劉長(zhǎng)虹，季丹

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長(zhǎng)波定時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)延的測(cè)量改進(jìn)

劉長(zhǎng)虹，季丹

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600）

為進(jìn)一步提高用戶定時(shí)校頻精度，我們通過使用移相技術(shù)并利用高精度數(shù)字存儲(chǔ)示波器和高精度計(jì)數(shù)器，對(duì)長(zhǎng)波接收系統(tǒng)時(shí)間延遲的測(cè)試方法進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了比原先更精確的測(cè)量結(jié)果。

長(zhǎng)波定時(shí)接收機(jī)；時(shí)間延遲；羅蘭-C

0 引言

由式（1）得

圖1 BPL長(zhǎng)波定時(shí)用戶接收時(shí)序圖

我們?cè)谖墨I(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，采用分頻鐘移相技術(shù)，代替了參考接收機(jī)，利用現(xiàn)代測(cè)量手段對(duì)長(zhǎng)波定時(shí)接收系統(tǒng)的時(shí)延進(jìn)行了反復(fù)測(cè)量，獲得了優(yōu)于0.04μs的測(cè)量精度。另外，對(duì)于近距離測(cè)量結(jié)果如何應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量，本文也將給出嚴(yán)格解釋。

1 測(cè)量方法及測(cè)量結(jié)果

長(zhǎng)波接收系統(tǒng)時(shí)間延遲測(cè)量框圖如圖2所示。由羅蘭-C信號(hào)模擬產(chǎn)生器輸出射頻信號(hào)至小銅環(huán)天線（用銅絲彎成直徑20cm的圓形小銅環(huán)），同時(shí)將該射頻信號(hào)引入數(shù)字存儲(chǔ)示波器通道1（CH1），示波器通道2（CH2）連接移相分頻鐘輸出的GRP脈沖。

銅環(huán)的一端連接羅蘭-C信號(hào)模擬產(chǎn)生器的輸出端，另一端接50Ω接地電阻。一方面是為了讓羅蘭-C信號(hào)模擬產(chǎn)生器輸出與發(fā)射環(huán)阻抗匹配，另一方面是為了從電阻上取出信號(hào)送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的通道1，以便觀察信號(hào)波形。

與小銅環(huán)平面相距約50 cm處，放置長(zhǎng)波接收天線。天線平面盡可能與銅環(huán)平面平行且兩天線的中心連線垂直于天線平面。接收天線通過30 m信號(hào)電纜與被測(cè)接收機(jī)連接。

本地鐘的1 PPS秒脈沖信號(hào)同時(shí)作為計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的開門信號(hào)，被測(cè)長(zhǎng)波接收機(jī)1 PPS信號(hào)作為計(jì)數(shù)器1的關(guān)門信號(hào)，將與GRP同步了的1PPS信號(hào)從移相分頻鐘輸出，作為計(jì)數(shù)器2的關(guān)門信號(hào)。

所有實(shí)驗(yàn)儀器，包括羅蘭-C模擬信號(hào)源、移相分頻鐘、計(jì)數(shù)器、長(zhǎng)波接收機(jī)等均采用本地原子鐘作為外接頻率參考。

圖2 接收系統(tǒng)時(shí)間延遲測(cè)量框圖

測(cè)試時(shí)，從50Ω電阻上取出的羅蘭-C信號(hào)，由于尚未進(jìn)行解碼，在示波器上將觀察到多個(gè)交叉零點(diǎn)，如圖2左上部波形所示。第6個(gè)交叉零點(diǎn)就是第3周末的正過零點(diǎn)，即時(shí)間標(biāo)記點(diǎn)。調(diào)整波形位置，使第6過零點(diǎn)落在示波器屏幕的縱向坐標(biāo)線上。使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀察時(shí)，第1次調(diào)整往往不能使第6過零點(diǎn)正好落在屏幕的縱向坐標(biāo)線上，所以要逐步手動(dòng)調(diào)整，當(dāng)波形完整呈現(xiàn)紡錘形后鎖定，并將該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字存儲(chǔ)，然后將波形逐步展開。

設(shè)置計(jì)數(shù)器采樣電平為0.5 V，觀察波形的第6過零點(diǎn)，通過分頻鐘移相操作，使GRP脈沖前沿（幅度為0.5V）與其重合，此時(shí)用該示波器觀察波形時(shí)，可分辨到1小格，相當(dāng)于0.02μs。

由于磁天線具有“方向效應(yīng)”，即在一個(gè)方向上放置時(shí)，接收系統(tǒng)輸出的周波相位相對(duì)于相反方向放置時(shí)接收系統(tǒng)輸出的周波相位有180°的相差，對(duì)羅蘭-C信號(hào)而言，就是5μs的時(shí)差。所以，要在2個(gè)方向上試收，找出輸出時(shí)差最小的那個(gè)方向就是天線放置的正確方向。

