何紹紅

(中國(guó)電波傳播研究所,山東青島266107)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,精確的時(shí)間同步需求越來(lái)越廣泛。目前,我國(guó)使用的時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備大多存在結(jié)構(gòu)龐大、使用不夠簡(jiǎn)便和遠(yuǎn)距離同步效果差等問題。利用全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)可進(jìn)行高精度全球授時(shí)。不同設(shè)備將各自GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信號(hào)修正成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,便可使不同設(shè)備之間的時(shí)間精確統(tǒng)一,其精度可達(dá)到幾十納秒。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,GPS接收機(jī)的集成度越來(lái)越高,價(jià)格越來(lái)越低。因此,GPS已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)式高精度衛(wèi)星授時(shí)手段。到2005年止,世界上使用GPS單信道C/A碼進(jìn)行授時(shí)的精度可達(dá)11.5 ns,使用多信道C/A碼進(jìn)行授時(shí)的精度可達(dá)5.7 ns,使用P碼進(jìn)行授時(shí)的精度可達(dá)2.7 ns,而使用P碼和載波相位聯(lián)合授時(shí)的精度則可以達(dá)到0.7～1 ns.GPS授時(shí)開始廣泛應(yīng)用于軍事、交通、通信、資源、管理等多個(gè)領(lǐng)域。

隨著科技發(fā)展和信息社會(huì)的到來(lái),電波環(huán)境觀測(cè)在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位與作用越來(lái)越重要,如何獲取更多更為豐富的電波環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù),為通信、廣播、導(dǎo)航、航空、航天等技術(shù)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從而直接為各類電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)作和性能提高提供保障,是電波環(huán)境觀測(cè)的重要任務(wù)。電波環(huán)境觀測(cè)涉及電離層、對(duì)流層以及外層空間等廣泛的領(lǐng)域。針對(duì)不同的觀測(cè)載體,現(xiàn)已有眾多的觀測(cè)手段,如電離層垂測(cè)儀、斜向探測(cè)儀、返回散射儀等。由于GPS在授時(shí)等方面的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電波環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域中[1-6]。

針對(duì)我國(guó)電波環(huán)境觀測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀,主要對(duì)電波環(huán)境中的電離層垂測(cè)和斜測(cè)中的GPS授時(shí)應(yīng)用進(jìn)行了敘述和總結(jié)。

1 GPS授時(shí)原理與方法

1.1 GPS授時(shí)原理

衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息,用戶接收到這些信息后,經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息等。GPS授時(shí)系統(tǒng)需要的只是時(shí)間信息,GPS的基本授時(shí)原理示意如圖1所示。

圖1 GPS基本授時(shí)原理示意圖

全球任何地點(diǎn)的GPS用戶通過(guò)GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào),獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。雖然GPS中的P碼較C/A碼精度高,但是僅對(duì)美國(guó)軍方和授權(quán)用戶開放,民用只能使用免費(fèi)的C/A碼。GPS要實(shí)時(shí)完成定位和授時(shí)功能,需要有4個(gè)參數(shù):經(jīng)度、緯度、高度以及用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差,所以需要接收4顆衛(wèi)星的信息來(lái)定位。若用戶已知自己的確切位置(即經(jīng)度、緯度和高度),那么,接收1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時(shí)[3]。

1.2 GPS授時(shí)方法

GPS授時(shí)(精密時(shí)間參數(shù)的傳送)是GPS的重要應(yīng)用之一。不同的用戶對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度要求不一,然而傳統(tǒng)的授時(shí)體制如衛(wèi)星單向定時(shí)法,衛(wèi)星雙向定時(shí)法、LASSO定時(shí)法、Shuttle定時(shí)法等,由于設(shè)備復(fù)雜,耗資巨大,往往難以滿足廣大系統(tǒng)用戶的需求。而利用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行時(shí)間傳遞時(shí),不僅可以獲得較高的定時(shí)精度,而且只需一臺(tái)能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收機(jī)即可進(jìn)行,為此GPS授時(shí)獲得了極其廣泛的應(yīng)用,例如在電波環(huán)境組網(wǎng)觀測(cè)中,利用GPS授時(shí)功能進(jìn)行時(shí)間同步具有非常重要的作用。

