王雨竹, 秦紅磊, 萬國龍

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

0 引言

時間的應(yīng)用,從民用滿足日常生活、發(fā)展國民經(jīng)濟延伸到軍用國防需求,其廣泛性使授時服務(wù)迅速發(fā)展。自20世紀(jì)無線電通信技術(shù)崛起,我國也跟隨時代要求前后建立各種授時系統(tǒng),且繼2017年授時戰(zhàn)提出之后[1],時間系統(tǒng)被要求自成體系并被列為特殊時期主要攻擊對象之一,因此對授時系統(tǒng)的完備性、靈活性以及授時服務(wù)的彈性、穩(wěn)健性都提出了更高的要求。

為解決目前對衛(wèi)星授時的重度依賴而出現(xiàn)授時方式單一化[2]以及為了操作方便而廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)授時出現(xiàn)保密安全性問題,可對現(xiàn)有多種授時系統(tǒng)進行研究與完善。多方式授時系統(tǒng)可作為主授時源或備份授時源,對其進行研究滿足授時戰(zhàn)[3]對授時系統(tǒng)可靠性以及授時服務(wù)安全性的需求,從而使多種授時方式進行優(yōu)勢互補,確保我國授時服務(wù)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。首先對我國現(xiàn)有整體授時服務(wù)體系進行梳理,從多角度對比各類授時系統(tǒng)服務(wù)性能,包括授時精度、用戶數(shù)量、信號完好體制以及信號校準(zhǔn)體制;其次,選擇其中的陸基無線電授時系統(tǒng)作為主要研究對象,分析BPM短波授時系統(tǒng)、BPL長波授時系統(tǒng)以及BPC低頻時碼授時系統(tǒng)授時信號的發(fā)播程序以及信號格式等,對部分授時系統(tǒng)信號格式進行修正、補充與完善,給出三類授時系統(tǒng)相應(yīng)的信號解算方法,并通過處理實際接收到的信號對解算方法進行驗證,給出三類授時系統(tǒng)的時間信號時域圖;最后,分析我國陸基授時體系的不足,并根據(jù)授時戰(zhàn)需求給出應(yīng)對授時戰(zhàn)的技術(shù)路線。

1 我國整體授時體系

我國主要授時體系,按信號傳播方式可分為陸基無線電授時系統(tǒng)、星基授時系統(tǒng)以及其他授時系統(tǒng)[4]。陸基無線電授時系統(tǒng)主要包括BPM短波授時系統(tǒng)、BPL長波授時系統(tǒng)以及BPC低頻時碼授時系統(tǒng);星基授時系統(tǒng)主要是衛(wèi)星授時系統(tǒng)、數(shù)字電視授時;其他授時系統(tǒng)主要有電話授時、網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)以及新型授時方法等。

陸基無線電授時以無線電發(fā)播方式作為時間信息傳遞手段,利用不同頻率的無線電信號作為載波,將時間信息通過不同的調(diào)制方式調(diào)制到載波上對外播發(fā)。電話授時以公共電話交換網(wǎng)絡(luò)PSTN(public switched telephone network)為服務(wù)平臺,通過點對點撥打授時服務(wù)專線的方式傳遞時間信息[5]。網(wǎng)絡(luò)授時利用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP(network time protocol)等時間協(xié)議獲取時間信息傳遞給時間用戶[6]。衛(wèi)星授時利用衛(wèi)星上的時鐘源作為時間基準(zhǔn)或者將衛(wèi)星作為時間基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)發(fā)中介來發(fā)播時間信息[7],其授時原理以衛(wèi)星定位作為基礎(chǔ),利用四顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)解出定位目標(biāo)空間坐標(biāo)以及時間差[8]?，F(xiàn)代數(shù)字電視授時以數(shù)字電視廣播系統(tǒng)DVB-S(digital video broadcasting-satellite)為基礎(chǔ)平臺,將授時電文插入數(shù)字衛(wèi)星電視信號中,經(jīng)數(shù)字衛(wèi)星電視信道將授時電文發(fā)播出去[9]。除了上述基本的授時方式外,近些年又發(fā)展了一些新型授時方式,如光纖授時、量子時間授時技術(shù)等。各類授時系統(tǒng)的精度以及用戶數(shù)量對比如圖1所示(其中,橫軸授時系統(tǒng)按我國對授時系統(tǒng)研究的先后順序進行排列)。由圖1可知,除新型授時方法外,授時系統(tǒng)的用戶數(shù)量基本上是隨著授時精度的提高而增加的。

