李 云 華 宇 燕保榮 郭 偉

（1.中國科學院國家授時中心，陜西西安710600；2.中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，陜西西安710600；3.中國科學院大學，北京100049）

1 引 言

國外利用長波信號授時大約有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)改造建設的基礎上，開始羅蘭差分站的研究和設計，力圖使無線電授時系統(tǒng)的授時精度和GNSS系統(tǒng)相比擬。

我國從20世紀80年代建設BPL 長波系統(tǒng)［1］。為進一步提升長波授時系統(tǒng)的功能與性能，2008年中國科學院國家授時中心完成了長波授時系統(tǒng)的現(xiàn)代化技術改造，用固態(tài)發(fā)射機取代電子管發(fā)射機，對發(fā)播控制系統(tǒng)進行了全面的升級改造，并且采用Eurofix 技術增加了時碼信息等數(shù)據(jù)，改造后長波系統(tǒng)授時精度為0.5μs 左右，其中長波信號傳播時延的確定仍然是長波系統(tǒng)授時技術發(fā)展的瓶頸［2］。由于路徑時延的影響因素眾多，包括大氣折射率、大地電導率和介電常數(shù)，同時實際的傳輸路徑上這些因素不是單一的數(shù)值，造成長波信號路徑傳輸時延的計算和測量中的困難［3］。 有學者提出用模式計算和實測相結合的方法解決長波信號傳播ASF 修正問題［4］。 近期啟動的國家重大科技基礎設施建設項目——高精度地基授時系統(tǒng)的項目將對長波差分技術展開深入的調研、分析研究和設計實現(xiàn)。

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

2 路徑時延的測量

2.1 測量原理

BPL 長波信號傳播時延，指的是定時標記點——信號載頻第三周正向過零點——的傳播時間，這個時間具體定義為從發(fā)射天線上信號電流波形出現(xiàn)第三個正向過零點瞬間算起，至接收磁天線上產生這個第三個正向過零點瞬間為止所經歷的時間叫做定時標記點傳播時間，簡稱信號傳播時延［5］。 信號路徑時延TOA 的測量原理如圖1所示。

圖1 路徑時延的測量原理Fig.1 Measurement principle of propagation delay

在點A 放置一長波監(jiān)測接收機接收長波信號解調輸出1PPS 信號，通過和標準1PPS（NTSC）信號進行比對得出兩個1PPS 的時延差N。 測試設備連接圖如圖2所示，計算公式如式（1）、（2）

式中：τ0——發(fā)播控制精度50ns；τ接——接收機的時延；Tc——信號起點至信號的第三周正向過零點的時間具體為30μs。

2.2 測試誤差分析

2.2.1 發(fā)播系統(tǒng)的發(fā)播控制誤差

圖2 測試設備連接圖Fig.2 Test equipment connection diagram

發(fā)播控制精度具體指發(fā)播臺（蒲城）天線出口的信號和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)播天線根部的信號和標準時間1PPS（NTSC）之間的比對結果作為發(fā)播控制精度［6］。 具體包括兩部分：1）BPL 發(fā)播臺的鐘和NTSC 時頻基準實驗室的鐘的比對，這兩組鐘通過GPS 共視法實現(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和BPL 發(fā)播臺的鐘進行比對的結果，每小時產生一個比對數(shù)據(jù)。 2018年7月的比對結果如圖3所示，從圖3 中看出BPL 發(fā)播控制系統(tǒng)和時頻基準實驗室標準秒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 接收機的系統(tǒng)誤差

長波接收機的系統(tǒng)時延廠家已經進行精確標定，長波接收機1 的時延平均值為57 500ns，長波接收機2 的時延平均值為57 200ns。

2.2.3 GPS 接收機的1PPS 誤差

外出測試時，因為測試點沒有NTSC 的標準1PPS 信號，我們選用GPS 接收機的1PPS 信號作為標準1PPS。 外出之前將GPS 接收機輸出的1PPS信號與國家授時中心（NTSC）鐘房的1PPS 脈沖信號進行標定，這樣將時延值溯源到NTSC 的標準1PPS。 GPS 接收機輸出的1PPS 的標定結果如圖4所示，GPS 接收機1 的1PPS 信號與1PPS（NTSC）的相位差127.7ns，GPS 接收機2 的信號比1PPS（NTSC）的相位差119.9ns。

