李 云 華 宇 燕保榮 郭 偉

（1.中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，陜西西安710600；2.中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

國外利用長波信號(hào)授時(shí)大約有70年的歷史，2001年9月，美國政府鑒于GPS 的脆弱性決定重新啟用羅蘭系統(tǒng)將其作為GNSS 系統(tǒng)的備份。 近年來美國、俄羅斯、英國和韓國等國家都在完成eLoran系統(tǒng)改造建設(shè)的基礎(chǔ)上，開始羅蘭差分站的研究和設(shè)計(jì)，力圖使無線電授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)精度和GNSS系統(tǒng)相比擬。

我國從20世紀(jì)80年代建設(shè)BPL 長波系統(tǒng)［1］。為進(jìn)一步提升長波授時(shí)系統(tǒng)的功能與性能，2008年中國科學(xué)院國家授時(shí)中心完成了長波授時(shí)系統(tǒng)的現(xiàn)代化技術(shù)改造，用固態(tài)發(fā)射機(jī)取代電子管發(fā)射機(jī)，對(duì)發(fā)播控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的升級(jí)改造，并且采用Eurofix 技術(shù)增加了時(shí)碼信息等數(shù)據(jù)，改造后長波系統(tǒng)授時(shí)精度為0.5μs 左右，其中長波信號(hào)傳播時(shí)延的確定仍然是長波系統(tǒng)授時(shí)技術(shù)發(fā)展的瓶頸［2］。由于路徑時(shí)延的影響因素眾多，包括大氣折射率、大地電導(dǎo)率和介電常數(shù)，同時(shí)實(shí)際的傳輸路徑上這些因素不是單一的數(shù)值，造成長波信號(hào)路徑傳輸時(shí)延的計(jì)算和測(cè)量中的困難［3］。 有學(xué)者提出用模式計(jì)算和實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法解決長波信號(hào)傳播ASF 修正問題［4］。 近期啟動(dòng)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目——高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的項(xiàng)目將對(duì)長波差分技術(shù)展開深入的調(diào)研、分析研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

本文從路徑時(shí)延測(cè)量的角度出發(fā)，分析路徑時(shí)延在時(shí)間和空間上的變化，重點(diǎn)分析研究用戶之間相距100km 內(nèi)的情況下，信號(hào)路徑時(shí)延隨時(shí)間的變化規(guī)律。 這為長波差分授時(shí)的研究奠定基礎(chǔ)。

2 路徑時(shí)延的測(cè)量

2.1 測(cè)量原理

BPL 長波信號(hào)傳播時(shí)延，指的是定時(shí)標(biāo)記點(diǎn)——信號(hào)載頻第三周正向過零點(diǎn)——的傳播時(shí)間，這個(gè)時(shí)間具體定義為從發(fā)射天線上信號(hào)電流波形出現(xiàn)第三個(gè)正向過零點(diǎn)瞬間算起，至接收磁天線上產(chǎn)生這個(gè)第三個(gè)正向過零點(diǎn)瞬間為止所經(jīng)歷的時(shí)間叫做定時(shí)標(biāo)記點(diǎn)傳播時(shí)間，簡(jiǎn)稱信號(hào)傳播時(shí)延［5］。 信號(hào)路徑時(shí)延TOA 的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 路徑時(shí)延的測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of propagation delay

在點(diǎn)A 放置一長波監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收長波信號(hào)解調(diào)輸出1PPS 信號(hào)，通過和標(biāo)準(zhǔn)1PPS（NTSC）信號(hào)進(jìn)行比對(duì)得出兩個(gè)1PPS 的時(shí)延差N。 測(cè)試設(shè)備連接圖如圖2所示，計(jì)算公式如式（1）、（2）

式中：τ0——發(fā)播控制精度50ns；τ接——接收機(jī)的時(shí)延；Tc——信號(hào)起點(diǎn)至信號(hào)的第三周正向過零點(diǎn)的時(shí)間具體為30μs。

