高立 李文魁 陳永冰

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033)

羅蘭C系統(tǒng)采用100 kHz低頻波段，電波傳播具有繞射能力強、傳播距離遠、不易受干擾的優(yōu)點。影響羅蘭C定位誤差的因素包括：主副臺同步誤差、接收機測量誤差和電波傳播誤差。其中前兩項的數(shù)值均可控制在0.1 μs量級。由于海水表面的電波傳播時延可以準(zhǔn)確計算，因此電波傳播誤差實際就是由于電波在陸地上傳播而產(chǎn)生的時延，即二次相位因子ASF。大多數(shù)羅蘭C導(dǎo)航臺深入內(nèi)陸，ASF最大可達7微秒(對應(yīng)定位誤差2100 m)。ASF是目前制約羅蘭C定位和授時精度的主要因素[1]。

按羅蘭C測量參數(shù)為時差還是偽距，ASF可分為時差 ASF(TD-ASF)和到達時間ASF(TOA-ASF)。TD-ASF修正只能用于導(dǎo)航，而TOA-ASF修正可同時滿足長波導(dǎo)航和授時的需要。目前TOA-ASF修正是當(dāng)前和未來提高羅蘭C性能的核心工作。

1 測量原理

1.1 系統(tǒng)組成

如圖 1所示，TOA-ASF測量系統(tǒng)由授時型GPS接收機、羅蘭C接收機、計數(shù)器以及數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成。GPS用于提供當(dāng)前時間、位置以及與 UTC時間絕對同步的 1PPS 秒脈沖。其RS232C串口輸出NMEA 0183格式的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。羅蘭 C采用 SATEMATE1030接收機，有RS232C串口輸出和 1PPS/Timing輸出，羅蘭 C通過串口和計算機進行通信，通過PPS/Timing口用Timing輸出PCI信號傳給計數(shù)器。計數(shù)器通道1輸入GPS的PPS信號，通道2輸入羅蘭C的PCI信號，GPS信號開門，羅蘭C信號關(guān)門，計數(shù)器測量兩者的時間差。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.2 TOA-ASF測量原理

TOA-ASF測量的基本原理為GPS共視法。羅蘭 C信號的周期(PCI或 GRI)和 UTC秒信號(1pps)不是等周期信號，羅蘭 C信號的 CTR與UTC秒信號只在特定的秒上才是重合的，與羅蘭C信號 CTR 重合的 UTC秒為“符合時間(TOC)秒”。非TOC秒與其后續(xù)最近出現(xiàn)的CTR之間的間隔為非TOC秒偏差(UNTOC)[2]。

用時間間隔計數(shù)器測量GPS的1PPS與長波接收機PCI時間差，即總時延T。如圖2所示，總時延組成為：

圖2 時延修正示意圖

圖中：UNTOC為非 TOC秒偏差；TTX為發(fā)射臺同步誤差；ED為發(fā)射延遲；Tpr為電波傳播延遲；TRX為測量系統(tǒng)延遲；30 μs為接收機跟蹤第3周末跟蹤點的周期修正量。電波傳播延遲

其中，PF為一次相位因子，SF為二次相位因子。

由式(1)、(2)可得ASF計算式

上式中，UNTOC可查表或計算得到；TTX由發(fā)射臺實時監(jiān)測得到；發(fā)射延遲ED為已知固定值；接收系統(tǒng)延遲 TRX可實測得到；在已知測點位置的前提下，PF+SF值可準(zhǔn)確計算。

采用一個固定測試點和一個移動測試點同步測量[3]，固定測試點在距離發(fā)射臺附近(＜30 km)。T1和 T2分別為固定測試點和移動測試點測量的總時延，分別為：

對于固定測試點，其到羅蘭-C發(fā)射臺距離很近，SF1、ASF1可忽略。固定測試點和移動測試點以 GPS(1pps)作為基準(zhǔn)，則固定測試點和移動測試點的接收時差為△T= T2- T1。因此動點的ASF為