圖1 授時精度、用戶數(shù)量對比Fig.1 Comparison of timing accuracy and number of users

此外,對我國主要授時體系在信號完好體制SIS(signal integrity system)以及信號校準(zhǔn)體制SCS(signal calibrationability system)上的對比,如表1所示。信號完好體制指當(dāng)授時信號質(zhì)量降低或不能正常提供時間信息時,授時系統(tǒng)告知用戶時間的可用性的體制,即授時系統(tǒng)是否具有自檢體制;信號校準(zhǔn)體制指授時系統(tǒng)是否具有一定的信號傳播時延校準(zhǔn)體制。由表1可知,授時信號的完好體制與校準(zhǔn)體制如今也成為授時系統(tǒng)的重要組成部分。

表1 信號完好體制與信號校準(zhǔn)體制對比

由上述可知,我國已具備較為完善的授時體系。本文選擇我國授時體系中的陸基無線電授時系統(tǒng)作為主要研究對象,對陸基無線電授時信號進行分析與解算。

2 陸基無線電授時系統(tǒng)信號分析

我國陸基無線電授時系統(tǒng)根據(jù)其使用的不同無線電頻率將其分為:BPM短波授時系統(tǒng),載波頻率為2.5 MHz、5 MHz、10 MHz和15 MHz四個,授時精度為毫秒級;BPL長波授時系統(tǒng),載波頻率為100 kHz,授時精度為微秒級;BPC低頻時碼授時系統(tǒng),載波頻率為68.5 kHz,授時精度為亞毫秒級。其中,BPM短波授時系統(tǒng)為完善其系統(tǒng)性能,于5 MHz載波信號上插入副載波頻率為125 Hz的時碼信號,由于后插入的時碼信號與原時間信號調(diào)制方式不同,為加以區(qū)分,本文將BPM短波授時系統(tǒng)分為BPM短波秒信號授時系統(tǒng)以及BPM短波時碼授時系統(tǒng)。

圖2給出四類陸基授時系統(tǒng)在發(fā)播時間、中斷時長以及時效時間上的對比。發(fā)播時間指由授時系統(tǒng)發(fā)播程序規(guī)定的信號播發(fā)時間區(qū)間;中斷時長指在授時系統(tǒng)發(fā)播時間內(nèi)因系統(tǒng)本身發(fā)播程序的原因造成無法提供時間信息的總時長;時效時間指時間用戶從接收授時信號到可以輸出此授時系統(tǒng)能提供的完整時間信息所用的最短時間。

圖2 陸基授時系統(tǒng)發(fā)播時間、中斷時長、時效時間對比Fig.2 Comparison of broadcast time, interruption time, and time-limitation time of land-based time system

2.1 BPM短波授時系統(tǒng)信號分析

2.1.1 BPM短波秒信號授時系統(tǒng)

我國短波授時服務(wù)主要由呼號為BPM的短波授時臺負(fù)責(zé),于1966年著手籌建,于1981年正式承擔(dān)短波授時服務(wù)任務(wù)。由圖2可知BPM短波秒信號授時系統(tǒng)四種發(fā)播頻率共同合作可提供全天候24 h的短波秒信號授時服務(wù),且此系統(tǒng)是我國唯一一個可提供UT1秒信號的授時系統(tǒng),具有重要價值。

BPM短波秒信號授時系統(tǒng)載波上承載六類信息,其中包括三類時間信息,分別是UTC秒信號、UT1秒信號及整分信號;另包括無調(diào)制載波、BPM呼號莫爾斯電碼以及女生普通話語音廣播。發(fā)播程序[10]以30 min為重復(fù)周期,每周期有UTC秒信號時段15 min、UT1秒信號時段9 min。時間信息與BPM呼號均采用雙邊帶幅度調(diào)制的方式調(diào)制到載波上向外發(fā)播。

時間信息以1 kHz標(biāo)準(zhǔn)音頻信號的不同完整周波數(shù)表示,UTC秒信號長10 ms;UT1秒信號長100 ms;整分信號長300 ms,如圖3所示。

