蒙智謀，車愛霞，雷渝，余力君，謝亮，金泉，王虎

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升級改造后的BPM授時發(fā)播系統(tǒng)

蒙智謀，車愛霞，雷渝，余力君，謝亮，金泉，王虎

（中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600）

為提高BPM短波授時信號質(zhì)量，更好地完成短波授時任務(wù)，國家授時中心對BPM短波授時發(fā)播系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造。介紹了升級改造后的BPM短波授時發(fā)播系統(tǒng)的組成，工作原理。經(jīng)近一年的運(yùn)行，測試數(shù)據(jù)表明，BPM短波發(fā)播系統(tǒng)的改造升級大大提升了系統(tǒng)性能。

BPM授時；升級改造；發(fā)播

0 引言

短波授時是利用短波發(fā)射機(jī)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)時間信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的一種授時手段。用戶通過短波無線電接收機(jī)接收授時臺發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時號，完成本地定時校頻。短波授時系統(tǒng)成本較低并且便于維護(hù)，能夠滿足大多數(shù)時間頻率用戶的應(yīng)用要求。另外，短波授時具有覆蓋范圍廣，用戶接收設(shè)備簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。

BPM短波授時系統(tǒng)經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，承擔(dān)國家短波授時任務(wù)[1]。自建成以來，BPM短波授時系統(tǒng)為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)發(fā)揮了重要作用。經(jīng)多年長期運(yùn)行，原發(fā)射機(jī)設(shè)備變陳舊、器件老化、維護(hù)困難，為提高系統(tǒng)可靠性和授時發(fā)播信號質(zhì)量，國家授時中心在中國科學(xué)院專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，從2012年開始，對短波授時系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。目前，已經(jīng)完成了短波發(fā)播系統(tǒng)的核心部分（3部發(fā)射機(jī)）的升級改造。

1 BPM 授時系統(tǒng)組成

BPM短波授時系統(tǒng)由UTC（NTSC）時間基準(zhǔn)保持（守時）系統(tǒng)、時間基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)、時頻監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射控制設(shè)備、發(fā)射機(jī)、天線交換開關(guān)、發(fā)射天線和監(jiān)測設(shè)備組成[2]。整體組成框圖如圖1所示。

圖1 BPM短波授時系統(tǒng)

UTC（NTSC）時間保持（守時）系統(tǒng)位于陜西臨潼，時頻監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)位于陜西蒲城。時頻監(jiān)控系統(tǒng)保持發(fā)播系統(tǒng)的時頻基準(zhǔn)并產(chǎn)生規(guī)定格式的BPM時號，送給發(fā)射系統(tǒng)；同時通過短波接收機(jī)接收BPM時號，閉環(huán)監(jiān)測時號準(zhǔn)確度。基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)完成UTC（NTSC）守時系統(tǒng)與時頻監(jiān)控系統(tǒng)間時間信號和數(shù)據(jù)的傳遞，確保發(fā)播工作鐘與UTC（NTSC）保持同步。

發(fā)射控制設(shè)備對時頻監(jiān)控室送來的標(biāo)準(zhǔn)時頻信號進(jìn)行放大、匹配后送往各個發(fā)射機(jī)。

BPM臺共有發(fā)射機(jī)7部，其中10kW發(fā)射機(jī)5部（其中3部是升級改造后的全固態(tài)發(fā)射機(jī)，2013年11月28日通過驗(yàn)收），可工作在5，10 MHz和15MHz中任一載波頻率上；1.5kW發(fā)射機(jī)2部，工作頻率為2.5 MHz。發(fā)射天線共5副，其中4副為水平振子角籠天線，各對應(yīng)頻率2.5，5，10 MHz和15 MHz，另1副為5~20MHz寬帶變形對稱偶極子天線，作為備用天線可用于除2.5MHz以外的其他3個頻點(diǎn)。天線交換開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線或假負(fù)載之間的任意組合，以充分利用發(fā)射設(shè)備以及天線的性能，提高使用效率。為了保證信號調(diào)幅度，發(fā)射機(jī)房配有在線監(jiān)測示波器等監(jiān)測設(shè)備，用以監(jiān)測所發(fā)各載頻信號的調(diào)制波形及其失真情況。

