潘 峰 李國俊 楊大峰

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.西安空天電子有限公司，陜西西安 710061)

1 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS是全球應(yīng)用最為廣泛的定位、導(dǎo)航和授時(Positioning,Navigation and Timing，PNT)系統(tǒng)，其具有覆蓋范圍廣、使用便捷、定位和授時精度高等特點(diǎn)，目前在航天航空、交通運(yùn)輸、電力等各領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但它的缺點(diǎn)也十分明顯，例如信號微弱、容易遭受欺騙式或壓制式干擾等。近年來，全球各地多次發(fā)生的GNSS信號被干擾事件就充分暴露了它的不足?，F(xiàn)在，世界各國都在積極探索，尋求新的體系必須能夠提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定、不間斷的PNT服務(wù)，以解決單一依靠GNSS的問題。

長波授時系統(tǒng)具有信號強(qiáng)度高、覆蓋地域遼闊、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，平均信號強(qiáng)度是常規(guī)GPS信號的130萬倍[1,2]，可有效彌補(bǔ)GNSS衛(wèi)星授時的不足。長波授時系統(tǒng)作為一種有力的備份授時手段，可有效提高PNT系統(tǒng)的授時可靠性。隨著“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”的建設(shè)，長波授時精度有望由目前的1μs[3]提高到100ns，未來長波授時將會成為授時系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

針對北斗衛(wèi)星授時存在易受干擾、易受攻擊、覆蓋空間有限等缺陷，同時考慮到地基長波授時信號抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，啟動地基長波授時接收機(jī)的研制與應(yīng)用，實現(xiàn)地基長波授時與星基授時相結(jié)合，互為補(bǔ)充與增強(qiáng)，共同構(gòu)建綜合授時系統(tǒng)，形成天地一體、星地綜合互備、梯次配置、立體交叉、分層保障的國家時頻服務(wù)保障新格局，對于提高各類信息系統(tǒng)的時統(tǒng)系統(tǒng)安全性和可靠性具有重大現(xiàn)實意義。

2 長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)硬件組成

長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)由天線、饋線、耦合器及接收指示器等組成。其中天線與耦合器固定連接，耦合器與接收指示器由饋線連接，接收指示器由接收通道、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和電源等部分組成。接收機(jī)組成及信號流向如圖1所示。首先，天線感應(yīng)電磁波信號形成電信號；然后，由耦合器對天線收到的信號進(jìn)行耦合、濾波、放大、阻抗匹配變換等處理；再由連接接收指示器與耦合器的專用電纜饋線連接，將極化電信號送往接收指示器進(jìn)行信息處理；最后，通過接收指示器的信號處理和信息解算得到接收天線的具體位置，從而實現(xiàn)授時定位。長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)要求安裝在四周空曠無建筑物遮擋的部位。接收指示器通常放置在室內(nèi)進(jìn)行操作。

圖1 長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)組成框圖Fig.1 Block diagram of Changhe No.2 timing monitoring receiver

1)接收通道

接收通道部分是設(shè)備的信號前段處理部分，主要完成信號的放大、濾波、陷波和線性量化等技術(shù)處理，以實現(xiàn)外界噪聲和其他相鄰無線電業(yè)務(wù)的干擾抑制、模擬信號的電平放大以及信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。

2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分是長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的信息處理中心，是確保定位精度、實現(xiàn)導(dǎo)航授時功能最關(guān)鍵的組成環(huán)節(jié)。其主要完成對長河二號信號的搜索、天波與地波識別、相位的跟蹤、周期的識別和授時定位解算等一系列重要的信息處理過程[4]。最后在長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生其所需的各類采樣脈沖信號及在人機(jī)交互界面顯示導(dǎo)航及授時數(shù)據(jù)。

3 信號完好性檢測技術(shù)

