关于卫星模拟器在电力时间同步系统检测中应用的研究

作者：张毅

     卫星模拟器可以模拟输出不同环境、不同地理位置下的卫星信号，原则上可以代替真实的卫星信号。采用理论分析方法，分别以不同的时间同步输出信号（1PPS秒脉冲、B码以及PTP精确时问报文）作为基准．探究卫星模拟器能否代替卫星接收机完成电力系统中时间同步系统的检测。

1  卫星接收机

  卫星接收机是接收卫星信号的仪器，通过对卫星信号的捕获和解调，获取本地位置信息和时间信息。解调后的卫星信号被广泛应用于各个领域。

  卫星接收机可以分为动态接收机、静态接收机2类。动态接收机架设在移动载体上，例如汽车导航、飞机导航等。静态接收机主要应用于实验室环境中．在楼顶或者信号干扰小的空旷地带架设接收设备，再将接收到的卫星信号放大后通过馈线传输到实验室相关仪器设备上。卫星接收天线的系统组成如图1所示。

2卫星模拟器

  卫星模拟器是利用仿真软件模拟出卫星信号的仪器，主要由2部分组成：软件仿真主控机和数宁信号发生器，如图2所示。

  软件仿真主控机是利用外接PC机和仿真软件来仿真模拟卫星信号的各个参数，根据用户的需求来设定卫星信号的时间、仿真坐标、电离层延迟、载体的运动状态参数以及干扰类型等。用户设定好所需卫星信号参数后，仿真软件建立模型．输出模拟卫星信号，并将信号的导航电文参数和修正值发送给数字信号发生器。

  数字信号发生器接收到上述模拟卫星信号的参数后进行扩频处理、加人多普勒效应，模拟出真实环境下的数字中频信号和数字基带信号。

  3卫星接收机与卫星模拟器的比较

  卫星模拟器从空问卫星至轨道链路再到用户接收3个方面对卫星信号接收的整个工作过程进仿真，甚至考虑了地球自转和多普勒效应等。

  卫星模拟器相比于卫星接收机在实验测试中仍具有明显的优势：

  (1)可复现测试。研究人员可在不变的测试条件下反复进行实验，提高测量结果的精度。

  (2)精度测试。模拟器可调整卫星信号的功率等各个参数以满足不同的实验需求。

  (3)场景定制。可根据实验需求模拟不同的天气环境、大气层参数等。

  轨道上的卫星内置精度为10-13的高精度时间基准，发射出的卫星信号具有很高的时间质量等级。卫星模拟器本身也有一个晶体钟，时间精度为10-9．虽劣于真实信号的时间精度，但仍可满足大部分实验检测需求。若需要更高精度的时间基准，可为模拟器配置一个具有高精度频率输出功能的外时钟参考源。

  4卫星模拟器与卫星接收机对电力系统设备时间同步检测的比较在电力系统中．对设备时间同步性能的检测方法如图3所示。

  卫星接收机与被测设备和实验仪表之间通过馈线连接以传送卫星信号，被测设备与实验仪表之间采用光纤或网线连接来传递不同类型的时间同步输出信号（1秒脉冲1PPS、B码（时间信息）以及精确时间协议PTP)．被测设备与实验仪表被来自同源的卫星信号授时后达到相同的时间基准，实验仪表接收到被测设备发出的时间同步输出信号并与自身锁定到卫星的基准作对比，两信号的时间差即为被测设备的时问准确度。

  本文将分别以卫星模拟器和卫星接收机发出的GPS信号作为时间参考基准，同时分别以1PPS、B码以及PTP作为时间同步输出信号来检测设备的同步性能，从而探究卫星模拟器能否代替卫星接收机完成对电力系统中时间同步系统的检测。

4.1  以卫星接收机作为时间基准

  以卫星接收机接收到的GPS信号为基准的实验原理如图3所示．分别以不同的时间同步输出信号来检测设备的时间同步性能。

4.1.1  1PPS

  1PPS信号，即秒脉冲信号，不包含时刻信息，信号的上升沿代表了每秒开始的准确时间。一般用于测试，精度在100 ns。被测设备与实验仪表间采用光纤传输1PPS信号。