利用GPS進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間傳送時(shí),通常有以下兩種方法[2]:

1)一站單機(jī)定時(shí)法

在一個(gè)已知位置的測(cè)站上,用一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)觀測(cè)一顆GPS衛(wèi)星,從而確定用戶時(shí)間的偏差。

2)共視比對(duì)定時(shí)法

在兩個(gè)測(cè)站上各安裝一個(gè)GPS信號(hào)接收機(jī),在相同的時(shí)間內(nèi),觀測(cè)同一顆衛(wèi)星,從而獲得用戶時(shí)鐘的偏差。

當(dāng)同時(shí)觀測(cè)四顆或更多GPS衛(wèi)星時(shí),一站單機(jī)定時(shí)法可以在不知測(cè)站位置坐標(biāo)的情況下,測(cè)得用戶時(shí)鐘偏差和測(cè)站坐標(biāo),應(yīng)用較為廣泛。共視比對(duì)定時(shí)法通過(guò)差分消除衛(wèi)星鐘差,從而減小授時(shí)誤差影響,在GPS實(shí)施SA時(shí),具有重大的應(yīng)用價(jià)值,可達(dá)到±5 ns授時(shí)精度。

2 電離層垂直和斜向探測(cè)

在現(xiàn)有的地基電波環(huán)境測(cè)量手段中,垂直探測(cè)儀、斜向探測(cè)儀是電波環(huán)境觀測(cè)站網(wǎng)的常規(guī)電離層探測(cè)手段。

電離層垂直探測(cè)技術(shù)(簡(jiǎn)稱電離層垂測(cè))是電離層研究歷史中最早采用的探測(cè)方法,自1925年Breit和Tuve發(fā)明了電離層垂直探測(cè)裝置后,電離層垂直探測(cè)成為探測(cè)電離層最基本的手段,在電離層探測(cè)中一直發(fā)揮著重要作用。近年隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,脈沖編碼、脈沖壓縮、調(diào)頻連續(xù)波等技術(shù)已在電離層垂直探測(cè)中應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了探測(cè)技術(shù)的高度自動(dòng)化和數(shù)字化,大大提高探測(cè)的效率和精度。垂直探測(cè)儀依據(jù)天然輻射或人工發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波通過(guò)電離層傳播時(shí)與等離子體相互作用所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)或傳播特征,推算出電離層特性參量。垂直探測(cè)儀參數(shù)包括:電離層的空間層結(jié)構(gòu)(各層虛高:h′E、h′Es、h′F1、h′F2、)不同高度電離層電子濃度極值變化(各層臨界頻率:foE、FoES、foF1、foF2可以確定電離層電子濃度隨高度分布的剖面N(h)參數(shù)),電離層(虛)高度隨頻率變化情況、最低反射頻率 fmin,地球磁場(chǎng)磁活動(dòng)特性而產(chǎn)生雙折射性質(zhì)(尋常波和非常波)等。目前,世界上有近200個(gè)電離層垂測(cè)臺(tái)站在連續(xù)24小時(shí)不間斷的工作。

電離層斜向探測(cè)儀(簡(jiǎn)稱電離層斜測(cè))是研究電離層的基本工具之一,其工作原理如同多基地雷達(dá)一樣,整個(gè)系統(tǒng)收發(fā)異地,一發(fā)多收。電離層斜探測(cè)儀屬于接收設(shè)備,與測(cè)高儀一起組成完整的電離層探測(cè)系統(tǒng)。電離層斜向探測(cè)的主要目的是探測(cè)收發(fā)兩地間的通信頻段的變化。對(duì)于某一個(gè)探測(cè)鏈路,可以建立電離層垂測(cè)站并利用頻率外推的方式計(jì)算出兩地間的通信頻段。斜向探測(cè)電離圖記錄了接收信號(hào)的相對(duì)群時(shí)延(相對(duì)傳播時(shí)間)與頻率的關(guān)系,主要用于研究不同時(shí)間不同頻率的電離層傳播模式,以實(shí)時(shí)確定特定電路上可能存在傳播模式的頻率范圍及射線距離。斜向探測(cè)通常采用快速變頻方式工作