2.2 測(cè)試誤差分析

2.2.1 發(fā)播系統(tǒng)的發(fā)播控制誤差

圖2 測(cè)試設(shè)備連接圖Fig.2 Test equipment connection diagram

發(fā)播控制精度具體指發(fā)播臺(tái)（蒲城）天線出口的信號(hào)和1PPS（NTSC）的相位差，由于BPL 發(fā)播天線相位中心不確定，這里采用BPL 發(fā)播天線根部的信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間1PPS（NTSC）之間的比對(duì)結(jié)果作為發(fā)播控制精度［6］。 具體包括兩部分：1）BPL 發(fā)播臺(tái)的鐘和NTSC 時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的鐘的比對(duì)，這兩組鐘通過GPS 共視法實(shí)現(xiàn)同步，同步誤差在5ns 左右；2）從BPL 發(fā)播天線的根部反饋信號(hào)和BPL 發(fā)播臺(tái)的鐘進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果，每小時(shí)產(chǎn)生一個(gè)比對(duì)數(shù)據(jù)。 2018年7月的比對(duì)結(jié)果如圖3所示，從圖3 中看出BPL 發(fā)播控制系統(tǒng)和時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)秒1PPS（NTSC）之間的相位差平均為35ns 左右，最大值為49.9ns，最小值為12ns。

圖3 2018／07月的發(fā)播控制精度曲線圖Fig.3 Precision of broadcast control on Jul.2018

2.2.2 BPL 接收機(jī)的系統(tǒng)誤差

長波接收機(jī)的系統(tǒng)時(shí)延廠家已經(jīng)進(jìn)行精確標(biāo)定，長波接收機(jī)1 的時(shí)延平均值為57 500ns，長波接收機(jī)2 的時(shí)延平均值為57 200ns。

2.2.3 GPS 接收機(jī)的1PPS 誤差

外出測(cè)試時(shí)，因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)沒有NTSC 的標(biāo)準(zhǔn)1PPS 信號(hào)，我們選用GPS 接收機(jī)的1PPS 信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)1PPS。 外出之前將GPS 接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)與國家授時(shí)中心（NTSC）鐘房的1PPS 脈沖信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，這樣將時(shí)延值溯源到NTSC 的標(biāo)準(zhǔn)1PPS。 GPS 接收機(jī)輸出的1PPS 的標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，GPS 接收機(jī)1 的1PPS 信號(hào)與1PPS（NTSC）的相位差127.7ns，GPS 接收機(jī)2 的信號(hào)比1PPS（NTSC）的相位差119.9ns。

圖4 GPS 接收機(jī)1PPS 標(biāo)定曲線圖Fig.4 GPS receiver calibration

3 傳輸時(shí)延的分析

在路徑時(shí)延的概念中，無論一次時(shí)延PF 還是二次時(shí)延SF 和附加二次時(shí)延ASF 都有明確的概念不會(huì)將其混淆。 但是在實(shí)際測(cè)量中得到路徑時(shí)延的總和值，無法分辯出哪一部分是PF、SF、ASF，只能把路徑時(shí)延作為一個(gè)整體來分析。

3.1 傳輸時(shí)延的時(shí)間變化TOAtemporal

路徑時(shí)延的時(shí)間變化是指對(duì)于一個(gè)固定點(diǎn)的用戶，路徑時(shí)延隨時(shí)間的變化更確切的說是路徑時(shí)延隨天氣和季節(jié)的變化。 具體來說，天氣和季節(jié)的變化會(huì)引起大氣折射率的變化導(dǎo)致一次時(shí)延的變化；天氣和季節(jié)的變化引起的氣溫變化和降水引起地面溫濕度的變化導(dǎo)致地面大地電導(dǎo)率和介電常數(shù)的變化，從而導(dǎo)致二次時(shí)延的變化，進(jìn)而引發(fā)路徑時(shí)延的變化［7］。 假設(shè)用戶A 路徑時(shí)延表示為

式中：TOA ——路徑時(shí)延的平均值； TOAtemporal——路徑時(shí)延的隨時(shí)間的變化量。

根據(jù)上面的分析TOAtemporal中既包含PF 的波動(dòng)又包含了SF 的波動(dòng)。 如果BPL 授時(shí)信號(hào)傳播到在區(qū)域A 內(nèi)所有用戶，在信號(hào)的傳播路徑上天氣條件和地理因素基本相同，在這一區(qū)域內(nèi)的用戶路徑時(shí)延的波動(dòng)TOAtemporal是否基本一致，這是本文重點(diǎn)研究分析的對(duì)象。

3.2 路徑時(shí)延的在空間變化TOAspatial

不同用戶之間由于位置的不同，信號(hào)傳播的路徑和距離的差異，導(dǎo)致路徑時(shí)延的不同稱為空間變化。 它主要由信號(hào)的傳輸距離、信號(hào)的傳輸路徑上地質(zhì)和地理?xiàng)l件等等空間的不同而引起稱為路徑時(shí)延的空間變化［8］。 假設(shè)A、B 兩用戶，則兩個(gè)用戶路徑時(shí)延的空間差異為