  基于以上实验方案．以接收机接收到的真实GPS信号为统一时间基准测量2路1PPS信号的差值。测试时间12 h，采样点43 200个，得出平均误差为81.30 ns。部分采样点的差值如图4所示。

  为了确保结果的准确性．在相同条件下进行3组实验，求出3组测试结果的平均值：在以真实GPS信号为基准、1PPS为时间同步输出信号的条件下，平均误差为81.68 ns。

4.1.2 B码

  被测设备与实验仪表问采用光纤传输B码信号。B码传输距离远，时问精度可达到几十纳秒。

  与1PPS类似．以接收机接收到的真实GPS信号为统一时问基准测量两路B码信号的差值。测试时间12 h，采样点43 200个．得出平均误差为77.66 ns。部分采样点的差值如图5所示。

  3次实验取平均值，得出结果：在以真实GPS信号为基准、B码为时间同步输出信号的实验条件下，平均误差为77.86 ns。

4.1.3  PTP

  PTP信号利用数据网络传递时问同步信息，精度比较高。被测设备与实验仪表之间用网线来传输PTP信号。

  与以上2组实验类似，以真实GPS信号为统一时间基准测量2路PTP信号的差值，相同的测试时间条件下，得出平均误差为133.56 ns。部分采样点的差值如图6所示。

  3次实验取平均结果得出结论：在以真实GPS信号为基准、PTP为时间同步输出信号的实验条件下，平均误差为134.50 ns。

4.2  以卫星模拟器作为时间基准

  与使用卫星接收机作为基准源进行测试的原理相同．将卫星模拟器代替卫星接收机重复实验过程。按照以卫星接收机为基准源的相同实验方法分别测量3种时间同步输出信号下的实验结果，最终结果如表1所示。

4.3  实验结果分析

  不同同步基准信号类型中，以真实GPS信号和模拟GPS信号为基准的实验结果可归纳为表2。

  在电力系统时间同步系统的规范中规定以1PPS或者B码作为时间同步输出信号并用光纤传输时，同步节点时钟的时间精度应优于1 μS；电力系统常用被授时没备时间精度要求最高为1μs。

  通过实验结果可以分析出i7J：以真实GPS信号作为时间基准时，被测电力主时钟的时问精度为80～130  ns：在相同的时间同步输出信号条件下．以模拟GPS信号为基准的时间精度比真实GPS信号为基准的时问精度小15 ns。模拟GPS信号条件下不同的时问同步输出信号的测试结果相对于以真实GPS信号为基准的测试结果误差比率为11%～18%。因此，在实验环境中可以选择性的使用卫星模拟器代替接收机来进行测试。在相对测量实验中，可直接用卫星模拟器对各类被测设备授时：在绝对测量实验中，对于精度要求不高的被测设备．可统一采用卫星模拟器来进行检测；而对于精度要求高的被测设备，建议考虑卫星模拟器引入的误差，对测试结果进行修正。

5结语

文章分别以1PPS.B码和PTP 3种时间同步输出信号为基准，通过比较卫星接收机与卫星模拟器在电力时间同步系统检测中的实验结果得出结论：电力系统时间同步检测中，在考虑到卫星模拟器带来的误差范围的前提下，卫星模拟器可以代替卫星接收机完成实验检测。

6摘要：在实验室环境中创造真实的卫星接收条件存在很多困难，卫星模拟器可以代替卫星接收机模拟出卫星信号。从理论上分析了卫星模拟器代替卫星接收机进行实验检测的优势，分别以不同的时间同步输出信号为基准．测试比对卫星接收机与卫星模拟器在电力时间同步系统检测中的时间精度，二者差值为10~15 ns，实验结果表明电力系统时问同步检测中，在考虑卫星模拟器带来误差的前提下，卫星模拟器可以代替卫星接收机完成实验检测，