圖3 BPM時間信號格式Fig.3 BPM time signal format

BPM呼號莫爾斯電碼特征為“—····— —·— —”[11],其中“—”由1 kHz標(biāo)準(zhǔn)音頻信號的300個完整周波構(gòu)成,時長300 ms;“· ”由1 kHz標(biāo)準(zhǔn)音頻信號的100個完整周波構(gòu)成,時長100 ms。一個字母的莫爾斯電碼表示方式中“—”與“· ”的時間間隔為100 ms,字母與字母的莫爾斯電碼表示方式之間的時間間隔為300 ms,每遍完整的BPM呼號莫爾斯電碼表示方式之間的時間間隔為700 ms,其格式如圖4所示,即每發(fā)送一遍完整的BPM呼號莫爾斯電碼所耗時4 s,連續(xù)播發(fā)10遍,共耗時40 s。

圖4 BPM呼號莫爾斯電碼發(fā)播格式Fig.4 BPM Morse code broadcast format

無調(diào)制載波只播發(fā)載頻信號,不承載時間信息,用來檢驗標(biāo)準(zhǔn)頻率信息。女生普通話語音廣播內(nèi)容為“BPM標(biāo)準(zhǔn)時間標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)播臺”,播發(fā)兩遍,共持續(xù)20 s。

2.1.2 BPM短波時碼授時系統(tǒng)

BPM短波時碼授時系統(tǒng)采用在125 Hz的副載波上以二進制BCD加權(quán)編碼的方式調(diào)制年內(nèi)儒略日(以每年1月1日為計數(shù)起點,不間斷計數(shù)到每年12月31日)、時、分等時碼信息,并將其插入5 MHz載波上。每一分鐘發(fā)送一幀完整的時碼信息,每秒播發(fā)一個脈沖且秒脈沖上升沿與UTC(NTSC)重合,并以缺少秒脈沖作為幀頭起始標(biāo)志,每幀時碼信息包含59個有效脈沖,其中包括23位時碼信息比特:7位分信息,6位小時信息,10位天數(shù)信息,天數(shù)信息可轉(zhuǎn)換為X月X日信息。BCD編碼以秒脈沖持續(xù)時長的不同表示不同的比特信息:200 ms寬脈沖表示“0”比特,480 ms寬脈沖表示“1”比特,另800 ms寬脈沖為定位分隔標(biāo)志位。2014年,中國科學(xué)院國家授時中心蒙智謀發(fā)表《BPM短波時碼授時發(fā)播技術(shù)方案》一文,指出短波時碼的幀結(jié)構(gòu)[12]。但經(jīng)實驗驗證,目前時碼幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)更改,本文根據(jù)接收到的實際信號,對時碼的幀結(jié)構(gòu)以及標(biāo)志位與權(quán)重進行猜測,更新其幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。更新后的幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過后續(xù)實際實驗得到了驗證,保證與目前正在發(fā)播的BPM短波時碼幀結(jié)構(gòu)保持一致,其中P0～P5為定位分隔標(biāo)志;Pr表示缺少秒脈沖,為幀參考標(biāo)志;P6為保留位。

圖5 BPM時碼幀結(jié)構(gòu)Fig.5 BPM timecode frame structure

2.2 BPL長波授時系統(tǒng)信號分析

專門擔(dān)任我國長波授時的是呼號為BPL的長波授時臺,它是我國首個利用羅蘭-C脈沖信號體制實現(xiàn)陸基授時功能的系統(tǒng),于1975年著手籌建,1983年建設(shè)完成,可提供秒時間信息,但無法提供時碼信息[13];2006年對系統(tǒng)進行技術(shù)改造,增加數(shù)據(jù)發(fā)播功能,可提供時碼信息;2008年,系統(tǒng)完成技術(shù)改造并投入使用。

改造后的BPL長波授時系統(tǒng)采用羅蘭-C信號體制發(fā)播周期性脈沖組信號,與我國羅蘭-C導(dǎo)航臺鏈共用一套信號體制。一個羅蘭-C臺鏈由多個發(fā)射臺組成,其中必須有且只有一個主發(fā)射臺,其他為副發(fā)射臺。副臺一組脈沖組信號發(fā)播8個單脈沖,每個脈沖之間的間隔為1 ms;主臺一組脈沖組信號發(fā)播9個單脈沖,前8個脈沖間隔為1 ms,第8與第9個脈沖之間的間隔為2 ms,作為區(qū)分主副臺的標(biāo)志。副臺脈沖組信號在主臺脈沖組信號播發(fā)完畢后經(jīng)過一定的時間延遲后再進行播發(fā),單個脈沖是根據(jù)鐘形脈沖進行調(diào)制得到的[14]。每個羅蘭-C臺鏈都有各自的信號播發(fā)周期,稱為組重復(fù)周期GRI(group repetition interval),并分為奇數(shù)周期和偶數(shù)周期,奇偶數(shù)周期內(nèi)主副臺根據(jù)不同的相位編碼調(diào)制脈沖組信號[15],羅蘭-C臺鏈的信號播發(fā)格式以及奇偶周期相位編碼規(guī)則如圖6所示(“+”號表示起始相位為0弧度相位,“-”號表示起始相位為п弧度相位)。BPL長波授時臺是獨立于羅蘭-C臺鏈外的授時專用系統(tǒng),作為主發(fā)射臺工作,GRI為60 ms。