式中：TOAspatial——包含A、B 兩點(diǎn)一次時(shí)延和二次時(shí)延的空間差異——A，B 兩個(gè)用戶點(diǎn)接收信號(hào)的路徑時(shí)延在同一時(shí)間段內(nèi)的平均值。

4 傳輸時(shí)延時(shí)間變化的分析

按圖2所示設(shè)備連接關(guān)系，在榆林市境內(nèi)利用兩套標(biāo)定過的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。 從7月13日到15日同時(shí)在兩個(gè)地點(diǎn)：榆林和紅堿淖測(cè)試，從7月17日到19日同時(shí)在榆林和橫山測(cè)試。 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)具體位置以及與發(fā)播臺(tái)的距離見表1。

表1 測(cè)試點(diǎn)的位置和距離Tab.1 The location of the test point

4.1 固定點(diǎn)用戶時(shí)延的時(shí)間變化分析

在陜西省榆林市的測(cè)試結(jié)果見表2，連續(xù)6 天的測(cè)試過程中，天氣情況基本相同，測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差基本一致；圖5 中紅堿淖測(cè)試點(diǎn)14日和15日的數(shù)據(jù)波動(dòng)規(guī)律基本相同；圖6 中橫山測(cè)試點(diǎn)17日和18日的數(shù)據(jù)波動(dòng)規(guī)律基本相同。 從以上3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的分析得出，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)以天為單位的晝夜變化規(guī)律基本相同，在10 時(shí)左右開始上升到14 時(shí)左右到達(dá)峰值，然后開始緩慢下降到19 時(shí)左右開始呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)，每天的變化中最大值和最小值的差在100ns 以內(nèi)。

表2 榆林測(cè)試點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)延數(shù)據(jù)Tab.2 The signal transmission delay in Yulin

圖5 紅堿淖路徑時(shí)延波動(dòng)波形圖Fig.5 Propagation delay curve in Hong Jiannao

圖6 橫山路徑時(shí)延波動(dòng)比較波形圖Fig.6 Propagation delay curve in Hengshan

4.2 用戶間路徑時(shí)延隨時(shí)間變化分析

以不同的測(cè)試點(diǎn)在同一時(shí)間段的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。 榆林和紅堿淖同一時(shí)間段內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)的比較如圖7所示。 從14日和15日兩天的波動(dòng)比較看出兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的波動(dòng)規(guī)律基本相同，紅堿淖比榆林測(cè)試點(diǎn)的波動(dòng)幅度要大。 17日和18日兩天榆林和橫山的波動(dòng)比較曲線如圖8所示，看出兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的波動(dòng)規(guī)律一致，波動(dòng)曲線吻合度比榆林和紅堿淖波動(dòng)曲線好。 由于測(cè)試設(shè)備數(shù)量的限制，不能在三個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，但是從前面的榆林的原始數(shù)據(jù)曲線圖中看出，榆林測(cè)試點(diǎn)6 天的波動(dòng)規(guī)律基本相同，紅堿淖和榆林14日和15日的波動(dòng)規(guī)律相同，橫山和榆林17日和18日的波動(dòng)規(guī)律相同，這三個(gè)測(cè)試點(diǎn)晝夜波動(dòng)規(guī)律基本一致。

圖7 榆林—紅堿淖路徑時(shí)延波動(dòng)比較波形圖 Fig.7 Comparation between Yulin and Hong Jiannao in temporal variation of delay time

圖8 榆林—橫山路徑時(shí)延波動(dòng)比較波形圖Fig.8 Comparation between Yulin and Hengshan in temporal variation of delay time

5 結(jié)束語

本文在分析研究BPL 長波授時(shí)信號(hào)傳播時(shí)延測(cè)量的基礎(chǔ)上提出傳輸時(shí)延的時(shí)間變化和空間變化的概念，重點(diǎn)對(duì)時(shí)間變化做了研究。 通過對(duì)用戶接收信號(hào)的傳輸時(shí)延其時(shí)間變化規(guī)律的分析研究發(fā)現(xiàn)：用戶之間相距100km 左右的情況下，其路徑時(shí)延隨時(shí)間的變化規(guī)律和趨勢(shì)基本一致，這為長波差分授時(shí)方法研究的開展奠定了基礎(chǔ)。 本文對(duì)傳輸時(shí)延的時(shí)間變化僅限于短時(shí)間的變化的研究，對(duì)于傳輸時(shí)延的長時(shí)間變化即路徑時(shí)延隨季節(jié)的變化沒有做深入的分析，另外對(duì)傳播時(shí)延空間變化有待于進(jìn)一步深入研究。