圖4 GPS 接收機1PPS 標定曲線圖Fig.4 GPS receiver calibration

3 傳輸時延的分析

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

3.1 傳輸時延的時間變化TOAtemporal

路徑時延的時間變化是指對于一個固定點的用戶，路徑時延隨時間的變化更確切的說是路徑時延隨天氣和季節(jié)的變化。 具體來說，天氣和季節(jié)的變化會引起大氣折射率的變化導致一次時延的變化；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致地面大地電導率和介電常數(shù)的變化，從而導致二次時延的變化，進而引發(fā)路徑時延的變化［7］。 假設用戶A 路徑時延表示為

式中：TOA ——路徑時延的平均值； TOAtemporal——路徑時延的隨時間的變化量。

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

3.2 路徑時延的在空間變化TOAspatial

不同用戶之間由于位置的不同，信號傳播的路徑和距離的差異，導致路徑時延的不同稱為空間變化。 它主要由信號的傳輸距離、信號的傳輸路徑上地質和地理條件等等空間的不同而引起稱為路徑時延的空間變化［8］。 假設A、B 兩用戶，則兩個用戶路徑時延的空間差異為

式中：TOAspatial——包含A、B 兩點一次時延和二次時延的空間差異——A，B 兩個用戶點接收信號的路徑時延在同一時間段內的平均值。

4 傳輸時延時間變化的分析

按圖2所示設備連接關系，在榆林市境內利用兩套標定過的設備進行測試。 從7月13日到15日同時在兩個地點：榆林和紅堿淖測試，從7月17日到19日同時在榆林和橫山測試。 各個測試點具體位置以及與發(fā)播臺的距離見表1。

表1 測試點的位置和距離Tab.1 The location of the test point

4.1 固定點用戶時延的時間變化分析

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

表2 榆林測試點信號傳輸時延數(shù)據(jù)Tab.2 The signal transmission delay in Yulin

圖5 紅堿淖路徑時延波動波形圖Fig.5 Propagation delay curve in Hong Jiannao

圖6 橫山路徑時延波動比較波形圖Fig.6 Propagation delay curve in Hengshan

4.2 用戶間路徑時延隨時間變化分析

以不同的測試點在同一時間段的測試數(shù)據(jù)進行分析研究。 榆林和紅堿淖同一時間段內測量數(shù)據(jù)波動的比較如圖7所示。 從14日和15日兩天的波動比較看出兩個測試點的波動規(guī)律基本相同，紅堿淖比榆林測試點的波動幅度要大。 17日和18日兩天榆林和橫山的波動比較曲線如圖8所示，看出兩個測試點的波動規(guī)律一致，波動曲線吻合度比榆林和紅堿淖波動曲線好。 由于測試設備數(shù)量的限制，不能在三個點同時進行測量，但是從前面的榆林的原始數(shù)據(jù)曲線圖中看出，榆林測試點6 天的波動規(guī)律基本相同，紅堿淖和榆林14日和15日的波動規(guī)律相同，橫山和榆林17日和18日的波動規(guī)律相同，這三個測試點晝夜波動規(guī)律基本一致。

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

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

5 結束語

本文在分析研究BPL 長波授時信號傳播時延測量的基礎上提出傳輸時延的時間變化和空間變化的概念，重點對時間變化做了研究。 通過對用戶接收信號的傳輸時延其時間變化規(guī)律的分析研究發(fā)現(xiàn)：用戶之間相距100km 左右的情況下，其路徑時延隨時間的變化規(guī)律和趨勢基本一致，這為長波差分授時方法研究的開展奠定了基礎。 本文對傳輸時延的時間變化僅限于短時間的變化的研究，對于傳輸時延的長時間變化即路徑時延隨季節(jié)的變化沒有做深入的分析，另外對傳播時延空間變化有待于進一步深入研究。