​北斗授时设备1PPS定时准确度与定时稳定度：定义、意义与计量方法

北斗授时设备1PPS定时准确度与定时稳定度：定义、意义与计量方法

——西安同步电子科技有限公司 技术科普

关键词：北斗授时，对时，校时，授时

1 引言

在授时与时频同步领域，我们常被问到一个问题：一台授时设备的“准”和“稳”到底是不是一回事？答案是否定的。作为长期从事时间频率产品研发与生产的厂商，我们深知这两个指标决定了整套同步系统的根基。

1PPS（秒脉冲，1 Pulse Per Second）是授时设备每秒输出一个的同步脉冲，其上升沿标定整秒时刻。按 BD 110001 术语体系，它是“一种时间基准信号，每秒一个脉冲”。无论是北斗授时、NTP/PTP 网络对时，还是 IRIG-B 码、子母钟系统，整台设备的时间精度最终都体现在这个脉冲沿上。

定时准确度（定时偏差）指 1PPS 沿相对标准时刻的平均偏移量，回答“偏了多少”；定时稳定度指 1PPS 沿相对标准时刻的随机波动量，回答“抖不抖”。一句口诀：准确度看均值，稳定度看离散度。

举例：甲设备平均偏 +10 ns（准确度一般），但每次抖动仅 ±1 ns（稳定度极好）；乙设备平均偏差 0 ns（准确度好），但抖动 ±50 ns（稳定度差）。两者是正交的两个维度，选型与验收时必须同时考核。

2 定义与工程意义

2.1 定时准确度

JJF 1403—2013 给出直接定义：“接收机输出 1PPS 信号与标准 1PPS 信号的偏差”，即

δT = t1PPS(DUT) − t1PPS(REF)

式中 t1PPS(DUT)、t1PPS(REF) 分别为被测设备与参考时间频率源 1PPS 的到达时刻。

其工程意义在于：表征整套系统的绝对时间对齐能力，准确度差意味着系统内所有节点带上一个固定的整体时间偏移；在相参采集、多站协同、雷达、电力同步、通信基站等领域，这种系统性偏移会直接转化为同步误差，无法靠局部算法消除。需注意，固定电缆时延属于可标定补偿项，可通过修正扣除，不属于设备本身的准确度缺陷（见 BD 520002 公式中的 τ 修正项）。

2.2 定时稳定度

定时稳定度指 1PPS 时差序列剔除均值后的标准偏差（1σ），表征脉冲时刻的随机抖动，BD 520002 中称为“上升沿抖动”：

σ = √[ 1/(m−1) · Σ(Δi − Δ̄)² ]

其工程意义在于：表征 1PPS 输出是否平稳，稳定度差时脉冲沿忽快忽慢来回跳动，即使平均偏差很小也不可用。按观察时长又分短期稳定度（秒/分钟级，影响高速采集与相参测量）和长期稳定度（小时/天级，反映守时与驯服漂移）；高精度场景还用阿伦方差 σy(τ) 评估不同取样时间下的频率稳定度。

2.3 为何必须分开考核

表1  定时准确度与定时稳定度的区别

3 计量（检定/校准）方法

3.1 测试系统组成

按 BD 520002—2019 第 7.2 节，测试系统主要包括：1PPS 标准信号源（溯源至北斗时/UTC，要求电平 LVTTL/TTL、上升沿宽度（10%～90%）≤10 ns、上升沿抖动（1σ）≤0.1 ns、阻抗 50 Ω）；时间间隔计数器（时间间隔测量精度优于 ±150 ps，作为“秒表”测两路 1PPS 时差）；被测设备、数字示波器/频谱仪（测 1PPS 自身波形参数）与评估计算机。接线时，标准 1PPS 接计数器的开门通道（A），被测 1PPS 接关门通道（B），统一 50 Ω 阻抗、50% 幅度触发并选上升沿。

3.2 检定流程

按 BD 520002—2019 第 9.7 节，检定流程为：设备加电预热 5 min 后开始测试；按要求设置 RNSS、RDSS 单向或 RDSS 双向工作模式，输入内部时延（无线且位置保持模式下还需输入标定天线坐标，误差不大于 0.1 m）；以标准 1PPS 为开门、被测 1PPS 为关门，每 1 s 测量一次，连续测量 24 h（观测次数 m ≥ 86400），记录时差序列 Δi。