圖6 羅蘭-C臺鏈信號發(fā)播格式與相位編碼規(guī)則Fig.6 Loran-C signal transmission format and phase coding rules

BPL長波授時系統(tǒng)的時碼發(fā)播功能主要依靠數(shù)字調(diào)制技術(shù),其采用脈沖位置調(diào)制技術(shù)PPM(pulse position modulation),并發(fā)展出“Eurofix”數(shù)字調(diào)制方法[16]。其調(diào)制原理是對經(jīng)相位編碼后的脈沖組中第3到第8個單脈沖進行三種時移調(diào)制,如圖7所示,并規(guī)定6個被調(diào)制的脈沖需進行平衡調(diào)制,即超前1 μs調(diào)制脈沖個數(shù)要與滯后1 μs調(diào)制脈沖個數(shù)相等。根據(jù)上述編碼原理,從141種平衡調(diào)制狀態(tài)選取128種與標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼(7位一組的二進制碼)建立調(diào)制序列對應(yīng)關(guān)系(調(diào)制圖樣[17])即可將二進制碼調(diào)制到脈沖組信號中,即一組脈沖組信號對應(yīng)7位二進制碼。

圖7 羅蘭-C信號PPM調(diào)制Fig.7 Loran-C signal PPM modulation

BPL長波授時一份完整的幀信息需要同一發(fā)射臺的連續(xù)30組GRI構(gòu)成的210位比特信息[18],其中有56位為授時電文,BPL授時電文有兩類,即授時電文1和授時電文2[17]。授時電文播發(fā)以五組電文為一循環(huán),五組電文中先播發(fā)一組授時電文1,再播發(fā)四組授時電文2。根據(jù)授時電文結(jié)構(gòu)進行解碼即可解算出時碼信息,且當(dāng)前授時電文給出的時間信息是下一組待調(diào)制的30個GRI脈沖組的第一個脈沖的起始時刻。(注:BPL長波授時臺臺標(biāo)識為0001)。

2.3 BPC低頻時碼授時系統(tǒng)信號分析

低頻時碼授時系統(tǒng)是一種特殊的長波授時系統(tǒng),主要應(yīng)用于民用電波表。我國低頻時碼授時臺呼號為BPC,于1994年著手籌建,1999年建成試驗發(fā)播臺,2006年正式于河南商丘建立BPC低頻時碼發(fā)播臺并于2007年正式擔(dān)任低頻時碼發(fā)播任務(wù)[19]。

BPC低頻時碼授時信號以關(guān)斷型OOK信號為基礎(chǔ),采用將幅度與脈沖寬度同時進行調(diào)制的方式將比特信息調(diào)制到68.5 kHz的載波上對外發(fā)播。BPC低頻時碼幀周期為20 s,每秒發(fā)播一個秒脈沖,以秒脈沖不同的占空比表示不同比特信息。其幀結(jié)構(gòu)如圖8所示,各標(biāo)志位含義如表2所示。

圖8 BPC低頻時碼幀結(jié)構(gòu)Fig.8 BPC low-frequency timecode frame structure

表2 BPC標(biāo)志位含義與用法

3 陸基無線電授時系統(tǒng)信號解算

各類授時系統(tǒng)可為時間用戶提供時間信息的前提是對授時信號進行相應(yīng)的解算。本章根據(jù)授時信號的不同特征設(shè)計不同的解調(diào)解算方法,提取時間信息,并根據(jù)實際接收到的信號對解算方法進行驗證,給出實際信號解算結(jié)果圖。

