升级改造后的BPL时频监控系统1

车爱霞，段建文，魏孝峰，万江红，万亚红，乔建武，高飞

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

升级改造后的BPL时频监控系统1

车爱霞，段建文，魏孝峰，万江红，万亚红，乔建武，高飞

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

为更好地完成授时任务，对BPL长波授时系统（由中国科学院国家授时中心承建）进行了升级改造。介绍了升级改造后的BPL长波授时系统组成、时频控制与监测方法。改造前、后系统时频控制指标的统计结果表明，改造后时号控制精度大幅提高。

BPL授时；时频监控；升级改造

中国科学院国家授时中心（NTSC）承建的我国BPL长波授时系统，始建于20世纪80年代初。该系统采用罗兰C脉冲发射体制，以UTC（NTSC）为时间基准，发射信号载频为100 kHz。2006年至2009年期间，NTSC对BPL系统进行了现代化技术改造：采用固态发射机代替了电子管发射机；增加数字调制发播功能，发播时码和时号偏差等信息，实现了BPL自主授时；发播时间由原来的每天8 h变为24 h；对时频控制与监测系统的软、硬件设施和监控方法也进行了全面升级。

1 BPL授时系统组成

升级改造后的BPL授时系统组成原理框图如图1所示。

位于临潼的国家授时中心时频基准实验室产生和保持UTC（NTSC）时间基准；位于临潼的BPL监测站接收BPL辐射信号，监测相关指标。

位于蒲城的国家授时中心时频监控室产生并保持与UTC（NTSC）同步的发播工作钟时基T（PU），同时监测本地各时间信号及BPL发射机房送来的相关信号，计算时号偏差等数据信息。T（PU）时基信号和数据信息通过光缆传输系统发送给1 km以外的发射机定时控制系统，作为BPL时号控制的参考。

T（PU）与UTC（NTSC）之间的远程比对通过临潼—蒲城微波双向和GNSS共视两种方式实现，以微波双向为主链路、GNSS共视为热备用链路。

发射机工作由发射机定时与控制单元控制，发射机房也有时间比对、监测系统。

BPL授时系统升级改造，主要是对位于蒲城的BPL时频监控系统和发射机系统的改造，这里主要介绍改造后位于蒲城的BPL时频监控系统各部分的功能、原理及性能。

图1 BPL授时系统组成原理框图

2 BPL授时系统时频监控方法

2.1 T(PU)与UTC(NTSC)的远程比对

2008年，NTSC对运行近30年的临潼—蒲城微波通信系统进行了升级改造。新的系统由双向1 PPS波道及综合数据波道组成。双向1 PPS波道完成UTC（NTSC）与T（PU）秒脉冲信号的相互传递；综合数据波道主要用于临潼和蒲城之间的数据共享。

系统试运行期间，位于临潼的时频基准实验室和位于蒲城的时频监控室利用车载搬钟法测量了临潼到蒲城、蒲城到临潼的微波系统时间传递延迟，并通过分析长期运行数据对测试结果中的随机误差进行了修正[1]，完成了系统时延定标。

微波系统改造以前，时频监控室一直采用本地计数器的测量结果得到T（PU）与UTC（NTSC）的钟差（单向时间比对），比对精度较低，加上设备老化因素，比对误差绝对值大于30 ns。系统改造后，通过微波综合数据波道，两地比对数据可以共享，使实时双向时间比对成为可能，比对误差减小到±5 ns以内[1]。

除了利用微波双向时间比对提高比对精度外，新系统还增加了UTC（NTSC）与T（PU）的GNSS共视比对，作为热备份链路。两地的GNSS共视接收数据通过综合数据波道实时传递。GNSS共视比对精度优于±5 ns。

微波双向和GNSS共视链路的实时远程钟差计算，由多链路远程时间比对数据处理软件自动完成。

2.2 发播工作钟时间T（PU）的建立和控制

位于蒲城的时频监控室设置了两套T（PU）时基（T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ），互为热备份。发播工作钟时间（T（PU），即T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ）系统的组成原理如图2所示。

建立T（PU）时，先将其手动调整到与UTC（NTSC）粗同步，然后由监控软件自动控制。软件根据临潼和蒲城原子钟组比对数据产生一个纸面平均时间尺度TA′，并计算Cs原子钟相对于TA′的频偏；再根据UTC（NTSC）与T（PU）的实时时差，计算频率补偿值并输出“T（PU）控制命令”至相位微调器，保证T（PU）的准确度满足项目要求并尽可能地得到提高。UTC（NTSC）与T（PU）的实时时差首选1 PPS微波双向链路的处理结果，该链路异常时，软件自动选择GNSS链路，保证T（PU）被可靠控制。

