楊朝中，李實鋒，胡召鵬，閆溫合,2，袁江斌

增強型羅蘭授時發(fā)射機發(fā)播控制精度分析

楊朝中1，李實鋒1，胡召鵬1，閆溫合1,2，袁江斌1

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院大學，北京 100049）

發(fā)播控制精度是發(fā)射機的關(guān)鍵指標之一，決定著增強型羅蘭授時系統(tǒng)的性能。通過對影響發(fā)播控制精度誤差源的分解，理論分析發(fā)播控制精度能達到的性能為30 ns。通過對BPL長波授時臺實際信號的測試，分析統(tǒng)計發(fā)播控制精度的實際性能優(yōu)于11ns，能滿足現(xiàn)有增強型羅蘭差分授時應(yīng)用方案對發(fā)播控制精度的需求。

增強型羅蘭；授時發(fā)射機；發(fā)播控制

0 引言

目前我國在運行的增強型羅蘭（eLoran）授時發(fā)射機共計有七部，包括BPL長波授時系統(tǒng)一部和長河二號系統(tǒng)六部，增強型羅蘭信號基本覆蓋我國中東部地區(qū)及近海領(lǐng)域，地波信號覆蓋范圍內(nèi)用戶的定時精度可達1 μs。發(fā)射機是增強型羅蘭授時系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是以溯源至國家標準時間UTC（NTSC）的高精度時間頻率信號和時間信息為基準，由增強型羅蘭發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生適合大范圍覆蓋的大功率增強型羅蘭授時信號[1-5]。

發(fā)播控制精度是授時發(fā)射機的關(guān)鍵指標，提高發(fā)播控制精度以便輸出更加穩(wěn)定的羅蘭授時信號是增強型羅蘭發(fā)射機的研究方向之一，并且可以有效支撐包括差分羅蘭在內(nèi)的提高用戶定時精度的應(yīng)用。根據(jù)高精度地基授時系統(tǒng)的建設(shè)方案，我國將在西部地區(qū)新建三座增強型羅蘭授時臺，結(jié)合已有的羅蘭授時臺將基本實現(xiàn)我國增強型羅蘭授時信號的全國土覆蓋；高精度地基授時系統(tǒng)項目將在我國重點區(qū)域建設(shè)羅蘭差分站，在差分信號作用范圍內(nèi)為用戶提供優(yōu)于100 ns精度的授時服務(wù)；發(fā)播控制精度的提高可以更好地支撐我國羅蘭差分系統(tǒng)的建設(shè)[6-11]。

1 增強型羅蘭授時發(fā)射機發(fā)播控制分析

增強型羅蘭授時發(fā)射機輸出穩(wěn)定的授時信號，是實現(xiàn)高精度差分修正的前提，羅蘭差分系統(tǒng)才能對路徑傳播時延偏差進行修正，只有提高增強型羅蘭授時發(fā)射機發(fā)播控制精度，才能實現(xiàn)高精度地基授時系統(tǒng)要求的100 ns差分定時精度。

1.1 增強型羅蘭授時發(fā)射機工作原理

目前我國在運行的增強型羅蘭系統(tǒng)均采用基于磁半周脈沖發(fā)生器的全固態(tài)羅蘭發(fā)射機，其采用64個半周脈沖發(fā)生器合成功率，產(chǎn)生的大功率半周脈沖（脈沖寬度為5 μs）激勵諧振固有頻率為100 kHz的電感電容網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生100 kHz的大功率正弦波，峰值功率輸出可達2 000 kW。圖1為增強型羅蘭授時發(fā)射機工作原理，通過精確控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和激勵脈沖的幅度與激勵方式，形成大功率的羅蘭-C脈沖波形，再通過耦合∕輸出網(wǎng)絡(luò)與天線調(diào)諧，最終將大功率的羅蘭-C脈沖信號發(fā)射出去。

圖1 增強型羅蘭授時發(fā)射機工作原理圖

1.2 發(fā)播控制誤差源分解

增強型羅蘭授時系統(tǒng)發(fā)播控制精度是指信號發(fā)播的時間信號與UTC（NTSC）1 PPS偏差的波動情況，發(fā)播控制誤差的來源主要可歸納為以下3類：

① 發(fā)播臺參考時間與UTC（NTSC）之間的同步誤差

該誤差是由發(fā)播臺參考時間與UTC（NTSC）之間的同步偏差和其不確定度引起的。

② 天線相位中心測量誤差

天線的相位中心與其幾何中心理論上應(yīng)保持一致，但在惡劣天氣環(huán)境下，天線的擺動會引起相位中心的波動，從而導致天線相位中心的不確定，導致測量誤差。

③ 信號控制誤差

信號控制誤差主要由編碼誤差、信號調(diào)制誤差、反饋信號與本地信號測量比對誤差和發(fā)射機噪聲誤差等組成。

1.3 發(fā)播控制誤差分析

根據(jù)誤差傳遞的理論分析，觀測值代數(shù)和（差）的誤差，與觀測值個數(shù)的平方根成正比，即觀測值代數(shù)和（差）的誤差平方，等于觀測值誤差平方之和。

