戴順，羅近濤，劉海文，李實(shí)鋒，李祎豐，李浩，劉長虹，劉偉，劉永朋

2020年6月21日日環(huán)食低頻時(shí)碼信號(hào)監(jiān)測

戴順1,2，羅近濤2，劉海文3，李實(shí)鋒2，李祎豐2，李浩2，劉長虹2，劉偉2，劉永朋2

（1. 華東交通大學(xué)，南昌 330013；2. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；3. 西安交通大學(xué)，西安 710049）

2020年6月21日日環(huán)食前后，在西安臨潼及商洛洛南搭建觀測系統(tǒng)，對商丘B(yǎng)PC發(fā)播臺(tái)68.5kHz信號(hào)進(jìn)行了觀測。將采集數(shù)據(jù)可視化處理，對比分析多日信號(hào)波動(dòng)情況，結(jié)果表明日食期間低頻時(shí)碼信號(hào)幅度發(fā)生波動(dòng)，并在食甚后達(dá)到極值。根據(jù)電離層變化分析信號(hào)特點(diǎn)，從日出—日落效應(yīng)層面闡述波動(dòng)原因，證實(shí)低頻時(shí)碼信號(hào)傳播受日食影響，為研究日食期間低頻時(shí)碼信號(hào)變化特點(diǎn)提供參照。

日環(huán)食；低頻時(shí)碼；電離層

0 引言

隨著現(xiàn)代通信、導(dǎo)航、航天等領(lǐng)域的發(fā)展，高精度授時(shí)技術(shù)的重要性日益凸顯。低頻時(shí)碼授時(shí)是在長波授時(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種授時(shí)方法，是國際電信聯(lián)盟（ITU）建議和鼓勵(lì)采用的授時(shí)方式[1]。該方法采用時(shí)間編碼方式，通過無線電發(fā)射裝置，將高精度原子鐘產(chǎn)生和保持的時(shí)間信息以無線電波為載體進(jìn)行發(fā)播，因其覆蓋范圍廣、傳播損耗小、接收簡單，得到廣泛應(yīng)用[2]。

低頻時(shí)碼的傳播主要有地波和天波兩種方式。地波沿地球表面以繞射的方式到達(dá)接收點(diǎn)，天波經(jīng)電離層反射傳播至接收點(diǎn)[3]。電離層在垂直方向呈現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)，一般分為D層、E層和F層，其中，F(xiàn)層又分為F1層和F2層。夜間D層、E層和F1層基本消失，只剩下F2層仍可用于無線電傳播[4]。這種電離層的晝夜的變化，使低頻時(shí)碼信號(hào)在夜間強(qiáng)于白晝[5]，呈現(xiàn)出“晝?nèi)跻箯?qiáng)”的特點(diǎn)。太陽活動(dòng)會(huì)影響電離層，進(jìn)而對低頻時(shí)碼信號(hào)傳播產(chǎn)生影響。

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心于2007年在河南省商丘市虞城縣新建設(shè)了一座68.5 kHz低頻時(shí)碼發(fā)播臺(tái)，呼號(hào)為BPC[6]。其發(fā)射功率為100 kW，信號(hào)覆蓋半徑約為2 000 km[7]，日發(fā)播時(shí)長21 h[8]，北京時(shí)間早上5點(diǎn)至8點(diǎn)停機(jī)檢修維護(hù)。

2020年6月21日發(fā)生了一次日環(huán)食[9]，我國大部分地區(qū)可見偏食。日食發(fā)生時(shí)，月亮處在太陽和地球中間，遮擋住了部分射向地球的太陽光，在日食區(qū)會(huì)出現(xiàn)短暫的晝夜更替現(xiàn)象。

1 2020年6月21日日環(huán)食及觀測

2020年6月21日日環(huán)食中心食區(qū)橫跨非洲、亞洲、太平洋，如圖1（a）所示①http://www.heavens-above.com/SolarEclipselnteractive.aspx?jdmax=2459021.77865012，圖中圓圈標(biāo)記處為本次日環(huán)食最大食分地。在我國大陸，環(huán)食帶由西藏中部進(jìn)入，從福建南部離開，主要覆蓋貴州東北部、湖南中部、江西南部等地，其他地區(qū)可見不同程度的偏食，如圖1（b）所示。我國部分城市的日食時(shí)刻信息如表1所示[10]。