图2 发播工作钟时基T（PU）系统

图3是2009年8月至2010年7月期间T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ相对于UTC（NTSC）的时差曲线，图4是上述时间段内T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ相对于UTC（NTSC）的日均频偏曲线。T（PU）相对于UTC（NTSC）的相位被控制在±20 ns以内，频偏控制在±2×10-13以内。由图3可见，除了MJD 55 072前后由于设备调试，T（PU）Ⅰ没有被有效控制，相位偏离接近- 20 ns以外，其余时间里均被控制在

±10 ns以内；图3和图4中的MJD 55 159～55 200时间段内，无T（PU）Ⅱ相关数据，原因是相关的CS原子钟发生故障，当时该新钟处于受测试阶段，无T（PU）Ⅱ输出。

图3 T（PU）相对于UTC（NTSC）的时差曲线（2009年8月至2010年7月）

图4 T（PU）相对于UTC（NTSC）的频偏曲线（2009年8月至2010年7月）

2.3 发射机发射时号的相位控制

改造后的BPL授时系统在原罗兰脉冲发射体制的基础上，增加了数据信息发播功能。采用“三态脉冲位移字平衡调制”方式，对每个脉冲组中第3～8个脉冲进行“＋1μ s”、“0”或“－1μ s”的移相，实时播发时间码、时号改正数、闰秒等信息，实现BPL自主授时。“平衡”调制使BPL老用户接收机的定时精度基本不受影响[2]。

发射机输出的罗兰脉冲的相位控制原理及系统组成如图5所示。

图5 发射时号的相位控制原理和系统组成

发射机定时与控制单元以时频监控室提供的T（PU）为参考，产生发射机的基本定时信号（基准1 PPS），同时提取调制信息编码器的调制电文，输出BPL脉冲组触发脉冲序列；发射机定时与控制单元同时检测天线电流取样信号脉冲组第一脉冲第六过零点相位（“6 th”），通过锁相环路自动补偿发射通道延迟变化。

调制数据信息包括实时计算的BPL时号改正数、闰秒信息等，由时频监控室提供。

系统调试期间，确定了发射天线端时间信号与UTC（NTSC）同步时，发射天线电流取样信号TOC脉冲第六过零点相对于UTC（NTSC）的相位差（称为标准控制时差）。调整发射机的基准1 PPS信号相位，即可调整触发脉冲序列相位，使天线电流取样信号TOC脉冲第六过零点满足标准控制时差要求。

对应于T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ系统，设置了两套图5所示的系统，互为热备份。

图6是2009年8月至2010年7月期间两套定时与控制单元交替工作时“6 th”相对于UTC（NTSC）的变化曲线，变化范围在±40 ns之内。

图6 “6 th”相对于UTC（NTSC）的波动

2.4 BPL授时系统的监测

时频监控室和发播机房各有一套自动时频监测系统，对BPL授时的各个环节进行监控，保证系统可靠运行。监测内容主要包括：原子钟频偏、T（PU）时基准确度、BPL时号相位偏差、时间码准确度等，其中原子钟频偏、T（PU）时基、BPL时号相位监测基于脉冲信号的相位比对数据自动进行，BPL发播的时间码基于天线电流取样信号由时码监测软件完成。系统任一环节若出现异常，均自动报警，提醒工作人员及时处理。

3 结语

BPL授时系统现代化技术改造，首次采用微波双向和GNSS共视时间传递方法实现T（PU）与UTC（NTSC）的远程比对，实现了发播控制工作钟T（PU）的相位、频率自动控制，在BPL授时系统中首次采用光纤传递标准时频信号，增加了数据信息发播，实现了BPL自主授时。

改造前、后的各项技术指标汇总于表1。一年多的试运行证明，BPL时频监控系统稳定可靠，功能完善，控制的各项技术指标均优于系统要求[3-4]。

表1 BPL授时系统改造前、后各项指标比较

[1] 车爱霞. 微波时间传递精度和时延分析[J]. 时间频率学报, 2009, 32(1): 12-17.

[2] 段建文, 王玉林. BPL时码发播和自主授时方法[J]. 时间频率学报, 2008, 31(2): 98-103.

[3] 中国科学院国家授时中心. BPL长波授时系统现代化技术改造项目总体技术方案及研制要求[K]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2006.

[4] 中国科学院国家授时中心. BPL发播控制系统工程实施方案[K]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2006.

Renovated Time-frequency Monitoring System of BPL Time Service

CHE Ai-xia, DUAN Jian-wen, WEI Xiao-feng, WAN Jiang-hong, WAN Ya-hong, QIAO Jian-wu, GAO Fei

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to improve time service, the BPL longwave time service system has been renovated. The composition and controlling/monitoring in the time-frequency monitoring system for the renovated BPL time service are introduced in this paper. The statistical specifications of BPL time service system before and after the renovation prove that the precision and capability of time service are improved greatly.

BPL time service; time-frequency monitoring; upgrading/renovating

P127.1

A

1674-0637(2010)02-0134-06

2010-01-06

中国科学院重大科学装置维修改造项目

车爱霞，女，高级工程师，主要从事时间频率发播控制技术研究。