BPL长波授时信号传输时延的时间变化分析

2019年2月第39卷第1期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb. ,2019Vol. 39,No. 1文章编号:l〇〇〇-7202(2019)01-0012-05D O I：10.12060/j. issn. 1000-7202.2019.01.03 BPL长波授时信号传输时延的时间变化分析李云1’2’3华宇1’2燕保荣W郭伟W(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)摘要由于GNSS系统的脆弱性,Lomn-C/BPL系统作为GNSS系统的备份研究，受到国内外的重视，但如 何获取高精度的传播时延一直是制约长波系统实现高精度授时的瓶颈。

本文从测量角度出发分析路径时延的空间 变化和时间变化，着重利用实际测量数据分析路径时延的时间变化规律。

结果表明信号传播路径相似、且传播路径 上天气变化相似的条件下相距l〇〇k m内的用户其接收信号的传播时延时间变化规律基本相同，这为长波差分授时 奠定基础。

关键词BPL长波授时信号传输时延时间变化空间变化中图分类号:TN96 文件标识码:AAnalysis on Time Variation Analysis of BPL Long Wave TimeService Signal Transmission DelayU Yun1-2'3H U A Y u1'2Y A N Bao-rong1'2G U O Wei1’2(1. National Time Service Center Xi* an 710600,China；2. Key Lab of Precision Navigation and Timing Technology ChineseAcademy of Sciences X^an 710600,China；3. University of the Chinese Academy of Sciences Beijing 100049,China )Abstract Because of the fragility of the G N S S system, The Loran-C/BPL system has been paid more and more attention at home and abroad, as the backup of the G N S S system. How to get the precise propagation delay is always the bottleneck restricting the realization of high precision timing service in the long wave system. In this paper, the temporal variations and spatial variations of propagation delay are analyzed and the temporal variation is analyzed in detail with the actual measurement data. The result show that the received signal propagation delay temporal variations is basically the same, under the condition that the signal propagation path is similar and the weather condition in the transmission path is similar, hundreds of kilometers away from the users, which provides evidence for the BPL long wave differential timing.Key words BPL long wave timing signal Propagation delay Temporal changes Spatial variations收稿日期=2018-03-02，修回日期=2019-01-16作者简介:李云，（1980.01-)，女，助理研究员，硕士，主要研究方向:高精度地基授时技术。

第1期BPL长波授时信号传输时延的时间变化分析• 13 •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G P S的脆弱性决定重新 启用罗兰系统将其作为G N S S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eLomn 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B P L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 波系统授时精度为〇.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A S F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100k m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B P L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r a4的测量原理如图1所示。

UTC秒图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1P P S信号，通过和标准1PPS(N T S C)信号 进行比对得出两个1P P S的时延差I测试设备连 接图如图2所示,计算公式如式(1)、(2)N = T〇+ Tc+ T0A + 丁接(1)-30-1■接（2)式中：t。

—发播控制精度50ns;t帛—接收机的 时延；r。

—信号起点至信号的第三周正向过零点 的时间具体为30j j l S。

2.2测试误差分析2.2.1发播系统的发播控制误差发播控制精度具体指发播台（蒲城）天线出口• 14 •宇航计测技术2019 年1510100200300 400 500600700800采样点数图3 2018/07月的发播控制精度曲线图Fig. 3 Precision of broadcast control on Jul. 20182.2.2BPL 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。

2.2.3GPS 接收机的1PPS 误差外出测试时，因为测试点没有N T S C 的标准3传输时延的分析在路径时延的概念中，无论一次时延P F 还是二次时延S F 和附加二次时延A S F 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、A S F ，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r <Mte m p o r a l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T 0A = T 0A + TOAtem p o ld(3)式中：m 4—路径时延的平均值；m 4f c m p O T ai——路径时延的随时间的变化量。

根据上面的分析m 4t (i m p (ma 中既包含P F 的波动 又包含了 S F 的波动。

如果B P L 授时信号传播到在1P P S 信号，我们选用G P S 接收机的1P P S 信号作为 标准1PPS。

外出之前将G P S 接收机输出的1PPS 信号与国家授时中心（N T S C )钟房的1P P S 脉冲信 号进行标定，这样将时延值溯源到N T S C 的标准 1PPS。

G P S 接收机输出的1P P S 的标定结果如图4 所示，G P S 接收机1的1P P S 信号与1PPS( N T S C )的 相位差127.7ns, G P S 接收机2的信号比1PPS (N T S C )的相位差 119_9nS 〇.16〇鄉140《120100I.200±撕1500 4 5采样点9:104g 〇10050^1234 567采样点图4 GPS 接收机1PPS 标定曲线图 Fig. 4 GPS receiver calibration9:104图2测试设备连接图Fig. 2 Test equipment connection diagram的信号和1PPS(N T S C )的相位差，由于B P L 发播天 线相位中心不确定，这里采用B P L 发播天线根部的 信号和标准时间1PPS( NT S C )之间的比对结果作为 发播控制精度[6]。

具体包括两部分:1)B P L 发播台 的钟和N T S C 时频基准实验室的钟的比对，这两组 钟通过G P S 共视法实现同步，同步误差在5n s 左 右;2)从B P L 发播天线的根部反馈信号和B P L 发播 台的钟进行比对的结果，每小时产生一个比对数据。