車愛霞

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BPL時號定時校準(zhǔn)原理和方法

車愛霞

（中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600）

為保證BPL長波授時時號（以國家授時中心（NTSC)保持的UTC（NTSC)為基準(zhǔn)）的準(zhǔn)確度，必須對該時號進(jìn)行定時校準(zhǔn)（確定發(fā)射時號與發(fā)播工作鐘同步時定時校準(zhǔn)信號的相位）。闡述了定時校準(zhǔn)的原理和方法。與傳統(tǒng)羅蘭-C系統(tǒng)校準(zhǔn)方法不同，該方法選擇發(fā)射天線電流取樣信號基準(zhǔn)過零點(diǎn)而非定時控制單元基本定時信號為定時校準(zhǔn)點(diǎn)，消除了因鎖相控制精度不足引起的誤差，提高了時號精度。該方法可以作為羅蘭-C授時系統(tǒng)的通用校準(zhǔn)方法。

BPL時號；定時校準(zhǔn)；時號改正數(shù)

BPL長波授時由中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）承擔(dān)，發(fā)射臺位于陜西省蒲城縣境內(nèi)。該長波授時系統(tǒng)始建于20世紀(jì)80年代初期，采用羅蘭-C脈沖發(fā)射體制，載頻100kHz，時間基準(zhǔn)為NTSC本部（位于臨潼）保持的協(xié)調(diào)世界時UTC（NTSC）。2006年，BPL長波授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造工程啟動。2009年元月，改造后的新系統(tǒng)開始試運(yùn)行。

改造后的BPL長波授時系統(tǒng)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)代替了電子管發(fā)射機(jī)；增加了數(shù)字調(diào)制發(fā)播功能，發(fā)播時碼和時號偏差等信息，實(shí)現(xiàn)了BPL自主授時；發(fā)播臺的工作鐘與UTC（NTSC）的遠(yuǎn)程比對由微波單向法變?yōu)槲⒉p向和GNSS共視法2種方式；發(fā)播工作鐘的控制由軟件自動完成，發(fā)播工作鐘與UTC（NTSC）之間的同步精度實(shí)際達(dá)到±15ns。這種情況下需要做好發(fā)射時號定時校準(zhǔn)工作，進(jìn)一步提高時號精度，并向用戶提供準(zhǔn)確的時號改正數(shù)。

1 BPL授時控制過程簡介

改造后新的BPL授時控制過程簡圖見圖1。

圖1 BPL授時過程簡圖

微波雙向和GNSS CV系統(tǒng)建成后，通過車載搬運(yùn)鐘完成了各自鏈路的時間比對校準(zhǔn)[1]。系統(tǒng)運(yùn)行中，以微波雙向鏈路為主、GNSS CV為備用鏈路，（PU）與（NTSC）的時間比對、（PU）相對于（NTSC）的鐘差和頻偏計(jì)算以及（PU）相位和頻率控制，均由軟件自動完成，從而保持（PU）與（NTSC）同步在規(guī)定范圍內(nèi)[2]。

定時控制設(shè)備以（PU）為參考，產(chǎn)生發(fā)射機(jī)的基本定時信號0和與0同步的觸發(fā)脈沖序列，觸發(fā)發(fā)射機(jī)主機(jī)產(chǎn)生載頻為100kHz的BPL脈沖序列，饋送給發(fā)射天線，輻射出BPL時號。在發(fā)射天線底部地回路用電流環(huán)耦合產(chǎn)生天線電流取樣信號，反饋給定時控制設(shè)備，由定時控制設(shè)備檢測該取樣信號基準(zhǔn)過零點(diǎn)相位（正相位編碼的發(fā)射天線電流脈沖中最接近30μs點(diǎn)的正向過零點(diǎn)或負(fù)相位編碼脈沖中最接近30μs點(diǎn)的負(fù)向過零點(diǎn)）[3-4]，通過鎖相環(huán)路使基準(zhǔn)過零點(diǎn)鎖定到0，以補(bǔ)償各種原因引起的發(fā)射通道延遲變化。0是與天線電流取樣信號基準(zhǔn)過零點(diǎn)同步的脈沖信號。

時差比對監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測0與（PU）的時差Δ，超差時自動報(bào)警，保證發(fā)射機(jī)輸出信號穩(wěn)定準(zhǔn)確。

根據(jù)時差比對監(jiān)測結(jié)果和鐘差計(jì)算結(jié)果，軟件自動計(jì)算時號改正數(shù)，然后系統(tǒng)通過對羅蘭-C脈沖進(jìn)行數(shù)字調(diào)制將實(shí)時計(jì)算的時號改正數(shù)播發(fā)給用戶[5]。

