升级改造后的BPM授时发播系统

蒙智谋，车爱霞，雷渝，余力君，谢亮，金泉，王虎



升级改造后的BPM授时发播系统

蒙智谋，车爱霞，雷渝，余力君，谢亮，金泉，王虎

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

为提高BPM短波授时信号质量，更好地完成短波授时任务，国家授时中心对BPM短波授时发播系统进行了升级改造。介绍了升级改造后的BPM短波授时发播系统的组成，工作原理。经近一年的运行，测试数据表明，BPM短波发播系统的改造升级大大提升了系统性能。

BPM授时；升级改造；发播

0 引言

短波授时是利用短波发射机发射标准时间信号和标准频率信号的一种授时手段。用户通过短波无线电接收机接收授时台发播的标准时号，完成本地定时校频。短波授时系统成本较低并且便于维护，能够满足大多数时间频率用户的应用要求。另外，短波授时具有覆盖范围广，用户接收设备简单，操作方便等优点，因此得到广泛应用。

BPM短波授时系统经国务院批准，承担国家短波授时任务[1]。自建成以来，BPM短波授时系统为我国国民经济建设和国防建设发挥了重要作用。经多年长期运行，原发射机设备变陈旧、器件老化、维护困难，为提高系统可靠性和授时发播信号质量，国家授时中心在中国科学院专项经费支持下，从2012年开始，对短波授时系统进行升级改造。目前，已经完成了短波发播系统的核心部分（3部发射机）的升级改造。

1 BPM 授时系统组成

BPM短波授时系统由UTC（NTSC）时间基准保持（守时）系统、时间基准传递系统、时频监控系统、发射控制设备、发射机、天线交换开关、发射天线和监测设备组成[2]。整体组成框图如图1所示。

图1 BPM短波授时系统

UTC（NTSC）时间保持（守时）系统位于陕西临潼，时频监控系统和发射系统位于陕西蒲城。时频监控系统保持发播系统的时频基准并产生规定格式的BPM时号，送给发射系统；同时通过短波接收机接收BPM时号，闭环监测时号准确度。基准传递系统完成UTC（NTSC）守时系统与时频监控系统间时间信号和数据的传递，确保发播工作钟与UTC（NTSC）保持同步。

发射控制设备对时频监控室送来的标准时频信号进行放大、匹配后送往各个发射机。

BPM台共有发射机7部，其中10kW发射机5部（其中3部是升级改造后的全固态发射机，2013年11月28日通过验收），可工作在5，10 MHz和15MHz中任一载波频率上；1.5kW发射机2部，工作频率为2.5 MHz。发射天线共5副，其中4副为水平振子角笼天线，各对应频率2.5，5，10 MHz和15 MHz，另1副为5~20MHz宽带变形对称偶极子天线，作为备用天线可用于除2.5MHz以外的其他3个频点。天线交换开关实现发射机和发射天线或假负载之间的任意组合，以充分利用发射设备以及天线的性能，提高使用效率。为了保证信号调幅度，发射机房配有在线监测示波器等监测设备，用以监测所发各载频信号的调制波形及其失真情况。

2 BPM 授时信号内容格式

BPM短波时号半小时循环一次，每小时的00:00~09:59，15:00~24:59，30:00~39:59，45:00~54:59发播UTC（协调世界时）秒及整分信号；25:00~28:59，55:00~58:59发播UT1秒及整分信号；10:00~14:59，40:00~44:59为无调制载波发播时间；29:00~29:58和59:00~59:58为授时台呼号时间，其中前40s以莫尔斯电码发播BPM呼号，后20 s为“标准时间标准频率发播台”女声汉语普通话通告[2]。

BPM调制信号采用不同长度的1kHz正弦信号表示不同的时号内容。UTC的秒信号为1kHz的10个周期波，宽度10 ms；UT1秒信号为1kHz的100个周期波，宽度100 ms；UTC和UT1的整分信号均为1kHz的300个周期波，宽度300ms。所有信号起始点为零相位，分别对应各自的秒或整分起点。每秒1个秒脉冲，2个秒脉冲间隔1s[3]。上述信号的波形分别如图2、图3和图4所示。

图2 UTC秒信号波形

图3 UT1的秒信号波形

图4 UTC、UT1整分信号波形

无调制载波仅发射标准载频信号，不发射音频调制信号。

为了减少与周边国家短波授时信号之间的相互干扰，BPM的UTC发播时号超前UTC（NTSC）20ms发播。

目前，时频监控系统对UTC时号的时刻控制精度优于±1μs，对UT1时号的时刻控制精度优于±100μs，载频准确度优于±1×10-12。近场的测试结果表明，发射系统和接收设备引入的信号不确定度小于±50μs。

采用4个频率（2.5，5，10，15MHz）交替发播，综合覆盖半径超过3000km，可以覆盖我国的大部分地区[4]。

BPM短波时号通过地波和天波两种方式传播，在距离授时台100 km的范围内，主要使用地波信号定时校频。地波传播比较稳定，在没有天波干扰的情况下，100 km内短波定时精度优于±100μs[5]。随着距离的增加，地波衰减增大，因此100km以外主要利用天波定时校频。天波通过电离层的反射实现信号的传递，但随着距离的增加，信号的稳定性会受到一定的影响，天波定时精度在毫秒量级[5]。