2 BPM 授時信號內(nèi)容格式

BPM短波時號半小時循環(huán)一次，每小時的00:00~09:59，15:00~24:59，30:00~39:59，45:00~54:59發(fā)播UTC（協(xié)調(diào)世界時）秒及整分信號；25:00~28:59，55:00~58:59發(fā)播UT1秒及整分信號；10:00~14:59，40:00~44:59為無調(diào)制載波發(fā)播時間；29:00~29:58和59:00~59:58為授時臺呼號時間，其中前40s以莫爾斯電碼發(fā)播BPM呼號，后20 s為“標(biāo)準(zhǔn)時間標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)播臺”女聲漢語普通話通告[2]。

BPM調(diào)制信號采用不同長度的1kHz正弦信號表示不同的時號內(nèi)容。UTC的秒信號為1kHz的10個周期波，寬度10 ms；UT1秒信號為1kHz的100個周期波，寬度100 ms；UTC和UT1的整分信號均為1kHz的300個周期波，寬度300ms。所有信號起始點(diǎn)為零相位，分別對應(yīng)各自的秒或整分起點(diǎn)。每秒1個秒脈沖，2個秒脈沖間隔1s[3]。上述信號的波形分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 UTC秒信號波形

圖3 UT1的秒信號波形

圖4 UTC、UT1整分信號波形

無調(diào)制載波僅發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)載頻信號，不發(fā)射音頻調(diào)制信號。

為了減少與周邊國家短波授時信號之間的相互干擾，BPM的UTC發(fā)播時號超前UTC（NTSC）20ms發(fā)播。

目前，時頻監(jiān)控系統(tǒng)對UTC時號的時刻控制精度優(yōu)于±1μs，對UT1時號的時刻控制精度優(yōu)于±100μs，載頻準(zhǔn)確度優(yōu)于±1×10-12。近場的測試結(jié)果表明，發(fā)射系統(tǒng)和接收設(shè)備引入的信號不確定度小于±50μs。

采用4個頻率（2.5，5，10，15MHz）交替發(fā)播，綜合覆蓋半徑超過3000km，可以覆蓋我國的大部分地區(qū)[4]。

BPM短波時號通過地波和天波兩種方式傳播，在距離授時臺100 km的范圍內(nèi)，主要使用地波信號定時校頻。地波傳播比較穩(wěn)定，在沒有天波干擾的情況下，100 km內(nèi)短波定時精度優(yōu)于±100μs[5]。隨著距離的增加，地波衰減增大，因此100km以外主要利用天波定時校頻。天波通過電離層的反射實(shí)現(xiàn)信號的傳遞，但隨著距離的增加，信號的穩(wěn)定性會受到一定的影響，天波定時精度在毫秒量級[5]。

3 BPM全固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

2012年，國家授時中心對BPM短波授時臺的3部發(fā)射機(jī)進(jìn)行升級改造，新的發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)設(shè)計，由航天23所研制生產(chǎn)，載波功率10kW，可在5 MHz，10 MHz，15 MHz 3個頻率之間切換，工作原理如圖5所示。整個發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由頻率合成器、信號調(diào)制器、高精度衰減器、推動級放大器、功率分配器、16個3 kW功放單元、16個濾波器組合、4個4 kW的功率合成器、1個10 kW功率合成器以及定向耦合器構(gòu)成。

圖5 10 kW發(fā)射機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

頻率合成器用來進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生載波頻率，頻率合成器的頻率基準(zhǔn)為時頻監(jiān)控室提供的5 MHz并經(jīng)過匹配放大之后的標(biāo)準(zhǔn)頻率。信號調(diào)制器對載波頻率和音頻信號進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生已調(diào)信號。高精度衰減控制板對已調(diào)信號進(jìn)行幅度（發(fā)射機(jī)輸出功率）設(shè)置。推動級放大器將已調(diào)信號進(jìn)行第一級放大，并通過功率分配器產(chǎn)生16路信號至16個功率放大模塊，各個模塊單獨(dú)濾波，經(jīng)過濾波器之后的每4路信號進(jìn)行一次功率合成，從而得到4個功率合成單元，再經(jīng)過最后的10 kW總功率合成之后送往定向耦合器，然后送到天線輻射出去。

發(fā)射機(jī)配置較完整的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)的每個模塊都處于自身監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)之中，監(jiān)控與保護(hù)組合主要實(shí)現(xiàn)對10 kW短波全固態(tài)發(fā)射機(jī)的自檢與校準(zhǔn)、狀態(tài)檢測與顯示、故障監(jiān)測與自動保護(hù)、狀態(tài)與故障的告警和上報、RF輸入信號的直通、衰減及關(guān)斷等功能。監(jiān)控與保護(hù)組合原理圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控與保護(hù)組合原理框圖