通過對長河二號信號的數(shù)字濾波、陷波、放大和數(shù)字化等處理，可得到抑制噪聲和干擾后較為純凈的數(shù)字信號送入數(shù)據(jù)處理部分，然后信號再依次經(jīng)過啟動臺鏈檢測、信號搜索、信號捕獲、載波跟蹤、天波及地波識別、周期識別、信號跟蹤與鎖定、幀頭檢測、數(shù)據(jù)解調(diào)、啟動TOC同步，并對時延進(jìn)行修正以實現(xiàn)高精度授時監(jiān)測功能。其中定時時延可分為路徑時延、設(shè)備時延(含天線時延和接收通道時延)和TOA-ASF修正時延。路徑時延通過設(shè)置天線坐標(biāo)信息，由內(nèi)部處理單元將坐標(biāo)信息換算成時間的方式來實現(xiàn)；接收通道時延采取連接長波信號模擬器，通過比對定時1PPS信號的方式來測出；天線時延需將設(shè)備放到長河二號系統(tǒng)長波發(fā)射臺站附近，通過與標(biāo)準(zhǔn)時間的1PPS信號進(jìn)行比對測算出總設(shè)備時延，扣除設(shè)備接收通道時延即為天線時延；TOA-ASF修正時延是在以上各項時延參數(shù)設(shè)置完成后，再在設(shè)備應(yīng)用地點(diǎn)通過比對標(biāo)準(zhǔn)時間1PPS信號來測出。

基于信號完好性檢測技術(shù)設(shè)計的長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)，具有手動校準(zhǔn)和設(shè)備自校兩種方式來設(shè)置時延修正值。手動校準(zhǔn)方式采用設(shè)備1PPS與標(biāo)準(zhǔn)時間輸入1PPS比對，讀取計數(shù)器差值，通過手動輸入的方式來標(biāo)校時延；設(shè)備自校方式采用將標(biāo)準(zhǔn)時間輸入1PPS和外頻標(biāo)信號接入設(shè)備，設(shè)置設(shè)備為自校模式，即可自動標(biāo)校時延。除路徑時延參數(shù)需要通過人工輸入經(jīng)緯度信息來設(shè)置外，其它時延參數(shù)均可通過這兩種方式來進(jìn)行測量設(shè)置。

信號完好性檢測技術(shù)流程及整體設(shè)計實現(xiàn)方法如圖2所示。

圖2 信號完好性檢測技術(shù)流程圖Fig.2 Technical flow chart of signal integrity detection

數(shù)字濾波：實現(xiàn)對長河二號信號的自適應(yīng)陷波和FIR帶通濾波處理；

臺鏈檢測：依據(jù)每個臺鏈不同的組重復(fù)周期(GRI)進(jìn)行臺鏈的檢測識別；

信號搜索：根據(jù)主、副臺站不同的相位編碼實現(xiàn)主、副臺的識別；

信號捕獲：由現(xiàn)場可編程門陣列產(chǎn)生GRI同步信號實現(xiàn)對長河二號信號的捕獲；

載波跟蹤：實現(xiàn)對長河二號信號的去載波處理，得到長河二號信號所攜帶的調(diào)制相位信息，并且產(chǎn)生系統(tǒng)的全局工作時鐘；

天地波識別：保證監(jiān)測設(shè)備跟蹤在長河二號信號的地波部分[5]；

周期識別：判定監(jiān)測設(shè)備跟蹤在長河二號信號的第幾個載頻周期；

跟蹤鎖定：保證監(jiān)測設(shè)備跟蹤鎖定在長河二號信號的第三周過零點(diǎn)；

幀頭檢測：主要通過RS解碼和CRC校驗實現(xiàn)；

數(shù)據(jù)解調(diào)：通過交叉相關(guān)檢測實現(xiàn)；

TOC同步：基于解調(diào)的時碼數(shù)據(jù)實現(xiàn)自主TOC同步。

4 基于ASF修正的精密時頻控制技術(shù)

長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的定時輸出控制技術(shù)主要包括設(shè)備時間信息的輸出控制和設(shè)備1PPS時間信號的輸出控制。其中，設(shè)備時間信息的輸出控制主要通過時碼數(shù)據(jù)解調(diào)實現(xiàn)，設(shè)備1PPS時間信號的輸出控制主要通過TOC同步實現(xiàn)。當(dāng)長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)跟蹤鎖定所選的授時臺信號之后，實現(xiàn)自主TOC同步的設(shè)計流程如下。

1)啟動時碼解調(diào)程序，根據(jù)時碼信息的調(diào)制解碼數(shù)據(jù)推算得到當(dāng)前長河二號脈沖組信號的發(fā)射時間，取秒內(nèi)得到尾數(shù)；

2)根據(jù)當(dāng)前長河二號系統(tǒng)授時監(jiān)測接收機(jī)所處的位置計算為

TOA=TOA0+ASF+ED+ΔT

(1)