圖3 1 號(hào)被測(cè)長(zhǎng)波接收機(jī)地下室測(cè)試結(jié)果（2010 年10 月24 日）

圖4 2號(hào)被測(cè)長(zhǎng)波接收機(jī)地下室測(cè)試結(jié)果（2010年10月24日）

表1 測(cè)量結(jié)果

3 測(cè)量結(jié)果的間接驗(yàn)證

4 關(guān)于遠(yuǎn)區(qū)接收時(shí)接收系統(tǒng)時(shí)延為（-（32.50-30.18）μs）的論證

5 結(jié)論與討論

表2 接收系統(tǒng)時(shí)延值 μs

以往曾經(jīng)采用2付長(zhǎng)波接收天線作為實(shí)驗(yàn)用天線（一個(gè)用作發(fā)射天線、一個(gè)用作接收天線），在BPL長(zhǎng)波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過本實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)。過去實(shí)驗(yàn)中，未考慮連續(xù)發(fā)播的BPL信號(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，另外所采用的發(fā)射天線為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)波接收天線，其自身的時(shí)間延遲效應(yīng)及電磁影響都會(huì)影響最終結(jié)果。這次實(shí)驗(yàn)中，我們通過使用分頻鐘移相技術(shù)并利用高精度數(shù)字存儲(chǔ)示波器和高精度計(jì)數(shù)器，對(duì)長(zhǎng)波接收系統(tǒng)時(shí)間延遲的測(cè)試進(jìn)行了改進(jìn)，并且本次實(shí)驗(yàn)在地下室進(jìn)行，有效地屏蔽了連續(xù)發(fā)播的BPL信號(hào)的影響，此外發(fā)射天線改用小銅環(huán)天線，其自身的時(shí)間延遲和電磁影響可忽略，因此所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[1]接近但精度得到提高。

實(shí)驗(yàn)完成過程歷時(shí)一個(gè)月，由于有的設(shè)備屬外借設(shè)備，時(shí)間較緊，但本著科學(xué)求真的態(tài)度，每個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)都經(jīng)歷反復(fù)思考、實(shí)驗(yàn)、重復(fù)的過程，務(wù)求做到對(duì)每一步驟均有記錄，以便今后分析驗(yàn)證。另外，有關(guān)環(huán)境（地上、地下）溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，有待今后作進(jìn)一步分析。

本文所述方法為今后其他BPL長(zhǎng)波接收系統(tǒng)時(shí)間延遲的測(cè)量提供了參考，可獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果；也可通過與此次被測(cè)1號(hào)和2號(hào)長(zhǎng)波接收機(jī)進(jìn)行比對(duì)的方法，獲得其他BPL長(zhǎng)波接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)間延遲的較準(zhǔn)確的結(jié)果。

致謝 本文工作得到梁仲寰老師的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝。

[1] 張邦信, 李達(dá)銘. 長(zhǎng)波定時(shí)接收機(jī)的時(shí)延測(cè)量方法[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 1980, 3(2): 57-63.

[2] 劉長(zhǎng)虹, 蘇建峰, 梁仲寰. 羅蘭-C用戶定時(shí)接收系統(tǒng)的時(shí)延精確測(cè)量探討[C]//2007全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 宜昌: 2007中國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì), 2007: 377-379.

附錄1：近區(qū)接收?qǐng)A環(huán)發(fā)射的羅蘭-C信號(hào)時(shí)，磁接收天線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形計(jì)算

由于工作波長(zhǎng)=3km，所以圓環(huán)上電流強(qiáng)度視為均勻的，相位也認(rèn)為一致。圓環(huán)電流在其附近產(chǎn)生的電磁場(chǎng)主要是來自直達(dá)波，周圍環(huán)境貢獻(xiàn)的二次場(chǎng)可忽略不計(jì)。這樣，我們可以將問題簡(jiǎn)化為求在無界自由空間中圓環(huán)電流的場(chǎng)。

在無界空間，式（F.2）的解為

附圖1 球坐標(biāo)示意圖

附圖2 近區(qū)接收羅蘭-C長(zhǎng)波信號(hào)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化

附圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)接收羅蘭-C長(zhǎng)波信號(hào)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化

Improvement in measuring time delay of long wave timing receiver system

LIU Chang-hong, JI Dan

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

In order toimprove theprecision of timing/frequency-calibrating for users, we improved the method of measuring the timing-delay of the long wave timing receiver system using the phase-shifting technique, high-precision digital storage oscilloscope and high-precision counter, so as to obtain a measurement with better precision than before.

long wave timing receiver; time-delay; Loran-C

TN965.5

A

1674-0637(2014)04-0049-08

2013-01-25

劉長(zhǎng)虹，男，高級(jí)工程師，主要從事電波傳播與監(jiān)測(cè)研究。