3.1 BPM短波授時系統(tǒng)信號解算

3.1.1 BPM短波秒信號授時系統(tǒng)信號解算

對于BPM短波授時秒信號解調(diào)方法采用相干解調(diào),后利用互相關(guān)法提取其中的時間信息。由于BPM短波秒信號授時系統(tǒng)是我國目前唯一一個既播發(fā)UTC秒信號也播發(fā)UT1秒信號的授時系統(tǒng),要想應(yīng)用其中的秒時間信息,還需對秒信號進行判定與分類,以便于后續(xù)對起始時刻進行校準(zhǔn)處理,其中,雖然整分信號特征不受秒信號種類影響,但也需根據(jù)當(dāng)前播發(fā)秒信號類型將其分為UTC階段整分信號與UT1階段整分信號。時間信息的判定與分類采用峰值檢測的方法檢測時間信號周波個數(shù),具體的判定與分類流程如圖9所示。BPM呼號時段不包含秒時間信息,只能判定BPM呼號開始時刻處于一個小時內(nèi)的第29 min或第59 min。

圖9 BPM時間信息分類Fig.9 BPM time information classification

時間信息分類后,可利用高時間精度的秒脈沖對BPM短波秒信號的起始時刻進行校準(zhǔn)后可輸出相應(yīng)的秒起始時刻。整體的BPM短波秒信號解算流程如圖10所示。

圖10 BPM短波秒信號解算流程Fig.10 BPM shortwave second signal solution flow

根據(jù)上述處理流程,對實際信號進行時間信息的提取如圖11所示,圖11 (a)為整分信號以及UTC秒信號,圖11 (b)為UT1秒信號。

(a) 整分信號與UTC秒信號時域圖

(b) UT1秒信號時域圖圖11 BPM時間信號時域圖Fig.11 BPM time signal time domain plot

3.1.2 BPM短波時碼授時系統(tǒng)信號解算

根據(jù)更新后的幀結(jié)構(gòu),設(shè)計BPM短波時碼授時信號的解算流程。首先對接收到的信號進行相干解調(diào)以及相關(guān)濾波等初步處理后得到數(shù)據(jù)幀信號,數(shù)據(jù)幀以缺少秒脈沖為幀起始標(biāo)志,在對時碼進行解算前需對幀頭位置進行識別:若兩個相鄰脈沖上升沿的時間間隔大于1.5 s,則認(rèn)為后一個上升沿為1 min內(nèi)第1 s的秒起始時刻。幀頭位置識別成功后,再識別脈沖寬度。本文選擇識別上升沿與下降沿并計算相鄰的一對上升沿和下降沿之間的時間間隔作為脈沖寬度的判別標(biāo)志,根據(jù)識別的脈沖寬度輸出一組二進制數(shù)據(jù),按數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)權(quán)重進行時碼的解算。

根據(jù)上述解算流程對實際信號進行處理,圖12給出P1～P2前的數(shù)據(jù),輸出一份二進制數(shù)據(jù)“010000100”,根據(jù)幀結(jié)構(gòu)可解算出處于22分。

3.2 BPL長波授時系統(tǒng)信號解算

對BPL長波授時系統(tǒng)的信號解算分為對信號的解調(diào)以及對授時電文的解算。

根據(jù)長波授時信號的PPM調(diào)制方式,選用互相關(guān)算法對信號進行解調(diào)。選取每個GRI所包含的脈沖組中第一個未經(jīng)調(diào)制的單脈沖作為參考脈沖,將參考脈沖分別與同個脈沖組中第3到第8個單脈沖進行互相關(guān),判定奇偶周期,奇偶周期識別流程如圖13所示。

圖13 BPL周期判定Fig.13 BPL cycle determination

奇偶周期識別成功后,根據(jù)相位編碼規(guī)則對參考脈沖進行相位調(diào)整,將調(diào)整后的參考脈沖再進行時移處理,生成超前1 μs參考脈沖以及滯后1 μs參考脈沖,將三類參考脈沖分別與同一脈沖組中的第3到第8個脈沖進行互相關(guān)累加,比較互相關(guān)累加值,可輸出一組6位解調(diào)序列[14],其互相關(guān)解調(diào)算法流程如圖14所示。