3 BPM全固态发射机系统

2012年，国家授时中心对BPM短波授时台的3部发射机进行升级改造，新的发射机采用全固态设计，由航天23所研制生产，载波功率10kW，可在5 MHz，10 MHz，15 MHz 3个频率之间切换，工作原理如图5所示。整个发射机系统由频率合成器、信号调制器、高精度衰减器、推动级放大器、功率分配器、16个3 kW功放单元、16个滤波器组合、4个4 kW的功率合成器、1个10 kW功率合成器以及定向耦合器构成。

图5 10 kW发射机系统构成框图

频率合成器用来进行频率合成以产生载波频率，频率合成器的频率基准为时频监控室提供的5 MHz并经过匹配放大之后的标准频率。信号调制器对载波频率和音频信号进行幅度调制，产生已调信号。高精度衰减控制板对已调信号进行幅度（发射机输出功率）设置。推动级放大器将已调信号进行第一级放大，并通过功率分配器产生16路信号至16个功率放大模块，各个模块单独滤波，经过滤波器之后的每4路信号进行一次功率合成，从而得到4个功率合成单元，再经过最后的10 kW总功率合成之后送往定向耦合器，然后送到天线辐射出去。

发射机配置较完整的监控和保护系统，发射机的每个模块都处于自身监控系统的监控保护之中，监控与保护组合主要实现对10 kW短波全固态发射机的自检与校准、状态检测与显示、故障监测与自动保护、状态与故障的告警和上报、RF输入信号的直通、衰减及关断等功能。监控与保护组合原理图如图6所示。

图6 监控与保护组合原理框图

监控与保护组合对10 kW短波全固态发射机的故障检测可定位至可更换独立单元，当某个单元发生故障时，可定位故障点、判断故障级别并按故障级别设定自动完成相应的保护操作。监控与保护组合采用光耦、差分电平、光端接口、浮地等方式，实现了较好的抗干扰性能。同时，监控与保护组合采用可编程控制器和MCU相结合的方式设计，系统设计灵活，集成度高。

4 BPM发射机性能测试与发播质量分析

BPM短波授时台经过改造之后的3台10 kW全固态短波发射机，在经过近一年的试运行之后于2013年11月28日通过了中国科学院组织的专家组验收。专家组对发射机的性能指标进行了严格的现场测试，部分测试数据列于表1、表2和表3。测试数据均与国家中短波广播发射机测试标准GB9736-88做了比较。

表1 发射机幅频特性测量值

表2 发射机音频失真度测量值

表3 发射机信噪比测量值

表1为发射机在不同载波频率下测试所得到的信号幅频响应特性，均优于±1dB，符合国标 GB9736-88；表2为发射机音频信号失真度的测量数据，这些数据均符合 GB9736-88相应标准（≤4%）；表3为发射机信号的信噪比测量数据，这些数据也都符合 GB9736-88（≤-56 dB）。因此，新的全固态发射机主要性能指标均优于国家中短波发射机测试标准。

表4给出了新、旧发射机主要参数对比。由表4可见，新的发射机性能大幅提高。总之，测试结果表明，新发射机在性能及发播时号质量等方面较老发射机均有了较大的提升。近一年的试运行表明，新系统工作稳定可靠，时号质量明显提高。图7、图8是2013年5月1日至13日时频监控室利用专用接收机本地接收的BPM系统发播的UTC时号的时刻偏差曲线。

表4 新、旧发射机参数对比

图8 2013年5月1日至13日近场接收的BPM系统发播的UTC时号（10MHz）时刻偏差曲线

5 结语

新的BPM短波授时系统发射设备采用了全固态设计，发射机工作稳定可靠，主要技术指标符合设计要求；发射机配备有完善的自我监控保护系统，操作简单，易于维护，各项测试指标均优于系统要求；近一年的试运行表明系统稳定可靠，该系统已经并将继续为短波用户提供更好的服务。

[1] 中国科学院. BPM短波授时台鉴定技术文件[K]. 中国科学院, 1980.

[2] 漆贯荣. 时间科学基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 时间统一技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

[4] 张尔扬. 短波通信技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.

[5] 陈洪卿. BPM短波时号用户指南[J]. 西安: 陕西天文台台刊(增刊), 1989, 11(3):38-40.

Renovated BPM time-service transmission system

MENG Zhi-mou, CHE Ai-xia, LEI Yu, YU Li-jun, XIE Liang, JIN Quan, WANG Hu

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

For improving the quality of BPM signal and accomplishing the short wave time-service better, the BPM shortwave time-service transmission system has been updated by NTSC(National Time Service Centre). The composition and principle for the renovated BPM shortwave time-service transmission system are introduced in this paper. After nearly one year’s operation, the tests for the system show that the performance of BPM shortwave time-service transmission system has been greatly improved due to the upgrading of the transmission system.

BPM time service; upgrading; transmission

P127.1

A

1674-0637(2014)04-0221-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0221-07

2014-12-16

中国科学院大科学装置改造项目

蒙智谋，男，高级工程师，主要从事短波授时方法与技术研究。