数14s，随着跳秒的增加而增大，北斗辅助定位终端可利用该常数实现北斗时钟与GPS时钟的同步。

　　6 结束语

　　2013年12月，中国卫星导航系统管理办公室更新了北斗卫星导航系统公开服务信号北斗空间信号接口控制文件2.2版(ICD)[7]，为手机终端芯片厂家研发辅助北斗定位提供了重要技术支撑，未来将有越来越多北斗终端手机面世，对辅助北斗定位的需求也将会与日俱增。本文重点研究了CDMA网络辅助北斗定位的时钟同步，对运营商研究和开发辅助北斗定位系统提供了理论基础，对未来辅助北斗定位领域也有一定的促进作用。

　　参考文献：

　　[1] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统发展报告(2.2版)[EB/OL]. (2014-09-30)[2014-07-23]. http：//?id=382.

　　[2] 中华人民共和国科学技术部. 科技部关于印发导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划的通知[EB/OL]. (2012-09-18)[2014-07-23]. http：//.

　　[3] 王剑，凌翔. IS95/cdma2000授时提取模块的设计[J]. 电子设计， 2009(7)： 249-251.

　　[4] 百度百科. 闰秒[EB/OL]. [2014-07-30]. http：//?fr=aladdin.

　　[5] 中国科学院国家授时中心. 北京时间的性能[EB/OL]. [2014-07-30]. http：//.

　　[6] Centre IEO. Announcement of leap seconds in UTC and information on UTC-TAI[EB/OL]. [2014-7-30]. http：//y.

　　[7] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.0版)[EB/OL]. (2013-12-27)[2014-7-23].