將上述經(jīng)互相關(guān)算法得到的6位解調(diào)序列進行平衡調(diào)制檢驗后與調(diào)制圖樣進行對照即可得到一個十進制數(shù)據(jù),再將此十進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為7位二進制數(shù)據(jù),如此重復(fù)直至找到BPL長波授時數(shù)據(jù)幀幀頭位置。但BPL的數(shù)據(jù)幀并沒有設(shè)置幀頭標(biāo)志,且由于受到羅蘭-C臺鏈信號的交叉干擾導(dǎo)致RS糾錯碼與CRC校驗碼無法使用,因此本文提出并設(shè)計利用數(shù)據(jù)幀中所包含的授時電文信息的前7位比特信息對應(yīng)的脈沖組作為數(shù)據(jù)幀的幀頭位置,即識別到7位二進制數(shù)據(jù)為0100010(授時電文1型)或0100100(授時電文2型)時,則認(rèn)為此對應(yīng)的脈沖組為可能的數(shù)據(jù)幀幀頭位置。為了避免在數(shù)據(jù)幀內(nèi)部也出現(xiàn)0100010或0100100信息組,在識別到此兩種信息組后,再識別此位置后1.8 ms(一組完整數(shù)據(jù)幀時長)位置處的信息組,若同樣為0100100或0100100,則認(rèn)為幀頭識別成功,反之則重新進行幀頭位置的尋找。

圖14 BPL互相關(guān)解調(diào)Fig.14 BPL cross-correlation demodulation

幀頭位置識別成功后,對包含幀頭位置在內(nèi)的30個GRI脈沖組進行互相關(guān)解調(diào)以及平衡調(diào)制校驗等工作后得到210位解調(diào)后的比特信息,其中前56比特為授時電文,根據(jù)授時電文類型進行相應(yīng)規(guī)則的解算,可輸出對應(yīng)的時間信息。其對應(yīng)的信號解算整體流程如圖15所示。

圖15 BPL信號解算流程Fig.15 BPL signal solving process

根據(jù)上述流程對實際信號進行解調(diào)測試,結(jié)果如圖16所示。用“-”表示超前調(diào)制,用“+”表示滯后調(diào)制,用“0”表示未超前滯后,則下圖表示的調(diào)制序列為“0 - + - 0 +”,符合平衡調(diào)制。

圖16 PPM解調(diào)結(jié)果Fig.16 PPM demodulation results

3.3 BPC低頻時碼授時系統(tǒng)信號解算

BPC低頻時碼授時信號幀結(jié)構(gòu)清晰,數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含編碼后的年、月、日、星期、時及分等時碼信息。對時碼信息的解算,首先需對接收到的BPC低頻時碼授時信號進行相關(guān)濾波與包絡(luò)提取等初步處理,后對經(jīng)初步處理得到的數(shù)據(jù)幀進行幀頭位置的識別,由于BPC時碼幀以缺少秒脈沖為幀起始預(yù)告標(biāo)志。因此判定兩個相鄰的脈沖上升沿時間間隔大于1.5 s時,認(rèn)為后一個脈沖上升沿所屬的秒脈沖為P1幀標(biāo)志脈沖。完成幀頭位置識別后,才可對時幀進行時碼解算,隨后對秒脈沖寬度進行識別,識別上升沿與下降沿并計算相鄰的一對上升沿和下降沿之間的時間間隔作為脈沖寬度的判別標(biāo)志,根據(jù)識別的脈沖寬度輸出一組四進制數(shù)據(jù),按照規(guī)定權(quán)重對數(shù)據(jù)進行解碼并轉(zhuǎn)換為二進制后對結(jié)果進行校驗,若校驗失敗,則需重新進行下一時間段的數(shù)據(jù)初步處理以及幀頭識別;若校驗成功,則根據(jù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)與權(quán)重輸出解算的時碼信息。

BPC低頻時碼授時信號除了包含時碼信息外,還隱藏有秒信息:由于數(shù)據(jù)幀每秒發(fā)播一個脈沖,可選擇脈沖的上升沿作為秒起始時刻。在時碼解算成功的基礎(chǔ)上,對下一數(shù)據(jù)幀進行同樣的相關(guān)濾波以及包絡(luò)提取等初步處理后進行秒脈沖上升沿的識別即可輸出含有年、月、日、星期、時、分以及秒起始時刻等授時信息,其具體的解算流程如圖17所示。

圖17 BPC信號解算流程Fig.17 BPC signal solving process

根據(jù)上述的解算流程對實際接收到的BPC低頻時碼授時信號進行相應(yīng)的解算驗證,如圖18所示,根據(jù)脈寬可輸出一組四進制數(shù)據(jù)“200210312301311-1120”,將除校驗位的其他標(biāo)志位轉(zhuǎn)為二進制后的二進制數(shù)據(jù)為“10(P1)0(P2)10(時)10011(分)110(星期)3(P3:奇校驗)111(日)101(月)10110(年)0(P4:偶校驗)”,根據(jù)幀結(jié)構(gòu)判定滿足奇偶校驗,數(shù)據(jù)解碼正確,最終得到時碼信息為“2022年5月7日星期六下午2點19分”。