T2、T1、TRX2、TRX1可實測得到， PF1、PF2及PF2可分別計算得到。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 組成儀器及設(shè)置

2.1.1 M12MT授時型摩托羅拉GPS接收機

M12MT GPS接收機能同時鎖定12顆在線GPS衛(wèi)星，其定位精度為10 m(2σ)，授時精度為20 ns(6σ)。其輸出的位置和UTC時間及1 PPS作為羅蘭C TOA-ASF測量的參考基準(zhǔn)。

GPS串口輸出波特率采用默認值4800。選擇RMC格式數(shù)據(jù)，獲得GPS定位時間、經(jīng)緯度及航跡向、對地速度、定位狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

目前，沒有專家給“微時代”下一個準(zhǔn)確的概念，但有不少專家學(xué)者從各個不同的角度探討和研究了“微時代”。他們認為微時代是以移動互聯(lián)網(wǎng)為載體，依靠智能手機、平板電腦等便攜式移動終端為核心媒介，以微博、微信等應(yīng)用軟件為基本載體，以互動性、即時性、碎片化為主要特征，以做課件、做電影、做小說、做公益等為表現(xiàn)形式的新傳播時代。

2.1.2 Locus SateMate1030接收機

該接收機能同時接收多達 40個發(fā)射臺的信號，信噪比較傳統(tǒng)接收機至少提高了20 dB，保證了試驗數(shù)據(jù)的完備性。該接收機能輸出偽TOA、場強、信噪比、包周差、位置等參數(shù)。本實驗中兩臺Locus接收機分別采用電天線和磁天線，有利于比較電天線和磁天線的性能。

SateMate1030接收機采集數(shù)據(jù)前要設(shè)定通信協(xié)議，即B38400,8,n,1。需要輸出場強、包周差、信噪比等要輸入指令為“formate nav 1”。采用“pll臺站碼”命令對臺站信號進行鎖定。鎖定新的臺站前必須先對前一臺站解鎖，指令為 pll off。1PPS/Timing默認的輸出是PPS信號，需輸入指令加以控制，讓其選擇Timing輸出，對需要測量的臺站要指定，其指令為stp pci +發(fā)射臺，換臺時要先進行解除指定的臺站，其指令為stp off。

2.1.3 時間間隔計數(shù)器

試驗中采用Aglient 53131A測量電天線1030羅蘭C接收機 PCI與GPS 1PPS的時間間隔，采用SP3386計數(shù)器測量磁天線1030羅蘭C接收機 PCI與GPS 1PPS的時間間隔。

(1)Aglient 53131A。每次開始使用時先按下Recall鍵，計數(shù)器的 RS232C串口即可連續(xù)輸出測量數(shù)據(jù)。按Freq&Ratio鍵，檢查通道1的GPS 1pps的頻率是否為1 Hz，檢查通道2的1030 1 pps的頻率是否為100 kHz，否則調(diào)整DC。穩(wěn)定后按Time&Period鍵則可測量羅蘭C PCI相對GPS 1 pps的時間間隔。

(2)SP3386計數(shù)器。同上，調(diào)整通道1和通道2的頻率為1 Hz和100 kHz。按下時間/周期鍵測量時間間隔。與53131A不同，SP3386計數(shù)器無Recall鍵，默認狀態(tài)下串口不輸出數(shù)據(jù)，通過RS232串口向計數(shù)器發(fā)送連續(xù)測量指令，即“init:cont 1 ”即可。若計數(shù)器不響應(yīng)時，重新開機即可。

2.2 儀器標(biāo)定

2.2.1 GPS定位誤差/定時(1pps)標(biāo)定測量

1) 在已知位置(比GPS機定位精度高1個或半個量級)點上，同時將實驗用的2個GPS機進行定位測量，其絕對或相對定位誤差小于10 m。

2) 在任意可重復(fù)測量點，同時將 2臺 GPS進行定位測量，其相對定位誤差小于10 m。

3) 用時間間隔計數(shù)器比對GPS的1pps信號的前沿的相對偏差，單次測量1 min，不小于30次，統(tǒng)計測量結(jié)果用于精密改正不同接收機系統(tǒng)偏差。