BPL授時系統(tǒng)各信號之間的時間關(guān)系如圖2所示。圖2中，a為發(fā)射天線饋電點(diǎn)電流信號脈沖起點(diǎn)，是BPL發(fā)射天線發(fā)射信號的時間參考點(diǎn)；=（NTSC）-a，即時號改正數(shù)；g為發(fā)射機(jī)輸出端電流信號脈沖起點(diǎn)；Δ1是信號從發(fā)射機(jī)輸出端傳遞到發(fā)射天線饋電點(diǎn)的時間延遲；a表示到達(dá)用戶接收天線處的電磁信號脈沖起點(diǎn)；r表示用戶接收機(jī)解調(diào)輸出信號脈沖起點(diǎn)；t表示時號從發(fā)射天線到接收天線處的傳播延遲；r表示包括接收天線、饋線和接收機(jī)在內(nèi)的接收系統(tǒng)延遲。

由于a對應(yīng)羅蘭-C脈沖起點(diǎn)，0起點(diǎn)對應(yīng)從發(fā)射機(jī)輸出端取樣后反饋到定時控制設(shè)備的羅蘭-C脈沖30μs處相位。Δ2包括天線電流信號取樣延遲、取樣信號反饋時延、相位檢測及0脈沖成形延遲，還有從脈沖起點(diǎn)到載頻第3周末的30μs延遲。在BPL發(fā)射臺，Δ2遠(yuǎn)大于Δ1，所以0滯后a。

圖2 BPL授時系統(tǒng)時間關(guān)系示意圖

注：雙箭頭線長度與實(shí)際時差沒有固定比例關(guān)系

由圖2可得

（NTSC）－r＝t＋r＋（1）

2 BPL時號定時校準(zhǔn)信號的選取

由于發(fā)射天線電流信號相位無法直接監(jiān)測，BPL發(fā)播臺必須選擇適當(dāng)?shù)男盘栕鳛槎〞r校準(zhǔn)信號。確定（PU）-a=0時定時校準(zhǔn)信號相位的過程就是時號定時校準(zhǔn)。

原BPL系統(tǒng)由兩部電子管發(fā)射機(jī)互為主備工作，定時控制設(shè)備也設(shè)一主一備，以基本定時信號0作為定時校準(zhǔn)信號。0相位不可調(diào)，0與（PU）保持固定相位關(guān)系。受鎖相控制精度影響，當(dāng)定時控制設(shè)備發(fā)生變化，更換發(fā)射機(jī)或更換器件、模塊等引起環(huán)路時延變化時時號相位會突跳，最大跳變近300 ns。只有調(diào)整（PU）相位才能予以修正，而這是系統(tǒng)不允許的。這使系統(tǒng)校準(zhǔn)精度和時號精度只能做到幾百納秒。

新的BPL系統(tǒng)同樣存在鎖相控制回路不能準(zhǔn)確補(bǔ)償發(fā)射通道時延變化的問題，若以0作為定時校準(zhǔn)信號，當(dāng)系統(tǒng)局部硬件變化時除非重新進(jìn)行時號定時校準(zhǔn)，否則不能保證時號準(zhǔn)確度。而系統(tǒng)局部硬件變化在運(yùn)行中是頻繁、隨機(jī)出現(xiàn)的，這給系統(tǒng)運(yùn)行帶來不便。

實(shí)際上，對羅蘭-C授時，系統(tǒng)建成后發(fā)射天線和饋管是相對穩(wěn)定的部分，圖2中的Δ1可以認(rèn)為是常數(shù)，那么天線地電流取樣信號的某個相位點(diǎn)作為定時校準(zhǔn)點(diǎn)是最為恰當(dāng)?shù)?。與原系統(tǒng)不同，改造后的BPL系統(tǒng)0相對于（PU）的相位可調(diào)，調(diào)整分辨率優(yōu)于10 ns，所以選擇脈沖信號0起點(diǎn)作為定時校準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)硬件變化時，通過調(diào)整0保證0相對于（PU）相位不變，天線電流信號相位就保持不變，BPL時號精度得到提高。

由圖2可知，（PU）-a=0時，（PU）-0=Δ0。時號定時校準(zhǔn)就是確定0相對于（PU）的相位即確定Δ0。Δ0稱為標(biāo)準(zhǔn)控制時差。

3 BPL時號定時校準(zhǔn)原理

由圖2可以看出

（NTSC）－0＝Δ0+（2）

（1）、（2）式相減得：

0－r＝t＋r-Δ0

即 Δ0＝t＋r－（0－r） （3）

可見，若已知BPL時號到某一接收點(diǎn)的t、該點(diǎn)接收系統(tǒng)時延r及其r與發(fā)播臺0的時差，可以確定發(fā)播臺標(biāo)準(zhǔn)控制時差Δ0，完成BPL時號定時校準(zhǔn)。對于這方面工作，國家授時中心臨潼本部設(shè)立的BPL監(jiān)測站是最為理想的選擇。

BPL發(fā)播臺自動監(jiān)測（（NTSC）-（PU））和（（PU）-0），BPL監(jiān)測站連續(xù)監(jiān)測（（NTSC）-r）值，因此易于得到（3）式中的（0-r）。由于季節(jié)、溫度、濕度、空間電磁環(huán)境等因素的變化，不同時間得到的（0－r）值可能不完全一致。時號定時校準(zhǔn)時應(yīng)取一定時間段內(nèi)的平均值，以提高時號校準(zhǔn)精度。

