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。要正確執行此操作，必須首先校準GNSS接收器和從天線到接收器的RF設置。

精確測量GNSS接收器的1-PPS信號的精度可能具有挑戰性，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）和不可預測性都給制造商或用戶使用這些信號校準設備帶來了阻礙。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過良好校準的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并再現確定性和重復性信號，還可以提供1-PPS信號，用作被測設備（DUT）的參考。

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

虹科Safran軟件定義GNSS模擬器的主要優勢之一是它能夠利用GPU的強大功能以數字方式生成基帶中的每個衛星信號（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頻段校準一次，并且同一載波上每個衛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計為與外部參考時鐘同步，并且可以輕松地同步無限數量的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置（RF 電纜、LNA、功分器等）準確校準模擬器。

時序配置

GPSDO參考時鐘

使用虹科Skydel GNSS模擬器校準定時接收器的最簡單方法是設置一個基本配置，該配置使用內部配備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輸出設置中選擇外部作為參考時鐘。在 Global→ Synchronize simulators設置中，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。

校準程序

配置設置

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行此校準。

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衛星信號，并觀察調制代碼的最后一個碼片和第一個碼片之間的轉換。由于Skydel 模擬器的特殊設計，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將為每顆衛星模擬零延遲的偽距，使其能夠準確地將C/A代碼與1 PPS信號對齊。

在GPS→Message Modification→NAV選項卡中，在衛星#10上添加新的消息修正。將所有子幀和字上的每個位設置為0（包括奇偶校驗位）。通過此修改，會在調制代碼結束時（每毫秒）有一個0/1碼片轉換。

在GPS→Signals中，取消選擇除PRN 10之外的所有衛星信號的RF信號（PRN10在Skydel的默認配置中是可見的，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。

運行仿真并調整示波器來同時顯示1 PPS信號和RF信號。現在可以準確地測量1 PPS的上升沿與RF信號的相位反轉之間的延遲，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。

結論

GNSS已被證明是定位和導航不可或缺的系統，它對于許多計時應用（如銀行或能源生產和傳輸）也至關重要。對于這些類型的應用，定時接收器的準確性是必不可少的，因此，使用 GNSS 模擬器是實現這種精度的關鍵。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星信號彼此之間可以完美同步。因此，雖然系統時序校準在其他系統上是一項復雜且昂貴的操作，但在虹科Safran Skydel GNSS模擬器上卻是極其簡單的。