表1 日環(huán)食時(shí)刻及食甚時(shí)食分

注：本文出現(xiàn)時(shí)間皆為北京時(shí)間（UTC+8h）。

本次監(jiān)測分別在西安臨潼及商洛洛南設(shè)置觀測點(diǎn)，對商丘B(yǎng)PC臺(tái)站發(fā)播的68.5 kHz低頻時(shí)碼信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 觀測系統(tǒng)

高增益環(huán)形天線接收到的低頻信號(hào)，通過饋線傳輸至射頻處理器件，進(jìn)行下變頻濾波等處理，處理所得的信號(hào)通過SDRuno頻譜存儲(chǔ)軟件進(jìn)行采集存儲(chǔ)，本文所用數(shù)據(jù)采集頻次為1s一次。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，保障兩地觀測時(shí)間的一致性。

2 數(shù)據(jù)處理

臨潼觀測點(diǎn)于6月8日至7月5日期間對68.5 kHz信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，洛南觀測點(diǎn)從6月12日至6月21日期間對68.5 kHz信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，在7月6日至7月19日期間進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測。對獲得數(shù)據(jù)的處理過程如圖3所示。

圖3 采集數(shù)據(jù)后處理過程

采集數(shù)據(jù)的整體有效性受外部不穩(wěn)定因素影響，如遠(yuǎn)程連接觀測設(shè)備導(dǎo)致采集中斷等。以保證數(shù)據(jù)可靠性為前提，在對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理前，應(yīng)先篩出有效數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)應(yīng)符合以下幾個(gè)條件：

① 連續(xù)每秒記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)丟失量不超過整體數(shù)據(jù)的3%；

② 連續(xù)時(shí)間內(nèi)，相同數(shù)據(jù)值不超過5條；

③ 在以天為單位的連續(xù)數(shù)據(jù)中，無數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)采集響應(yīng)占用一定量的時(shí)間，造成約42 s采集41s數(shù)據(jù)的情況；且低頻時(shí)碼信號(hào)會(huì)受到干擾和噪聲的影響，出現(xiàn)信號(hào)突變現(xiàn)象。對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理可提高信息量，減少誤差。數(shù)據(jù)平滑可采用多種方法，常用的方法包括自適應(yīng)平滑、簡易平滑、移動(dòng)平均平滑[11]等。其中，移動(dòng)平均平滑在修勻數(shù)據(jù)點(diǎn)的同時(shí)，能夠較為準(zhǔn)確地反映出變化趨勢。本次數(shù)據(jù)平滑處理采用移動(dòng)平均平滑法，平滑參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選為300。

采集數(shù)據(jù)具有晝夜強(qiáng)度差異，為對比1 d中不同時(shí)段的信號(hào)強(qiáng)弱，將數(shù)據(jù)點(diǎn)以二維圖的形式進(jìn)行可視化處理；采集數(shù)據(jù)在不同日期同一時(shí)刻的強(qiáng)度具有相似性，為對比不同日期同一時(shí)間段的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)日期將數(shù)據(jù)分成00:00—24:00的子數(shù)據(jù)，并用自主編寫的python程序?qū)⒍鄠€(gè)子數(shù)據(jù)集成到同一個(gè)二維圖中，以不同線條形式進(jìn)行區(qū)分，以便事后分析。

根據(jù)觀測站的坐標(biāo)位置及自主編寫的python程序，計(jì)算得出觀測站日環(huán)食時(shí)刻信息如表2所示，獲得時(shí)刻值與日食計(jì)算器②http://interesting-sky.china-vo.org/astronomical-database/rishijisuanqi.html相近。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，信號(hào)變化曲線如圖4和圖5所示。圖中實(shí)線為日環(huán)食當(dāng)天數(shù)據(jù)曲線，標(biāo)志初虧、復(fù)圓時(shí)刻為當(dāng)?shù)厝窄h(huán)食的變化時(shí)刻。