新的BPL系統(tǒng)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)，定時控制設(shè)備設(shè)置熱備份，天線電流取樣信號基準(zhǔn)過零點(diǎn)的備份檢測設(shè)備也輸出基準(zhǔn)過零點(diǎn)脈沖（與0相關(guān)），但不參與時號控制。這樣，當(dāng)天線電流取樣信號反饋回路或主用基準(zhǔn)過零點(diǎn)檢測設(shè)備發(fā)生變化時，可以參考備份基準(zhǔn)過零點(diǎn)脈沖相位確定時號相位變化量，修正相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)控制時差Δ0，大大簡化重新校準(zhǔn)過程。

電波傳播延遲t的測定較為復(fù)雜，國家授時中心根據(jù)電波傳播理論和實(shí)測取得了一個電波傳播延遲的數(shù)據(jù)庫，BPL定時校準(zhǔn)時可直接采用。

BPL定時接收系統(tǒng)時間延遲r的測定較為復(fù)雜，一般的接收機(jī)廠家在接收機(jī)出廠前會給出接收系統(tǒng)延遲值，但準(zhǔn)確度難以保證。在BPL定時校準(zhǔn)中，需準(zhǔn)確測定所用接收機(jī)的系統(tǒng)時延。

4 BPL時號改正數(shù)

實(shí)際運(yùn)行中，（PU）不可能隨時與（NTSC）嚴(yán)格同步，Δ也不可能總保持為Δ0，時號誤差在所難免。改造后的BPL系統(tǒng)除了通過授時電文播發(fā)實(shí)時時號改正數(shù)外，NTSC《時間頻率公報(bào)》表A事后刊發(fā)時號改正數(shù)。

由圖2不難看出，改造后的新系統(tǒng)的BPL時號改正數(shù)可用下式計(jì)算：

=（（NTSC）-（PU））+（（（PU）-0））-Δ0（4）

5 結(jié)語

為保證BPL發(fā)射時號準(zhǔn)確度，發(fā)播臺必須選擇適當(dāng)信號作為定時校準(zhǔn)信號并完成時號定時校準(zhǔn)。改造后的BPL授時系統(tǒng)選擇與天線電流取樣信號基準(zhǔn)過零點(diǎn)同步的脈沖信號0作為定時校準(zhǔn)信號，提高了時號精度。利用國家授時中心本部設(shè)立的BPL監(jiān)測站接收系統(tǒng)時間延遲測定結(jié)果和監(jiān)測接收數(shù)據(jù)、發(fā)播臺監(jiān)測數(shù)據(jù)、電波傳播延遲測定結(jié)果等可以完成BPL時號定時校準(zhǔn)。BPL授時發(fā)播臺連續(xù)監(jiān)測定時校準(zhǔn)信號相位，并實(shí)時計(jì)算時號改正數(shù)。時號改正數(shù)由授時電文播發(fā)給用戶，同時事后刊發(fā)于《時間頻率公報(bào)》表A。

[1] 車愛霞. 微波時間傳遞精度和時延分析[J]. 時間頻率學(xué)報(bào), 2009, 32(1): 12-17.

[2] 車愛霞, 段建文, 魏孝峰, 等. 升級改造后的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 時間頻率學(xué)報(bào), 2010, 33(2): 134-139.

[3] DC 20593-0001 (202) 267-0990 COMDTINST M16562.4A. Specification of the transmitted LORAN-C signal(S).

[4] GB/T14379—93. 羅蘭系統(tǒng)通用技術(shù)條件(S).

[5] 段建文, 王玉林. BPL時碼發(fā)播和自主授時方法[J]. 時間頻率學(xué)報(bào), 2008, 31(2): 98-103.

Principle and method for timing calibration of BPL time signal

CHE Ai-xia

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to guarantee the accuracy of BPL time signal, which is referred to UTC(NTSC) kept by the National Time Service Center(NTSC), it is necessary to calibrate the time signal, i.e., to determine the phase of timing calibration signal while the transmitted time signal is synchronized with the working clock for transmission. The principle and method for calibrating BPL time signal are demonstrated. Differing from the conventional calibration method, the standard zero crossing of the emission antenna current signal, instead of the basic timing signal of the timing control unit, is selected to calibrate the time signal in this method, so that the error caused by the deficiency of the accuracy of phase-locked control loop is eliminated and the precision of BPL time signal is improved. This method could be used as a general method for time signal calibration of Loran-C system.

BPL time signal; time calibration; correction to

P127.1

A

1674-0637(2011)01-0023-04

2010-09-07

中國科學(xué)院大科學(xué)裝置維修改造項(xiàng)目

車愛霞，女，研究員，主要從事時間頻率發(fā)播控制及相關(guān)技術(shù)研究。