BPL 长波授时信号传输时延的时间变化分析

李 云 华 宇 燕保荣 郭 伟

（1.中国科学院国家授时中心，陕西西安710600；2.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，陕西西安710600；3.中国科学院大学，北京100049）

1 引 言

国外利用长波信号授时大约有70年的历史，2001年9月，美国政府鉴于GPS 的脆弱性决定重新启用罗兰系统将其作为GNSS 系统的备份。 近年来美国、俄罗斯、英国和韩国等国家都在完成eLoran系统改造建设的基础上，开始罗兰差分站的研究和设计，力图使无线电授时系统的授时精度和GNSS系统相比拟。

我国从20世纪80年代建设BPL 长波系统［1］。为进一步提升长波授时系统的功能与性能，2008年中国科学院国家授时中心完成了长波授时系统的现代化技术改造，用固态发射机取代电子管发射机，对发播控制系统进行了全面的升级改造，并且采用Eurofix 技术增加了时码信息等数据，改造后长波系统授时精度为0.5μs 左右，其中长波信号传播时延的确定仍然是长波系统授时技术发展的瓶颈［2］。由于路径时延的影响因素众多，包括大气折射率、大地电导率和介电常数，同时实际的传输路径上这些因素不是单一的数值，造成长波信号路径传输时延的计算和测量中的困难［3］。 有学者提出用模式计算和实测相结合的方法解决长波信号传播ASF 修正问题［4］。 近期启动的国家重大科技基础设施建设项目——高精度地基授时系统的项目将对长波差分技术展开深入的调研、分析研究和设计实现。

本文从路径时延测量的角度出发，分析路径时延在时间和空间上的变化，重点分析研究用户之间相距100km 内的情况下，信号路径时延随时间的变化规律。 这为长波差分授时的研究奠定基础。

2 路径时延的测量

2.1 测量原理

BPL 长波信号传播时延，指的是定时标记点——信号载频第三周正向过零点——的传播时间，这个时间具体定义为从发射天线上信号电流波形出现第三个正向过零点瞬间算起，至接收磁天线上产生这个第三个正向过零点瞬间为止所经历的时间叫做定时标记点传播时间，简称信号传播时延［5］。 信号路径时延TOA 的测量原理如图1所示。

图1 路径时延的测量原理Fig.1 Measurement principle of propagation delay

在点A 放置一长波监测接收机接收长波信号解调输出1PPS 信号，通过和标准1PPS（NTSC）信号进行比对得出两个1PPS 的时延差N。 测试设备连接图如图2所示，计算公式如式（1）、（2）

式中：τ0——发播控制精度50ns；τ接——接收机的时延；Tc——信号起点至信号的第三周正向过零点的时间具体为30μs。

2.2 测试误差分析

2.2.1 发播系统的发播控制误差

图2 测试设备连接图Fig.2 Test equipment connection diagram

发播控制精度具体指发播台（蒲城）天线出口的信号和1PPS（NTSC）的相位差，由于BPL 发播天线相位中心不确定，这里采用BPL 发播天线根部的信号和标准时间1PPS（NTSC）之间的比对结果作为发播控制精度［6］。 具体包括两部分：1）BPL 发播台的钟和NTSC 时频基准实验室的钟的比对，这两组钟通过GPS 共视法实现同步，同步误差在5ns 左右；2）从BPL 发播天线的根部反馈信号和BPL 发播台的钟进行比对的结果，每小时产生一个比对数据。 2018年7月的比对结果如图3所示，从图3 中看出BPL 发播控制系统和时频基准实验室标准秒1PPS（NTSC）之间的相位差平均为35ns 左右，最大值为49.9ns，最小值为12ns。

图3 2018／07月的发播控制精度曲线图Fig.3 Precision of broadcast control on Jul.2018

2.2.2 BPL 接收机的系统误差

长波接收机的系统时延厂家已经进行精确标定，长波接收机1 的时延平均值为57 500ns，长波接收机2 的时延平均值为57 200ns。

2.2.3 GPS 接收机的1PPS 误差

外出测试时，因为测试点没有NTSC 的标准1PPS 信号，我们选用GPS 接收机的1PPS 信号作为标准1PPS。 外出之前将GPS 接收机输出的1PPS信号与国家授时中心（NTSC）钟房的1PPS 脉冲信号进行标定，这样将时延值溯源到NTSC 的标准1PPS。 GPS 接收机输出的1PPS 的标定结果如图4所示，GPS 接收机1 的1PPS 信号与1PPS（NTSC）的相位差127.7ns，GPS 接收机2 的信号比1PPS（NTSC）的相位差119.9ns。