表2 觀測點(diǎn)日環(huán)食時(shí)刻表

圖4 臨潼觀測68.5 kHz信號(hào)變化

3 觀測結(jié)果分析

通過24 h內(nèi)信號(hào)的變化曲線可以看出，白天時(shí)段（08:00—18:00）信號(hào)波動(dòng)幅度較為平穩(wěn)，夜間時(shí)段（20:00—24:00，00:00—5:00）及晝夜過渡段（18:00—20:00）信號(hào)波動(dòng)幅度較大。這是因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)電離層反射，白天時(shí)段內(nèi)電離層相對穩(wěn)定，夜間時(shí)段及晝夜過渡時(shí)段內(nèi)的電離層處于變化狀態(tài)。其中， 05:00—08:00為BPC發(fā)播臺(tái)停機(jī)檢修時(shí)間。兩地監(jiān)測68.5 kHz信號(hào)皆呈現(xiàn)“晝?nèi)跻箯?qiáng)”的整體趨勢，符合低頻時(shí)碼傳播隨電離層不同發(fā)生的晝夜變化，且在日環(huán)食期間信號(hào)發(fā)生異常時(shí)刻相近、時(shí)長相似。

3.1 臨潼觀測站

在臨潼觀測日環(huán)食發(fā)生時(shí)段內(nèi)，68.5 kHz信號(hào)存在劇烈變化，該觀測站日食前后約一個(gè)月的其他有效數(shù)據(jù)中，同一時(shí)段內(nèi)信號(hào)平穩(wěn)無異常，如圖4及圖6所示。臨潼觀測點(diǎn)接收的68.5 kHz信號(hào)在日食期間的異常，表現(xiàn)為在15:18附近變?nèi)?，?6:23附近恢復(fù)；在15:59和16:05附近達(dá)到極值，極值時(shí)刻稍晚于當(dāng)?shù)厥成鯐r(shí)刻。在日環(huán)食過程中，太陽輻射各分量均有明顯的變化[12]，其有效輻射主要由地面低頻時(shí)碼輻射和大氣逆輻射所決定，且日食過程中入射到地面的太陽輻射量有一個(gè)作用過程。因此低頻時(shí)碼輻射在日食過程中的減弱較小，幅度的最大變化量與食甚時(shí)的食分值基本上成正相關(guān)，且最大減弱時(shí)刻并非食甚時(shí)刻，而是稍有滯后[12-14]。

圖6 臨潼觀測日環(huán)食期間68.5 kHz信號(hào)變化

3.2 洛南觀測站

在洛南觀測日環(huán)食發(fā)生時(shí)段內(nèi)，68.5 kHz信號(hào)同樣存在劇烈變化，該觀測站日食后約兩周的部分其他有效數(shù)據(jù)中，同一時(shí)段內(nèi)信號(hào)有極微弱的變化趨勢，但幅度均遠(yuǎn)不及日食當(dāng)天，如圖5及圖7所示。洛南觀測點(diǎn)接收的68.5 kHz信號(hào)在日食期間的異常，表現(xiàn)為在15:32附近變強(qiáng)，在16:41附近恢復(fù)；在16:08附近達(dá)到極值，極值時(shí)刻稍晚于當(dāng)?shù)厥成鯐r(shí)刻。洛南觀測站地處秦嶺山脈中，海拔約為1 km。在不吸收電磁能量的真空中，電波的傳輸損耗只與頻率和距離有關(guān)，但實(shí)際上電波傳播的實(shí)際環(huán)境總是涉及到復(fù)雜的傳輸媒介，傳輸媒介的不均勻、多徑效應(yīng)、地貌特征等都會(huì)對信號(hào)產(chǎn)生影響。