各種電波觀測(cè)手段共同組建了電波環(huán)境觀測(cè)的各種信息源,從而獲取電波環(huán)境的多維立體信息。

3 電離層垂測(cè)中的GPS授時(shí)應(yīng)用

現(xiàn)有的電離層垂測(cè)儀種類較多,但體制大致相同。本文以中國(guó)電波傳播研究所研制的TYC-1型電離層垂直儀為例,介紹電離層垂測(cè)儀中的GPS授時(shí)應(yīng)用。

T YC-1型電離層垂直探測(cè)儀(測(cè)高儀)采用脈沖編碼和數(shù)字直接頻率合成等技術(shù),具有發(fā)射功率小,控制靈活和工作可靠的特點(diǎn)。TYC-1型電離層探測(cè)儀(垂測(cè)儀)實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)短波脈沖雷達(dá),由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、頻率合成器、控制器和計(jì)算機(jī)組成。各分系統(tǒng)是在控制器的控制下同步工作的。

垂測(cè)儀電離層測(cè)量主要通過(guò)控制器控制合成器產(chǎn)生1～32 MHz連續(xù)變化的高頻信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖或相位編碼信號(hào)調(diào)制,由發(fā)射機(jī)放大后通過(guò)天線垂直向上輻射,由于電離層的反射作用,反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)接收天線進(jìn)入接收機(jī)進(jìn)行變頻放大等步驟,再送入信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后解出回波的時(shí)延、幅度、頻譜等信息獲得頻高圖,最終判讀后獲取電離層相關(guān)信息。

為實(shí)現(xiàn)垂測(cè)儀發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、濾波器系統(tǒng)的系統(tǒng)同步以及發(fā)射接收信號(hào)的相關(guān)處理和回波信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算,在電離層垂測(cè)儀中,必須加入必要的時(shí)間同步模塊。因此需要在垂測(cè)儀控制器模塊中加入GPS接收機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步。

控制器主要包括GPS接收機(jī)、PIC微控制器、頻率合成器、同步信號(hào)產(chǎn)生電路等部分,單片機(jī)通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)終端發(fā)來(lái)的各種探測(cè)命令,并產(chǎn)生多種控制時(shí)序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同步,運(yùn)行相應(yīng)的探測(cè)程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),控制對(duì)象包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、濾波器、系統(tǒng)。TYC-1型電離層垂測(cè)儀控制原理框圖如圖2所示。

圖2 電離層垂測(cè)儀控制原理框圖

GPS衛(wèi)星發(fā)送的L1波段信號(hào)由低剖面微帶天線接收,經(jīng)過(guò)一個(gè)窄帶濾波器后,由天線模塊內(nèi)的前置放大器放大信號(hào)。經(jīng)過(guò)濾波放大的L1波段信號(hào)通過(guò)一根同軸電纜被送至射頻信號(hào)處理電路。該同軸電纜同時(shí)也提供天線模塊進(jìn)行信號(hào)前置放大所需的5V電源。

接收器的射頻(RF)信號(hào)處理部分包括將天線接收的GPS信號(hào)進(jìn)行下變頻的電路。最后得到的中頻(IF)信號(hào)進(jìn)入接收器電路板上的8通道碼和載波相關(guān)器,在通道分配器前高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)已將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的中頻信號(hào)被送至數(shù)字信號(hào)處理器中(8通道碼相關(guān)和載波相關(guān)電路也包括在其中),然后信號(hào)被分解,進(jìn)入8個(gè)并行通道進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、碼相關(guān)、載波跟蹤和濾波。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)被同步送進(jìn)定位微處理器(MPU)單元,處理衛(wèi)星數(shù)據(jù),以進(jìn)行位置、速度和時(shí)間的計(jì)算。