監(jiān)控與保護(hù)組合對10 kW短波全固態(tài)發(fā)射機(jī)的故障檢測可定位至可更換獨(dú)立單元，當(dāng)某個單元發(fā)生故障時，可定位故障點(diǎn)、判斷故障級別并按故障級別設(shè)定自動完成相應(yīng)的保護(hù)操作。監(jiān)控與保護(hù)組合采用光耦、差分電平、光端接口、浮地等方式，實(shí)現(xiàn)了較好的抗干擾性能。同時，監(jiān)控與保護(hù)組合采用可編程控制器和MCU相結(jié)合的方式設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計靈活，集成度高。

4 BPM發(fā)射機(jī)性能測試與發(fā)播質(zhì)量分析

BPM短波授時臺經(jīng)過改造之后的3臺10 kW全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)，在經(jīng)過近一年的試運(yùn)行之后于2013年11月28日通過了中國科學(xué)院組織的專家組驗(yàn)收。專家組對發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格的現(xiàn)場測試，部分測試數(shù)據(jù)列于表1、表2和表3。測試數(shù)據(jù)均與國家中短波廣播發(fā)射機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)GB9736-88做了比較。

表1 發(fā)射機(jī)幅頻特性測量值

表2 發(fā)射機(jī)音頻失真度測量值

表3 發(fā)射機(jī)信噪比測量值

表1為發(fā)射機(jī)在不同載波頻率下測試所得到的信號幅頻響應(yīng)特性，均優(yōu)于±1dB，符合國標(biāo) GB9736-88；表2為發(fā)射機(jī)音頻信號失真度的測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均符合 GB9736-88相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（≤4%）；表3為發(fā)射機(jī)信號的信噪比測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也都符合 GB9736-88（≤-56 dB）。因此，新的全固態(tài)發(fā)射機(jī)主要性能指標(biāo)均優(yōu)于國家中短波發(fā)射機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)。

表4給出了新、舊發(fā)射機(jī)主要參數(shù)對比。由表4可見，新的發(fā)射機(jī)性能大幅提高?？傊?，測試結(jié)果表明，新發(fā)射機(jī)在性能及發(fā)播時號質(zhì)量等方面較老發(fā)射機(jī)均有了較大的提升。近一年的試運(yùn)行表明，新系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，時號質(zhì)量明顯提高。圖7、圖8是2013年5月1日至13日時頻監(jiān)控室利用專用接收機(jī)本地接收的BPM系統(tǒng)發(fā)播的UTC時號的時刻偏差曲線。

表4 新、舊發(fā)射機(jī)參數(shù)對比

圖8 2013年5月1日至13日近場接收的BPM系統(tǒng)發(fā)播的UTC時號（10MHz）時刻偏差曲線

5 結(jié)語

新的BPM短波授時系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備采用了全固態(tài)設(shè)計，發(fā)射機(jī)工作穩(wěn)定可靠，主要技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計要求；發(fā)射機(jī)配備有完善的自我監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，操作簡單，易于維護(hù)，各項(xiàng)測試指標(biāo)均優(yōu)于系統(tǒng)要求；近一年的試運(yùn)行表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)已經(jīng)并將繼續(xù)為短波用戶提供更好的服務(wù)。

[1] 中國科學(xué)院. BPM短波授時臺鑒定技術(shù)文件[K]. 中國科學(xué)院, 1980.

[2] 漆貫榮. 時間科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會. 時間統(tǒng)一技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[4] 張爾揚(yáng). 短波通信技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[5] 陳洪卿. BPM短波時號用戶指南[J]. 西安: 陜西天文臺臺刊(增刊), 1989, 11(3):38-40.

Renovated BPM time-service transmission system

MENG Zhi-mou, CHE Ai-xia, LEI Yu, YU Li-jun, XIE Liang, JIN Quan, WANG Hu

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

For improving the quality of BPM signal and accomplishing the short wave time-service better, the BPM shortwave time-service transmission system has been updated by NTSC(National Time Service Centre). The composition and principle for the renovated BPM shortwave time-service transmission system are introduced in this paper. After nearly one year’s operation, the tests for the system show that the performance of BPM shortwave time-service transmission system has been greatly improved due to the upgrading of the transmission system.

BPM time service; upgrading; transmission

P127.1

A

1674-0637(2014)04-0221-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0221-07

2014-12-16

中國科學(xué)院大科學(xué)裝置改造項(xiàng)目

蒙智謀，男，高級工程師，主要從事短波授時方法與技術(shù)研究。