图4 GPS 接收机1PPS 标定曲线图Fig.4 GPS receiver calibration

3 传输时延的分析

在路径时延的概念中，无论一次时延PF 还是二次时延SF 和附加二次时延ASF 都有明确的概念不会将其混淆。 但是在实际测量中得到路径时延的总和值，无法分辩出哪一部分是PF、SF、ASF，只能把路径时延作为一个整体来分析。

3.1 传输时延的时间变化TOAtemporal

路径时延的时间变化是指对于一个固定点的用户，路径时延随时间的变化更确切的说是路径时延随天气和季节的变化。 具体来说，天气和季节的变化会引起大气折射率的变化导致一次时延的变化；天气和季节的变化引起的气温变化和降水引起地面温湿度的变化导致地面大地电导率和介电常数的变化，从而导致二次时延的变化，进而引发路径时延的变化［7］。 假设用户A 路径时延表示为

式中：TOA ——路径时延的平均值； TOAtemporal——路径时延的随时间的变化量。

根据上面的分析TOAtemporal中既包含PF 的波动又包含了SF 的波动。 如果BPL 授时信号传播到在区域A 内所有用户，在信号的传播路径上天气条件和地理因素基本相同，在这一区域内的用户路径时延的波动TOAtemporal是否基本一致，这是本文重点研究分析的对象。

3.2 路径时延的在空间变化TOAspatial

不同用户之间由于位置的不同，信号传播的路径和距离的差异，导致路径时延的不同称为空间变化。 它主要由信号的传输距离、信号的传输路径上地质和地理条件等等空间的不同而引起称为路径时延的空间变化［8］。 假设A、B 两用户，则两个用户路径时延的空间差异为

式中：TOAspatial——包含A、B 两点一次时延和二次时延的空间差异——A，B 两个用户点接收信号的路径时延在同一时间段内的平均值。

4 传输时延时间变化的分析

按图2所示设备连接关系，在榆林市境内利用两套标定过的设备进行测试。 从7月13日到15日同时在两个地点：榆林和红碱淖测试，从7月17日到19日同时在榆林和横山测试。 各个测试点具体位置以及与发播台的距离见表1。

表1 测试点的位置和距离Tab.1 The location of the test point

4.1 固定点用户时延的时间变化分析

在陕西省榆林市的测试结果见表2，连续6 天的测试过程中，天气情况基本相同，测量数据的平均值和标准差基本一致；图5 中红碱淖测试点14日和15日的数据波动规律基本相同；图6 中横山测试点17日和18日的数据波动规律基本相同。 从以上3 个测试点的分析得出，每个测试点以天为单位的昼夜变化规律基本相同，在10 时左右开始上升到14 时左右到达峰值，然后开始缓慢下降到19 时左右开始呈现平稳的趋势，每天的变化中最大值和最小值的差在100ns 以内。

表2 榆林测试点信号传输时延数据Tab.2 The signal transmission delay in Yulin

图5 红碱淖路径时延波动波形图Fig.5 Propagation delay curve in Hong Jiannao

图6 横山路径时延波动比较波形图Fig.6 Propagation delay curve in Hengshan

4.2 用户间路径时延随时间变化分析

以不同的测试点在同一时间段的测试数据进行分析研究。 榆林和红碱淖同一时间段内测量数据波动的比较如图7所示。 从14日和15日两天的波动比较看出两个测试点的波动规律基本相同，红碱淖比榆林测试点的波动幅度要大。 17日和18日两天榆林和横山的波动比较曲线如图8所示，看出两个测试点的波动规律一致，波动曲线吻合度比榆林和红碱淖波动曲线好。 由于测试设备数量的限制，不能在三个点同时进行测量，但是从前面的榆林的原始数据曲线图中看出，榆林测试点6 天的波动规律基本相同，红碱淖和榆林14日和15日的波动规律相同，横山和榆林17日和18日的波动规律相同，这三个测试点昼夜波动规律基本一致。

图7 榆林—红碱淖路径时延波动比较波形图 Fig.7 Comparation between Yulin and Hong Jiannao in temporal variation of delay time

图8 榆林—横山路径时延波动比较波形图Fig.8 Comparation between Yulin and Hengshan in temporal variation of delay time

5 结束语

本文在分析研究BPL 长波授时信号传播时延测量的基础上提出传输时延的时间变化和空间变化的概念，重点对时间变化做了研究。 通过对用户接收信号的传输时延其时间变化规律的分析研究发现：用户之间相距100km 左右的情况下，其路径时延随时间的变化规律和趋势基本一致，这为长波差分授时方法研究的开展奠定了基础。 本文对传输时延的时间变化仅限于短时间的变化的研究，对于传输时延的长时间变化即路径时延随季节的变化没有做深入的分析，另外对传播时延空间变化有待于进一步深入研究。