2 發(fā)播控制精度測試

2.1 發(fā)播控制精度測試方法

發(fā)播控制精度測試可以用數(shù)據(jù)采集器對電流環(huán)取樣信號直接采樣然后通過軟件進行分析的方法進行測試，但是這種方法不夠直觀，不能對1 PPS信號進行實時比對，本文采用增強型羅蘭定時終端接收發(fā)射天線根部的電流環(huán)取樣信號，進行定時輸出比對測試，剔除定時終端引入的誤差即是授時發(fā)播控制精度。然而，由于定時終端誤差不易分離，因此直接測量定時終端輸出的1 PPS信號與標準1 PPS信號之間的時差，結(jié)合理論分析計算得到授時發(fā)播控制精度。

發(fā)播控制精度測試的時頻基準參考為UTC（NTSC）；增強型羅蘭定時終端輸出的有效1 PPS信號為被測信號；采集時間間隔計數(shù)器輸出的時差測量結(jié)果用于后續(xù)的發(fā)播控制精度指標計算。發(fā)播控制精度測試原理如圖2所示。

圖2 發(fā)播控制精度測試原理圖

2.2 發(fā)播控制精度計算方法

發(fā)播控制精度用1 PPS時差的標準差表示，每秒測量一個數(shù)據(jù)：

3 發(fā)播控制精度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)發(fā)播控制精度測試方案，通過在BPL長波授時發(fā)射機基礎(chǔ)上搭建測試平臺，經(jīng)過30余天的測試，并對測試數(shù)據(jù)進行計算分析，得到定時終端輸出的1 PPS信號與UTC（NTSC）標準1 PPS信號之間時差的標準差為10.564 ns，優(yōu)于理論分析的30 ns的發(fā)播控制精度指標測試結(jié)果見圖3。由于測試方法的限制，測試得到的發(fā)播控制精度包含定時終端的1 PPS抖動誤差，實際的發(fā)播控制精度會優(yōu)于目前測得的指標。

圖3 發(fā)播控制精度測試結(jié)果圖

4 結(jié)語

發(fā)播控制精度是增強型羅蘭授時系統(tǒng)的重要指標，通過對影響發(fā)播控制精度的誤差源進行梳理，理論分析發(fā)播控制能達到的精度；并以BPL長波授時發(fā)射機為基礎(chǔ)搭建發(fā)播控制精度測試平臺，通過對長期測試的結(jié)果進行分析，驗證BPL長波授時發(fā)射機發(fā)播控制精度優(yōu)于11 ns，能滿足現(xiàn)有增強型羅蘭差分授時應(yīng)用方案對發(fā)播控制精度的需求。

[1] 吳海濤, 邊玉敬, 李志剛. 羅蘭-C最新進展及其對我國相關(guān)系統(tǒng)改造的啟示[J]. 陜西天文臺臺刊, 2000(1): 10-18.

[2] 王玉林. Loran-C技術(shù)應(yīng)用擴展[J]. 陜西天文臺臺刊, 2000(1): 1-9.

[3] 吳海濤, 邊玉敬. Loran-C系統(tǒng)的技術(shù)改造與發(fā)展方向[J]. 陜西天文臺臺刊, 2000(2): 130-135.

[4] 機械電子工業(yè)部第二十研究所. GBT 14379-1993. 羅蘭C系統(tǒng)通用技術(shù)條[S]. 北京: 國家技術(shù)監(jiān)督局, 1993.

[5] GJB2718-1996. 羅蘭C導航系統(tǒng)和設(shè)備通用規(guī)范[S]. 北京: 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會, 1996.

[6] 西安導航技術(shù)研究所. SJ/T10700-1996. 羅蘭C導航系統(tǒng)固態(tài)發(fā)射機通用規(guī)范[S]. 北京: 中華人民共和國電子工業(yè)部, 1996.

[7] International Loran Association. Enhanced Loran (eLoran) definition document[P/OL]. (2007-10-16)[2019-03-20].https://loran.org/otherarchives/2007%20eLoran%20Definition%20Document-1.0.pdf.

[8] SAE9990. Transmitted enhanced Loran (eLoran) signal standard[S]. USA: SAE INTERNATIONAL, 2018.

[9] ITU-R M.589-3. Technical characteristics of methods of data transmission and interference protection for radionavigation services in the frequency bands between 70 and 130 kHz[S]. [S.L]: International Telecommunication Union, 2001.

[10] 國發(fā)[2013]8號. 國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012-2030年)[K]. 北京: 國務(wù)院, 2013.

[11] 發(fā)改高技[2016]2736號. 關(guān)于印發(fā)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃的通知[K]. 北京: 國家發(fā)改委, 2016.

Analysis of broadcasting control precision of eLoran timing transmitter

YANG Chao-zhong1, LI Shi-feng1, HU Zhao-peng1, YAN Wen-he1,2, YUAN Jiang-bin1

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The broadcast control accuracy is one of the key indicators for the transmitter, it determines the performance of the eLoran timing system. Through decomposition of error sources which affecting the broadcast control accuracy, the performance of the broadcast control accuracy can be achieved to 30 ns by the theoretical analysis. And by the test and analyze of the actual signal from the BPL long-wave timing station, the actual performance of the broadcast control accuracy is better than 11 ns, which can satisfy the existing eLoran application solutions to transmit control precision demand.

eLoran; timing transmitter; broadcast control

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0317-05

楊朝中, 李實鋒, 胡召鵬, 等. 增強型羅蘭授時發(fā)射機發(fā)播控制精度分析[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(4): 317-321.

2021-04-19；

2021-07-20

中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“西部青年學者”B類資助項目（XAB2018B21）；“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施資助項目（2018777）