圖18 BPC完整幀解調(diào)結(jié)果Fig.18 BPC full frame demodulation results

以圖18完整數(shù)據(jù)幀解出的時碼信息作為時間基礎(chǔ),可從下一幀開始進行BPC低頻時碼授時信號的秒信號識別。由于圖18中顯示P1標(biāo)志位為2,表示圖18完整幀起始秒為第41 s,下一完整幀的起始秒應(yīng)為下一分鐘的第1 s,所以進行下一幀第1 s秒信號識別后的時間信息應(yīng)為2022年5月7日星期六下午2點20分1秒。

4 授時體系現(xiàn)狀及發(fā)展展望

從我國目前的授時體系發(fā)展現(xiàn)狀來看,雖然具備了基本的陸基、星基以及網(wǎng)絡(luò)等授時系統(tǒng),但衛(wèi)星授時以其高精度以及方便性占據(jù)了授時系統(tǒng)主導(dǎo)地位,對陸基無線電授時系統(tǒng)以及其他授時系統(tǒng)的應(yīng)用與改進被放在次要地位。從本文研究的BPM、BPL及BPC三類授時系統(tǒng)來說,BPM短波時碼的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計采用一分鐘幀長,占用資源過大且比特保留位過多造成資源浪費;BPL長波授時系統(tǒng)信號體制與羅蘭-C導(dǎo)航臺鏈共用一套,導(dǎo)致交叉干擾的出現(xiàn),會大大降低解碼效率與正確性;BPC低頻時碼授時系統(tǒng)應(yīng)用范圍局限大,目前主要應(yīng)用于民用鐘表。從其他授時體系來說,我國授時系統(tǒng)被禁錮在陸空,對可在水下應(yīng)用的授時系統(tǒng)研究甚少。授時戰(zhàn)的提出將授時系統(tǒng)列入特殊時期主要攻擊對象之一,因此如何能夠有效應(yīng)對授時戰(zhàn)是一個非常值得關(guān)注并研究的問題。

根據(jù)授時戰(zhàn)的要求,本文認(rèn)為可從五個方面對我國的授時體系進行升級與改造,分別是:完備性、穩(wěn)健性、靈活性、可靠性以及抗擾性。

1)完備性:是充分利用各授時系統(tǒng)優(yōu)勢達到協(xié)作授時的關(guān)鍵,在特殊時期下尤為重要。在對于現(xiàn)有授時系統(tǒng)進行改進和完善的基礎(chǔ)上,也可研究新型授時方法,如通過研究水下授時方法,擴充授時體系備份力量,實現(xiàn)立體海陸空授時的全覆蓋,提高授時體系的物理抗打擊性。

2)穩(wěn)健性:為國土范圍內(nèi)能穩(wěn)定接收各類授時信號提供信號基礎(chǔ),包括提高授時信號發(fā)播時間的連續(xù)性以及各授時信號覆蓋范圍的重疊冗余性,以彌補如我國BPM、BPL授時系統(tǒng)中出現(xiàn)授時信號中斷而不能提供授時服務(wù)的情況。

3)靈活性:集成各類授時系統(tǒng),形成自成一體的強機動型且便攜式設(shè)備,保證授時方法切換的靈活性以及信號接收設(shè)備移動上的靈活性。

4)可靠性:對時間發(fā)射與接收設(shè)備進行服務(wù)性能上的改進,應(yīng)尤其注重授時精度與守時精度,由此提高時統(tǒng)設(shè)備提供時間信息的正確性和精確性,增強授時信息的可信任程度。

5)抗擾性:綜合考慮有線授時與無線授時系統(tǒng),對信號體制以及硬件接收設(shè)備進行合理設(shè)計,以提高授時信號對抗外界人為干擾能力以及各類信號之間的相互干擾,如BPL的交叉干擾等。

根據(jù)上述內(nèi)容,簡化應(yīng)對授時戰(zhàn)的技術(shù)路線如圖19所示。

圖19 應(yīng)對授時戰(zhàn)技術(shù)路線Fig.19 Technical route dealing with the time-based warfare