2.2.2 羅蘭C接收機通道時間延遲比對測量

在上述測量GPS同時，用時間間隔計數(shù)器，比對測量帶有1 pps輸出的羅蘭C接收機1pps信號相對于GPS機1pps的時間間隔偏差；不同接收機在同一地點測量的數(shù)值會有所不同；單次測量一次1 min，不小于30次，統(tǒng)計測量結(jié)果用于精密改正不同羅蘭C接收機測量的系統(tǒng)差。

2.2.3 時間間隔計數(shù)器測量通道時間延遲比對測量

用兩個計數(shù)器分別測量同一GPS的1 pps，統(tǒng)計計數(shù)器測量誤差。單次測量 1 min，不小于30次。

2.3 測量軟件

測量系統(tǒng)軟件采用Borland C++ Builder5開發(fā)ASF采集處理數(shù)據(jù)庫軟件。主界面如圖3所示。該軟件同步完成數(shù)據(jù)采集和 ASF計算。該 ASF是包含了ASF、發(fā)射同步誤差及測量系統(tǒng)時延等在內(nèi)的時延量，這里稱作粗ASFC。在此基礎(chǔ)上，去掉發(fā)射同步誤差和測量系統(tǒng)時延，即可得到ASF。

按功能劃分，該軟件可劃分為：數(shù)據(jù)記錄處理模塊、ASFC計算模塊、ASFC數(shù)據(jù)庫模塊、實時串口數(shù)據(jù)顯示、均值和方差計算模塊。該系統(tǒng)具有以下功能：(1)實時讀取串口數(shù)據(jù)；(2)設(shè)置門限值，進行數(shù)據(jù)篩選；(3)計算臺對ASFC值，并寫入數(shù)據(jù)庫中；(4)可對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行修改和刪除；(5)數(shù)據(jù)庫可按經(jīng)度、緯度、ASF排序；(6)實時顯示串口數(shù)據(jù)；(7)對定點 ASF測量計算均值、方差等統(tǒng)計量；(8)實時顯示UTC時間、航跡向、對地速度等；(9)ASFC數(shù)據(jù)庫輸出TXT文檔。

圖3 TOA-ASF測量軟件主界面

4 試驗測量及其結(jié)論

采用該測量系統(tǒng)，項目組沿武漢-宣城-海鹽-舟山一線，進行了大量動態(tài)和靜態(tài) TOA-ASF車載測量試驗，測量宣城臺（8390M）信號，分別在武漢和宣城臺附近30 km處進行了標(biāo)定測量。在距海岸30 km海鹽開始測量，每隔5 km向海岸進行定點測量，在移動中進行車載動態(tài)測量，并且對杭州灣大橋和舟山群島進行測量，試驗中測得4萬組有效數(shù)據(jù)。在杭州灣大橋、杭州灣南岸和舟山群島海岸測量點位分布及其初步計算結(jié)果如圖4～6所示。

實測數(shù)據(jù)的初步處理表明，實測 TOA-ASF均在合理范圍內(nèi)(1～3 μs)，采用Millington方法進行理論預(yù)測和實測的TOA-ASF誤差小于20% s，說明該測量系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，能夠滿足ASF實測的需要。

[1]李文魁, 陳永冰, 周永余等. 基于 GPS的羅蘭 C附加二次相位因子修正算法[J]. 聲學(xué)與電子工程,2003(1):35 39.

[2]戴琰. 長河二號系統(tǒng)建立絕對時間同步的原理和方法. 2005年全國時間頻率學(xué)術(shù)交流會.2005,11.

[3]李海奇, 馬松濤, 王仕成. 羅蘭-C ASF修正方法研究[D]. 青島大學(xué)學(xué)報，2005(4):47-51.

圖4 杭州灣大橋測量點分布

圖5 杭州灣南部海岸測量點位分布

圖6 舟山群島海岸測量點位分布