式中：TOA——當(dāng)長河二號信號傳播路徑為全海水時，信號從長河二號臺站到達(dá)檢測設(shè)備位置的電波傳播時間(可根據(jù)長河二號臺站和長河二號系統(tǒng)授時監(jiān)測接收機(jī)的準(zhǔn)確位置計算得到[6]。其中，長河二號系統(tǒng)授時監(jiān)測接收機(jī)當(dāng)前位置信息數(shù)據(jù)可以通過人工輸入或者通過長河二號系統(tǒng)授時監(jiān)測接收機(jī)定位獲取)；TOA0——長河二號信號從長河二號發(fā)射臺站到達(dá)監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前位置的絕對傳播時間；ASF——附加二次相位修正因子，由監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)庫讀取；ED——利用長河二號臺鏈副臺定時的標(biāo)稱發(fā)射延遲(當(dāng)利用長河二號臺鏈主臺定時的時候，ED=0)；ΔT——接收天線和監(jiān)測設(shè)備通道延遲。

3)測量出長河二號脈沖組信號第三周過零點(diǎn)(GTP脈沖)與監(jiān)測設(shè)備1PPS之間的時間差TI；

4)根據(jù)以上參數(shù)計算監(jiān)測設(shè)備1PPS與標(biāo)準(zhǔn)時間1PPS的偏差，進(jìn)而控制長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)將本地輸出的1PPS同步到標(biāo)準(zhǔn)時間1PPS之上，至此完成長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的自主TOC同步，實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的時間頻率的精確控制。長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)時間頻率的精確控制原理如圖3所示。

圖3 時間頻率精確控制原理圖Fig.3 Schematic Diagram of precise control of time and frequency

5 試驗驗證

為了驗證自研長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的有效性和可靠性，在北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心搭建了試驗平臺，如圖4所示，以本地的標(biāo)準(zhǔn)時間為參考對長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的授時性能進(jìn)行試驗驗證。本試驗選擇兩臺長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)，其生產(chǎn)批次為同批次產(chǎn)品，每一次測試均同時開機(jī)，通過長河二號授時監(jiān)測軟件監(jiān)測授時信號狀態(tài)，檢測比對兩臺授時監(jiān)測接收機(jī)的一致性。

圖4 長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)試驗驗證平臺框圖Fig.4 Block diagram of Changhe No.2 timing monitoring receiver test verification platform

長河二號授時監(jiān)測軟件主界面如圖5所示。其主要功能包括導(dǎo)航電文解調(diào)解析、原始信號數(shù)據(jù)采集分析、設(shè)備零值自動修正及參數(shù)輸入設(shè)定、ASF修正等功能。

圖5 長河二號系統(tǒng)授時監(jiān)測軟件主界面Fig.5 Interface of time monitoring software of Changhe No.2 system

長波授時覆蓋范圍約(800～1200)km，真實環(huán)境的授時信號質(zhì)量與天線區(qū)電磁環(huán)境密切相關(guān)[7]，盡量保證接收機(jī)與至少一個長波臺站的距離保持在800km以內(nèi)，以便授時監(jiān)測結(jié)果連續(xù)穩(wěn)定[8]。北京距離北海臺鏈榮成站約640km，距離東海臺鏈宣城站約1100km，根據(jù)長期的授時監(jiān)測結(jié)果分析，北京地區(qū)盡可能采用北海臺鏈榮成站長波授時信號。因此，這里僅分析榮成站授時監(jiān)測結(jié)果。2019年6月19日榮成站的長波授時監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

榮成站長波授時監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計值見表1。當(dāng)長波授時信號質(zhì)量較好時，短期內(nèi)長波授時監(jiān)測結(jié)果的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差約30ns，必要時可作為衛(wèi)星授時的一種重要補(bǔ)充手段。

表1 榮成站長波授時監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計值(單位:ns)Tab.1 Statistical value of the monitoring results of the long wave timing of the Rongcheng station(unit:ns)接收機(jī)編號MaxMinAvgSTDRMS20002101.4-8018.823.330.020004212.7-80.8217.530.635.2

6 結(jié)束語

本文介紹了一種長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)的硬件組成和技術(shù)架構(gòu)；概述了長波發(fā)射臺鏈信號的捕獲、追蹤、識別、判決、鎖定、檢測、解調(diào)、TOC同步及時延修正等技術(shù)。詳細(xì)論述了基于ASF精密時頻控制技術(shù)在高精度長波授時中的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明：長河二號授時監(jiān)測接收機(jī)可提供準(zhǔn)確、連續(xù)、可靠的時間信息，短期內(nèi)授時結(jié)果的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差約30ns，必要時可作為衛(wèi)星授時的一種重要補(bǔ)充手段。