電離層垂測(cè)儀控制與信息處理部分先將GPS接收機(jī)接收的信息進(jìn)行格式處理,用于工作程序設(shè)定時(shí)的依據(jù),在終端命令下,依照已定的探測(cè)模式(垂測(cè)、斜測(cè)等)、掃頻方式(對(duì)數(shù)、線性等)、工作方式(脈沖、編碼)、工作程序(1分、5分…30分等)進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算、設(shè)置,最后完成相應(yīng)的程序。

值得一提的是,早期的電離層垂測(cè)儀的時(shí)間同步主要采用人工標(biāo)定時(shí)間的方法,對(duì)于垂測(cè)儀的這類電波日常觀測(cè)設(shè)備而言,基本靠人工控制觀測(cè),非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且由于觀測(cè)人員的業(yè)務(wù)水平的不一致及人工對(duì)時(shí)校準(zhǔn)本身的缺陷,人工時(shí)間同步的精度最高僅為1秒左右,這直接影響了垂測(cè)觀測(cè)的時(shí)間一致性要求及斜測(cè)信號(hào)接收的同步。后期垂測(cè)儀通過(guò)采用加入晶振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)授時(shí),在一定程度上提高了授時(shí)精度和觀測(cè)自動(dòng)化程度;但是由于其授時(shí)精度與工作頻率、工作溫度等外在因素信賴性較強(qiáng),這也導(dǎo)致晶振授時(shí)穩(wěn)定性不高,需要定期的人為校對(duì)時(shí)間;所以晶振電路在授時(shí)精度上無(wú)法與GPS相比,這仍然在一定程度上會(huì)影響垂測(cè)觀測(cè)的時(shí)間一致性要求及斜測(cè)信號(hào)接收的同步精度,另一方面,定期校對(duì)晶振時(shí)間也無(wú)法做到完全的自動(dòng)觀測(cè)。

可以看出,GPS授時(shí)在電離層垂測(cè)儀中的作用是顯而易見的,它直接決定了儀器各模塊間的時(shí)間同步,從而保證了電離層測(cè)量系統(tǒng)的一致性和準(zhǔn)確性并消除了其它授時(shí)方法引入的誤差,如人工授時(shí)引入的測(cè)量誤差等。同時(shí),GPS授時(shí)也保證了電離層斜測(cè)對(duì)垂測(cè)儀發(fā)射信號(hào)的同步接收,這對(duì)于斜測(cè)儀區(qū)域電波環(huán)境組網(wǎng)觀測(cè)時(shí)必不可少的。

4 電離層斜測(cè)中的GPS授時(shí)應(yīng)用

電離層斜測(cè)的主要目的是探測(cè)收發(fā)兩地間的通信頻段的變化以獲取電離層變化信息。對(duì)于某一個(gè)探測(cè)鏈路,可以建立電離層垂測(cè)站并利用頻率外推的方式計(jì)算出兩地間的通信頻段。然而,垂測(cè)站的投資十分巨大,我國(guó)幅員遼闊,建立大量的垂測(cè)站是不可能的,所以利用斜向探測(cè)技術(shù)一發(fā)多收且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn),將電離層斜向探測(cè)設(shè)備放置在其可接收范圍內(nèi)任意地點(diǎn)接收其他垂測(cè)站的信號(hào),這樣既節(jié)約了觀測(cè)成本又達(dá)到了觀測(cè)目的。

電離層斜向探測(cè)儀由收、發(fā)分置的接收裝置和發(fā)射裝置組成,發(fā)射裝置包括一臺(tái)發(fā)射機(jī)(含激勵(lì)器和功率放大器等)和發(fā)射天線;接收裝置由一臺(tái)模擬接收機(jī)、接收天線、一臺(tái)信號(hào)處理機(jī)和一臺(tái)數(shù)據(jù)處理機(jī)組成。系統(tǒng)工作頻率范圍為5～28 MHz.圖3所示為斜向探測(cè)儀的探測(cè)原理圖。

