BPM短波时码授时发播技术方案

蒙智谋



BPM短波时码授时发播技术方案

蒙智谋

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

为适应时频技术的迅速发展，进一步提高BPM短波授时发播系统的服务能力，扩展短波授时服务领域的用户面，在原有的BPM短波授时发播程序中增加短波时码信息是十分必要的。本文介绍了BPM时码授时发播的总体设计方案、BPM时码的格式以及解码流程等。

授时；时间发播；BPM时码

0 引言

设立在中国科学院国家授时中心的BPM短波授时系统是我国授时体系的重要组成部分。短波授时以其固有的优点多年来广泛应用于高空飞行、海上航行、大地测量以及地震监测等部门。目前，我国的短波授时信号中不包含时码信息，而国际上已有许多国家将时码服务增加到短波授时程序中，例如，美国的WWVWWVH，澳大利亚的VNG，俄罗斯的RWMRID等均增加了短波时码服务。这样，短波用户通过时码接收机就可以获取标准时码信息，从而校准钟面以及实现设备运行的自动化。因此，在我国的BPM短波授时程序中插入包括年、月、日、时、分、秒等时间信息码十分必要。通过在发播程序中增加时码信息，可以实现短波时号和短波时码的双重服务，进一步提升我国短波授时功能，满足短波用户定时接收机自动定时的需要。

1 BPM短波时码授时技术总体设计方案

BPM短波授时系统增加时码发播功能在不影响原授时发播和用户使用的条件下进行，因而采用的总体设计方案的要点是：1）保持原BPM短波授时信号发播程序和信号格式不变，即UTC、UT1信号发播时间和信号格式不变；2）只在原发播UTC信号时间段和原UTC秒信号脉冲后插入时码信息；3）参照国际电信联盟的建议书[1]（Rec.ITU-R TF.583-5）以及美国短波授时台WWV/WWVH的时码格式[2]（WWV/WWVH time code format）进行码设计；4）时码信息包含有年、月、日、时、分、秒、UT1改正值和闰秒预告；5）BPM时码采用在125 Hz的副载波上发送二—十进制BCD码方式。

对于BPM时码产生器以及时码接收机的研制，可充分采用微处理技术来实现。利用微处理技术完成时码信息的编码以及解码。BPM时码产生器所产生的编码信息应按照时码的格式要求来产生，该信息插入原BPM短波授时信号中，一起送往短波发射机，从而将时码信息一起发播出去。

时码接收机可分为两类：通用型短波时码接收机和专用型短波时码接收机。通用型短波时码接收机在接受信号过程中可手动选频，通过专用的解码电路来实现用户钟面与标准时间的同步，钟面信息包含有年、月、日、时、分、秒等。专用型短波接收机在接收短波信号时，要能够根据信号强弱、接收点与发射站的距离远近等因素实现自动选频，利用微处理器等特殊电路将时码信号与时号分离，并配有根据地理位置进行时延自动修正的算法和处理单元，以提高专用型短波接收机的定时精度。该专用接收机要求输出短波时号和短波时码两路信号供使用者使用。时码信号通过解码电路实现与钟面同步，钟面显示年、月、日、时、分、秒、UT1改正值和闰秒预告[3]。

由于采用以上总体设计方案，增加时码后不会对原BPM短波用户接收机正常使用产生任何影响；同时也不对原有发播系统产生任何影响，只要将时码产生器生成的时码输出信号并入原BPM短波授时信号发播程序产生器的输出信号中，就可实现BPM短波时码授时发播功能。当然，时码产生器生成的时码输出信号应受到发播控制系统UTC信号的精确控制。

2 BPM时码格式

2.1 BPM时码结构

BPM时码由时码参考标志和时码序列组成。发播一个完整的BPM时码所用的时间称为时帧。BPM时码采用1 min时帧，如图1所示。

图1 BPM时码结构图

2.2 BPM时码编码构成

BPM时码是在125 Hz的副载波上发送二—十进制BCD码，时码以每秒1bit的速度连续提供UTC时码和DUT1数据信息，时码脉冲起始沿滞后于BPMC（BPM短波授时发播的UTC（NTSC））时间信号脉冲起始时刻。时码所承载的信息中包含年（公元年号后两位）、月、日、时、分、闰秒预告、UT1改正值（DUT1精确到0.1 s）。

BPM时码信息采用BCD加权的方式编码，以二—十进制BCD码格式被传送，这种格式用4个二进制码元（比特）代表一位十进制数。这样，二—十进制数的加权值就是1-2-4-8，最小的有效位在前。

2.2.1 比特的构成

BPM短波时码信息中，比特通过125 Hz副载波进行幅度调制产生。其中，200 ms脉冲（125 Hz频率的25个周波）代表“0”比特，480 ms脉冲（125 Hz频率的60个周波）代表“1”比特，每个比特的前沿可以作为准确的时间标志。值得注意的是该时间标志滞后于BPMC秒起始沿20 ms，由于BPMC信号比UTC（NTSC）提前20 ms，所以时码每个比特脉冲的前沿与UTC（NTSC）同步。

