长波定时接收机系统时延的测量改进

刘长虹，季丹



长波定时接收机系统时延的测量改进

刘长虹，季丹

（中国科学院国家授时中心，西安 710600）

为进一步提高用户定时校频精度，我们通过使用移相技术并利用高精度数字存储示波器和高精度计数器，对长波接收系统时间延迟的测试方法进行了改进，获得了比原先更精确的测量结果。

长波定时接收机；时间延迟；罗兰-C

0 引言

由式（1）得

图1 BPL长波定时用户接收时序图

我们在文献[1]的基础上，采用分频钟移相技术，代替了参考接收机，利用现代测量手段对长波定时接收系统的时延进行了反复测量，获得了优于0.04μs的测量精度。另外，对于近距离测量结果如何应用于远距离测量，本文也将给出严格解释。

1 测量方法及测量结果

长波接收系统时间延迟测量框图如图2所示。由罗兰-C信号模拟产生器输出射频信号至小铜环天线（用铜丝弯成直径20cm的圆形小铜环），同时将该射频信号引入数字存储示波器通道1（CH1），示波器通道2（CH2）连接移相分频钟输出的GRP脉冲。

铜环的一端连接罗兰-C信号模拟产生器的输出端，另一端接50Ω接地电阻。一方面是为了让罗兰-C信号模拟产生器输出与发射环阻抗匹配，另一方面是为了从电阻上取出信号送到数字存储示波器的通道1，以便观察信号波形。

与小铜环平面相距约50 cm处，放置长波接收天线。天线平面尽可能与铜环平面平行且两天线的中心连线垂直于天线平面。接收天线通过30 m信号电缆与被测接收机连接。

本地钟的1 PPS秒脉冲信号同时作为计数器1和计数器2的开门信号，被测长波接收机1 PPS信号作为计数器1的关门信号，将与GRP同步了的1PPS信号从移相分频钟输出，作为计数器2的关门信号。

所有实验仪器，包括罗兰-C模拟信号源、移相分频钟、计数器、长波接收机等均采用本地原子钟作为外接频率参考。

图2 接收系统时间延迟测量框图

测试时，从50Ω电阻上取出的罗兰-C信号，由于尚未进行解码，在示波器上将观察到多个交叉零点，如图2左上部波形所示。第6个交叉零点就是第3周末的正过零点，即时间标记点。调整波形位置，使第6过零点落在示波器屏幕的纵向坐标线上。使用数字存储示波器观察时，第1次调整往往不能使第6过零点正好落在屏幕的纵向坐标线上，所以要逐步手动调整，当波形完整呈现纺锤形后锁定，并将该信号进行数字存储，然后将波形逐步展开。

设置计数器采样电平为0.5 V，观察波形的第6过零点，通过分频钟移相操作，使GRP脉冲前沿（幅度为0.5V）与其重合，此时用该示波器观察波形时，可分辨到1小格，相当于0.02μs。

由于磁天线具有“方向效应”，即在一个方向上放置时，接收系统输出的周波相位相对于相反方向放置时接收系统输出的周波相位有180°的相差，对罗兰-C信号而言，就是5μs的时差。所以，要在2个方向上试收，找出输出时差最小的那个方向就是天线放置的正确方向。

图3 1 号被测长波接收机地下室测试结果（2010 年10 月24 日）

图4 2号被测长波接收机地下室测试结果（2010年10月24日）

表1 测量结果

3 测量结果的间接验证

4 关于远区接收时接收系统时延为（-（32.50-30.18）μs）的论证

5 结论与讨论

表2 接收系统时延值 μs

以往曾经采用2付长波接收天线作为实验用天线（一个用作发射天线、一个用作接收天线），在BPL长波监测实验室进行过本实验目的的实验。过去实验中，未考虑连续发播的BPL信号对实验的影响，另外所采用的发射天线为标准长波接收天线，其自身的时间延迟效应及电磁影响都会影响最终结果。这次实验中，我们通过使用分频钟移相技术并利用高精度数字存储示波器和高精度计数器，对长波接收系统时间延迟的测试进行了改进，并且本次实验在地下室进行，有效地屏蔽了连续发播的BPL信号的影响，此外发射天线改用小铜环天线，其自身的时间延迟和电磁影响可忽略，因此所得实验结果与文献[1]接近但精度得到提高。

实验完成过程历时一个月，由于有的设备属外借设备，时间较紧，但本着科学求真的态度，每个阶段的实验都经历反复思考、实验、重复的过程，务求做到对每一步骤均有记录，以便今后分析验证。另外，有关环境（地上、地下）温度变化对实验的影响，有待今后作进一步分析。

本文所述方法为今后其他BPL长波接收系统时间延迟的测量提供了参考，可获得较准确的结果；也可通过与此次被测1号和2号长波接收机进行比对的方法，获得其他BPL长波接收机系统时间延迟的较准确的结果。

致谢 本文工作得到梁仲寰老师的指导和帮助，在此表示衷心的感谢。

[1] 张邦信, 李达铭. 长波定时接收机的时延测量方法[J]. 陕西天文台台刊, 1980, 3(2): 57-63.

[2] 刘长虹, 苏建峰, 梁仲寰. 罗兰-C用户定时接收系统的时延精确测量探讨[C]//2007全国时间频率学术会议论文集. 宜昌: 2007中国时间频率学术年会组委会, 2007: 377-379.

附录1：近区接收圆环发射的罗兰-C信号时，磁接收天线感应电动势的波形计算

由于工作波长=3km，所以圆环上电流强度视为均匀的，相位也认为一致。圆环电流在其附近产生的电磁场主要是来自直达波，周围环境贡献的二次场可忽略不计。这样，我们可以将问题简化为求在无界自由空间中圆环电流的场。

在无界空间，式（F.2）的解为

附图1 球坐标示意图

附图2 近区接收罗兰-C长波信号感应电动势变化

附图3 远场接收罗兰-C长波信号感应电动势变化

Improvement in measuring time delay of long wave timing receiver system

LIU Chang-hong, JI Dan

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

In order toimprove theprecision of timing/frequency-calibrating for users, we improved the method of measuring the timing-delay of the long wave timing receiver system using the phase-shifting technique, high-precision digital storage oscilloscope and high-precision counter, so as to obtain a measurement with better precision than before.

long wave timing receiver; time-delay; Loran-C

TN965.5

A

1674-0637(2014)04-0049-08

2013-01-25

刘长虹，男，高级工程师，主要从事电波传播与监测研究。