圖7 洛南觀測日環(huán)食期間68.5 kHz信號(hào)變化

4 結(jié)語

2020年6月21日日環(huán)食前后，在西安臨潼和商洛洛南兩地對商丘B(yǎng)PC發(fā)播臺(tái)68.5 kHz信號(hào)進(jìn)行觀測。對觀測數(shù)據(jù)分析表明，日食這一天象對低頻時(shí)碼有明顯的影響，作用機(jī)制為影響電離層進(jìn)而影響低頻時(shí)碼信號(hào)傳輸。電離層隨經(jīng)緯度的不同呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間變化，并且伴隨晝夜、季節(jié)、太陽黑子活動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生不同的變化。因此，要進(jìn)一步了解低頻時(shí)碼在空間的傳播特征及太陽活動(dòng)對低頻時(shí)碼授時(shí)的影響，需要開展長期監(jiān)測及研究。

[1] 李國棟. 基于FPGA的低頻時(shí)碼數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安: 中國科學(xué)院研究生院(國家授時(shí)中心), 2007.

[2] 顧卓璟. 低頻時(shí)碼接收系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京大學(xué), 2012.

[3] 靳建新. 長波天波授時(shí)可行性分析[J]. 全球定位系統(tǒng), 2012, 37(3): 5-8+15.

[4] 翟厚濤. VF/ELF電磁波在電離層中的傳播機(jī)理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2007.

[5] 姜濤. 地—電離層波導(dǎo)中甚低頻波晝夜過渡期特性研究[J]. 通信電源技術(shù), 2014, 31(4): 43-45.

[6] 劉小花, 許林生, 華宇. 基于FPGA的便攜式BPC定時(shí)接收機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2012, 35(2): 88-95.

[7] 白燕, 吳貴臣, 許林生. 低頻時(shí)碼接收機(jī)高精度定時(shí)的研究[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2006, 20(3): 102-105.

[8] 李文浩. 低頻授時(shí)設(shè)備優(yōu)化及管理研究—基于商丘低頻臺(tái)[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2020.

[9] 梁志峰, 秦放, 崔方.“6·21”日環(huán)食對光伏發(fā)電及電網(wǎng)運(yùn)行影響分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(7): 1-7.

[10] 何玉囡, 王桂芬.2020—2049年日食的見食情況[J]. 紫金山天文臺(tái)臺(tái)刊, 1993, 12(2): 123-139.

[11] 胡昌林, 王蕾. 一種基礎(chǔ)模糊理論的自適應(yīng)數(shù)據(jù)平滑方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2016, 38(7): 49-51+86.

[12] 季國良. 1987年日環(huán)食的氣象效應(yīng)研究取得成果[J]. 中國科學(xué)基金, 1995(4): 55-56.

[13] “1987年9月23日日環(huán)食期間太陽輻射和大氣重力波的分析研究”課題組. 太陽輻射和地面氣象要素的日環(huán)食效應(yīng)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1990(4): 399-407.

[14] 潘煉德, 苗永瑞. 日環(huán)食對低頻及甚低頻電波傳播的影響[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 1990, 5(1): 38-43.

Observations of low frequency time-code signal during the annular eclipse of June 21, 2020

DAI Shun1,2, LUOJin-tao2, LIU Hai-wen3, LI Shi-feng2, LI Yi-feng2,LI Hao2, LIU Chang-Hong2, LIU Wei2, LIU Yong-peng2

(1. East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China；2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Around the annular eclipse on June 21, 2020, observing systems were installed in Lintong District of Xi’an City and Luonan County of Shangluo City to monitor the 68.5 kHz signal from the Shangqiu BPC station. The recorded data was processed and visualized. Analysises of the signal’s fluctuations were carried out, and the results showed that the amplitude of the low frequency time-code signal fluctuated during the solar eclipse and reached an extreme value after the maximum of the eclipse. Analysises of the signal were implemented based on the change of the ionosphere. The signal’s fluctuations can be caused by the sunrise-sunset effects, and it is suggested that the propagation of the low frequency time-code signal is affected by the solar eclipse. This work provides a reference for studying the low frequency time-code signal during solar eclipses.

annular eclipse; low frequency time-code; ionospheric

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-03-0215-07

戴順, 羅近濤, 劉海文, 等.2020年6月21日日環(huán)食低頻時(shí)碼信號(hào)監(jiān)測[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(3): 215-221.

2021-04-17；

2021-05-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11973046；91736207；42030105；11873050）