2.2.2 BPM时码发播顺序（38比特时码）

BPM短波时码信息包含有38比特，其中，分（7个比特）、时（6个比特）、日（6个比特）、月（5个比特）、年（8个比特）、UT1改正符号及UT1改正值（5个比特）、闰秒预告（1个比特）。通过对这些比特位信息的准确解码就可以得到时码信息中精确的时间信息，图2为BPM短波时码图。

注：P0～P5定位标志（0.800s宽）；W加权码位（0.480s宽）；U未加权码位和非加权控制码元（0.200s宽）；时码脉冲的起始点比UTC秒起始点迟后20ms；P0＋Pr为帧参考标志（Pr空位）；A点UTC—2006年2月28日19:23；A点UT1—2006年2月28日19:23:0.5。

2.3 单个时码比特

时码帧以参考比特Pr和P0组成的一个帧参考标记作为起始位，每秒发送一个比特。P0+Pr实现对钟面秒清零，然后累计帧内脉冲，用比特起始沿进行秒的标记。在时帧内每10s发射一个持续0.8s的定位标记（P1～P5）。

UT1改正值在50～54 s发送，在50 s发送的比特显示UT1对UTC的改正是正或是负，如果发送“1”，UT1改正值是正的；如果发送“0”，UT1改正值是负的。在51～54s组成4bit的BCD码显示改正值的大小，按照国际电联的规定，改正值范围在±0.9s之内。UT1的改正值以0.1s为单位，用0.1乘BCD码组解码值即可获得改正值。

图2显示了时码的一帧，6个定位脉冲称为P0，P1，P2，P3，P4，P5。分、时、日、月、年和UT1位置用方括号标出，并在二进制数位的下面表明加权因子，宽脉冲表示二进制数“1”，窄脉冲表示二进制数“0”。保留不用的二进制位同样设置为“0”。表1为相应于图2的BPM时码表。

表1 相应于图2的BPM时码表

注：1）表中时码信息表示2006年2月28日19:23:00UT1－UTC＝0.5 s，无闰秒；2）时码比特起始点迟后UTC秒起始点20 ms；3）P0＋Pr组成时码标志；4）P0～P5定位标志，宽度为800 ms；5）码元1宽度为480 ms；6）码元0宽度为200 ms；7）UT1符号：码1为正，码0为负；8）闰秒预告：码1闰秒，码0不闰；9）时码采用125 Hz副载波振幅调制。

3 BPM时码解码

图2所示为BPM时码中1 min时帧的一个例子，通过对该时码信息的分析可以说明时码信息的一个基本解码方法。首先，P0+Pr表示帧参考标志位，时码分对应的7 bit中前4位脉宽分别为0.48，0.48，0.2，0.2 s，根据BPM时码中比特的构成可知这4个比特分别表示“1”，“1”，“0”，“0”，根据同样的方法可知分信息的后3个比特分别为“0”，“1”，“0”。根据BPM时码的编码方式可以得到前4位的加权值分别为1-2-4-8，后3位的加权值为10-20-40。因此，分信息可以解算为：1×1＋1×2＋0×4＋0×8＋0×0＋1×0＋0×40＝23，也就是分信息解码出来后表示23分。根据同样的方法可以得到小时、日、月、年以及UT1修正值和闰秒预告的时码信息。

通过以上的解码分析可以知道图2所表示的时间信息解码后为：UTC时间＝2006年2月28日19:23，DUT1为＋0.5 s，无闰秒。

4 BPM时码发播的时间段

图3为每个小时内的BPM发播时间图，其中-00:00～-10:00，-15:00～-25:00，-30:00～-40:00，-45:00～-55:00这4个时间段内发送UTC和时码的信息。-25:00～-30:00，-55:00～-00:00这2个时间段发送UT1和呼号。-10:00～-15:00，-40:00～-45:00这2个时间段是无调制载波时段。短波用户可以根据自己的实际需要在不同的时间段接收不同的时间信息。

图3 BPM发播时间图

5 结语

本文主要介绍了BPM短波时码授时技术的总体设计方案，给出了BPM的时码格式，分析了BPM时码的编码方式，并且对单个时码比特以列表的形式作了详细的说明。此外，在BPM编码的解码方法方面，以具体例子给出了解码过程。目前，已在BPM短波授时5MHz发播频率增加了短波时码，由于发播一个完整的时码程序需要1min，加之电磁环境越来越差，短波信号在外场中一般不太稳定，时间过长易受到干扰。因此，除时码接收机需采用一定抗干扰技术措施外，需要不断探讨和采用新的时码调制方式，以进一步提高时码信号传输和解码可靠性。

[1] International Telecommunication Union. Rec. ITU-R TF.583-5[Z]. [S. L.]: International Telecommunication Union, 2001.

[2] National Institute of Standards and Technology. WWV/WWVH time code format[Z]. Switzerland: National Institute of Standards and Technology, 2002.

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

Dissemination scheme of BPM shortwave time code time-service

MENG Zhi-mou

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

It is necessary to add short wave time codes to the original BPM short wave time service program for keeping up with rapid development of time-frequency technology, improving the service ability of BPM short wave time-service dissemination system, and expanding the user area in shortwave time service. The general design scheme of BPM time code time-service dissemination, BPM time code format and decoding process are introduced in this paper.

time service; time dissemination; BPM time-code

P127.1

A

1674-0637(2014)03-0145-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0145-06

2013-11-14

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。