数据处理采用时刻比对分析法，核心公式如下：

定时偏差平均值（经延时修正）：

Δ = Δ̄ − τ1 − τ2 + τ3 + Δts，Δ̄ = (1/m) · ΣΔi

式中 τ1 为天线或接入电缆时延，τ2 为被测 1PPS 输出电缆时延，τ3 为标准源 1PPS 电缆时延，Δts 为标准源与标准时间的偏差。

定时稳定度（标准偏差）：

SΔ = √[ 1/(m−1) · Σ(Δi − Δ̄)² ]

定时总偏差：

Bγ = 2SΔ + |Δ|

环境控制方面，仿真检定条件为温度 20 ℃±5 ℃、相对湿度 20%～80%，且无影响正常工作的电磁干扰。

3.3 三种实星测试方式

表2  实星环境定时精度检定方式

3.4 测量不确定度

按 JJF 1403—2013，1PPS 定时准确度的合成不确定度主要来源（B 类为主，另有 A 类测量重复性）如下表：

表3  1PPS 定时准确度不确定度来源

合成不确定度示例为 20.1 ns，扩展不确定度 U(δT)=40.2 ns（k=2）。定时稳定度的不确定度来源与准确度相同，评定方法一致。

4 判定指标

按 BD 520002—2019 表 1，经主机延迟、天线延迟、电缆延迟修正后，1PPS 相对北斗时的定时精度要求如下：

表4  定时精度要求

同时 1PPS 信号自身应满足：上升沿宽度 ≤10 ns、脉冲宽度 20 μs±200 ns、上升沿抖动 ≤2 ns（1σ）、TTL/LVTTL 电平、阻抗 50 Ω。检定周期一般为 1 年（维修后随时送检）。

5 常见影响因素与规避

（1）电缆时延——最大固定误差源，必须实测并修正（τ1、τ2、τ3、τ4）；

（2）设备内部电路固有延迟——通过输入内部时延补偿；

（3）电源噪声、电磁干扰——恶化稳定度（增大抖动）；

（4）温度变化——晶振温漂，影响长时间稳定度；

（5）GNSS 多径、遮挡、信号强度变化——带来时差缓慢漂移。

6 适用规范清单

本文编写所依据的规范文件如下：

（1）BD 520002—2019《北斗定时型用户设备检定规程》——术语、指标、检定方法直接依据；

（2）JJF 1403—2013《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范》——1PPS 定时准确度与稳定度定义、不确定度评定；

（3）BD 420006—2015《北斗/全球导航卫星系统(GNSS)定时单元性能要求及测试方法》——定时单元层面要求；

（4）BD 110001—2015《北斗卫星导航术语》。

上述规范原文及公司信息的权威来源链接如下：

BD 520002—2019 北斗定时型用户设备检定规程（北斗卫星导航系统官网）

JJF 1403—2013 GNSS接收机(时间测量型)校准规范

BD 420006—2015 北斗/GNSS定时单元性能要求及测试方法（北斗卫星导航系统官网）

西安同步电子科技有限公司官网

7 总结

定时准确度等于 1PPS 相对标准时刻的平均偏移，保证“时间对得准”；计量上取时差序列均值并经延时修正，判定按工作模式 ≤50 ns（单向）/≤10 ns（双向）。

定时稳定度等于 1PPS 的随机抖动，保证“时间稳得住”；计量上取时差序列标准偏差（1σ），高精度场景辅以阿伦方差。

核心计量手段为：时间间隔计数器两路比对、每 1 s 采样、连续 24 h、扣除全部电缆时延，并完成测量不确定度评定。

8 关于西安同步电子科技有限公司

西安同步电子科技有限公司成立于 2012 年，坐落于陕西省西安市高新技术产业开发区，是一家集研发、生产、销售、服务为一体的综合性高新技术企业，专注电子测量仪器与时间频率产品的研发生产，为顾客提供端到端一站式电子测量系统和时频同步系统解决方案。公司通过 ISO9001（国军标）质量管理体系认证，打造自主品牌“同步天下”，产品覆盖 NTP 时间同步服务器、时频测试仪器、频率计数器、子母钟系统、时统设备、授时卡、GNSS 模拟器、时间频率标准等。有关 1PPS 定时准确度、定时稳定度及授时设备选型、验收与计量服务，欢迎咨询。

本文依据 BD 520002—2019、JJF 1403—2013 等公开规范编写，供技术交流参考。