圖3 斜向探測(cè)儀的探測(cè)原理

因探測(cè)發(fā)射源和接收點(diǎn)位于兩地,若使電離層斜探測(cè)儀接收到發(fā)射的每個(gè)頻率,必須做到收發(fā)兩地頻率同步和時(shí)間同步。電離層斜探測(cè)儀工作原理框圖如圖4所示。

圖4 電離層斜探測(cè)儀工作原理框圖

斜向探測(cè)儀需要的時(shí)間同步主要在同步數(shù)據(jù)采集單元中進(jìn)行。為保證各電離層斜測(cè)儀間的時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和精度要求,電離層斜探測(cè)儀采用GPS進(jìn)行授時(shí)。在斜向探測(cè)儀同步數(shù)據(jù)采集單元盒內(nèi)裝有GPS(OEM)板,OEM板通過(guò)單片機(jī)接口給用戶提供兩種數(shù)據(jù)格式的輸出,一種為二進(jìn)制格式輸出,一種為NMEA-0183格式的輸出[7]。GPS定時(shí)型OEM板為用戶提供了秒脈沖輸出,使用戶能夠用GPS進(jìn)行精確授時(shí)。秒脈沖是一電平訊號(hào),一般以方波形式輸出,高電平(也有較少數(shù)為低電平的)表示有秒脈沖輸出(其持續(xù)時(shí)間很短,一般在毫秒量級(jí)上且其上升沿對(duì)應(yīng)著—精確的UTC時(shí)刻,秒脈沖與UTC時(shí)刻的關(guān)系如圖5所示。因此,可用此電平信號(hào)的上升沿對(duì)其它設(shè)備(如單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等)進(jìn)行控制或觸發(fā),這樣,即可記錄下秒脈沖上升沿到來(lái)的準(zhǔn)確時(shí)刻,再?gòu)腛EM板接口傳輸獲取UTC時(shí)刻,經(jīng)計(jì)算處理即可求得設(shè)備精確鐘差,從而得到精確的UTC時(shí)刻,實(shí)現(xiàn)GPS的精確授時(shí)。

圖5 秒脈沖與UTC時(shí)刻關(guān)系圖

斜向探測(cè)儀后面板插座接GPS天線,以完成時(shí)間同步功能,同步指令為脈沖串,持續(xù)時(shí)間15秒,作為電離層探測(cè)信道掃頻的控制信號(hào),并與各電離層站測(cè)高儀掃頻控制信號(hào)同步,斜向探測(cè)儀時(shí)間同步精度優(yōu)于1 μ s。

5 結(jié) 論

電波環(huán)境觀測(cè)作為無(wú)線電信息系統(tǒng)支撐保障的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其觀測(cè)結(jié)果直接影響著各類無(wú)線電信息系統(tǒng)的性能。隨著近年來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,GPS在電波環(huán)境觀測(cè)中開始發(fā)揮重要的作用,GPS具有非常高的授時(shí)精度,且其使用簡(jiǎn)便,因此廣泛用于電離層垂測(cè)儀、斜向探測(cè)儀、返回散射儀等電波環(huán)境觀測(cè)設(shè)備的時(shí)間同步,保證了設(shè)備的數(shù)字化、自動(dòng)化和小型化,同時(shí)也對(duì)設(shè)備性能的提升具有不可忽視的作用。

未來(lái)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,除GPS系統(tǒng)外,未來(lái)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS如俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、我國(guó)的“北斗二代”等系統(tǒng)在不斷的更新和部署中。未來(lái)十年內(nèi),全球?qū)Ш叫l(wèi)星數(shù)目將到達(dá)100顆以上,這對(duì)于電波環(huán)境觀測(cè)而言將是一個(gè)巨大的契機(jī)和促進(jìn),電波環(huán)境觀測(cè)的時(shí)間、空間尺度有望進(jìn)一步拓展。深入挖掘GNSS在電波環(huán)境觀測(cè)中的應(yīng)用,提高GNSS在我國(guó)電波環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域中的作用,對(duì)于提升我國(guó)電波環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域的水平具有非常重要的意義。

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