BPC低频时码授时系统的建立2

BPC 低频时码授时实验系统的建立

吴贵臣

（中国科学陆军陕西天文台西安临潼）

一、概述

我国的长、短波授时体系满足了很多方面的时频应用，但随着科技的发展，愈来俞显得不足。其中明显的两个问题是：授时信号不含时间和日期的数字信息，限制了技术自动系统的使用；用户设备的价格也限制了广大用户的使用。国际电信联盟（ITU—R）一直倡导时码技术的应用，我们针对我国时频资源的现状，进行了授时系统的扩展的研究，其中之五是扩展长波时码授时系统。1994年8月完成了民用低频授时台的可行性预研。1995年初，作为“国家授时系统”的子项目之一，申请国家“九五”大科学工程未果。1996年争取以与企业合作的形式开始工程设计与实施。其间经过漫长的申请道路，1997年3月，国家无委办公室批准使用LF频率的申请。1997年底专门研制的大功率全固态长波发射机运至装机现场，并于1998年5月系统联调成功。

相对于本来就有低频时码发射，在卫星授时先进、普及，然而对低频时码授时产生了新的热情的美国和日本，这次我们走在了前面：美国WWVB电台升级改造计划1997年实施，1999年完成；日本重建JGZAS低频台，1999年6月10日发播。

二、系统设计

1.台站位置

陆基长波授时系统（载频在40——80KHZ）用单台覆盖很大的区域，因此要有较大的功率，因为波长很长，故天线系统相对庞大。这决定了系统要用较大的造价。考虑到：（1）我国原BPL授时系统设备有较大冗余；（2）用户设备中电子器件已有较大进步，整机有较强的保持能力，无需每天多次校准；（3）BPL台位于我国版图中部，适宜以单台覆盖最大面积。故决定在原BPL台基础上进行利用扩展。利用原BPL天线系统，下加双掷高压开关，使二系统分时工作。这样可大大地降低系统造价。存在的问题是不能长时间连续工作，可考虑用充分研究电波传播特点，优化选择工作时间和工作方式的方法加以弥补。因此，台站位置就定于陕西渭北高原之蒲城。

2.频率选择

频率选择要尊重国家和国际无线电管理部门的有关规则和规定。由于规则的不完善、不全面给频率选择带来困难。按国家无委要求，频率要选在70KHZ以下，而已知的天线固有参数又支持向频率高端选择。天线效率要考虑，天线和发射机末端适配的可能性也必须考虑。根据实则，天线的输入阻抗Z

in

=1.82—j88.98，

自谐频率在f

r =117.5KHZ。在f

o

=60KHZ时，天线阻抗呈现很小的直流电阻和很大

的容性电抗。要仔细设计发射机末端的调配网络和馈电系统，以保证较小的损耗而获得最大的效率。最后在无委的建议下，在60-70KHZ之间，频率选择了68.5KHZ。

3.功率和和发射机

天线辐射功率取决于典型用户对一定距离上的辐射声强的要求。所选频率的授时信号的传播依赖空间波（天波）和地波的综合效果。其基本模式是地波和一跳天波。在一跳天波可能到达的最大距离2000—2500KM的距离上，一般无线电

遥控钟所需信号声强的门限用户反映约为50-80μV/m。

为稳妥起见，用模拟方法在实验室对典型的普通型接收器进行了灵敏度测试。测试结果为90μV/m。据此对低频时码信号的覆盖范围及发射功率进行了估算。地波计算借鉴3263工程经验，将我国大陆地形地貌及典型地区的大地等效电导率分为六个扇区进行。天线按经典射线理论进行计算。计算结果十分乐观。为慎重起见，考虑到我们缺乏大气噪声等资料，日益严重的工业噪声环境干扰等因素不容低估（事实上我们对电磁兼容问题仍缺乏足够的了解和估计），设计要留下一定的余地。最后确实，发射机输出功率送到天线根部不小于50Kw.这样，天线效率如为30%，则辐射功率不小于15Kw。乐观估计，天线效率如不低于50%，天线效率如不低于50%，则辐射功率不小于25Kw。

考虑到发射机技术的进步，由本项目组提出要求，由北京广播器材厂研制生产了有自己知识产权的50Kw全固态发射机。这是目前我国功率最大的全固态发射机，也为进一步发展积累了经验。

4.信号设计

信号设计必须充分考虑该类发射系统的原理要求和限制。参考了国际其他同类台站点的特点，拟定了包括年、月、日、星期等日期信息及时、分、秒等时间信息的全时息编程。为防滥用，普通码留有加密余地。考虑到某些情况下会增发其它信息以满足更广泛需求，拟引进超桢概念，为提高时间信息的效率，也对快捕码进行了一定研究。

三、测试结果

为了便于验证，我们模拟DCF77的信号进行了试播和部分不同距离上的声强测试。测试采用了RR7型干扰声强测量仪和袖珍钟实收的测试方法。初步结果表明，在距发射台半径约700KM的纯地波作用范围内，场强不小于1000μV/m。半径700—1200KM的范围内，可能发生天、地波干涉现象，造成信号增强或削弱，观察到的明显干涉减弱并不十分严重，在大部分地区持续时间不长。除此以外的大部分时间里，信号增强时均可大于700μV/m，削弱时也在140μV/m甚至200μV/m以上。

华南沿海地区工业干扰严重，造成信噪比严重下降。信噪比较好时均可以正确解码。正常夏季日间典型场强均在130μV/m以上。有些时间可能因干涉原因，信号可能降至60-80μV/m，但只要干扰小，仍可正确解码。我们委托俄罗斯伊尔库茨克VS NIIFTRI的科技人员用专门仪器，用环形、鞭形两种天线对我们的信号进行了两次测试。伊尔库茨克距发射台近2000Km，测试结果分别为：120μV/m和140μV/m，130μV/m和160μV/m。

四、发展和应用前景

我们完成了第一步的工作，即低频时码的发播。将进行深入的传播研究以改进和帮助信号的利用。以后还将进行如最小移想键控等技术应用的研究和实验，以期获得较高的精度（如十几微秒、几十微秒等）。

产业界热心将产生巨大的推动力。如钟表业界认为，将对计时器产业的方向产生巨大影响。信号和传播特征的深入研究，也许能为较高精度（几十微秒）的应用提供可能。

从国际动态来看，我们在互联网上看到，美国WWVB台的升级改造仍在继续进行中。而最新得到的消息，日本CRL在新建JGZAS台之后，正准备在九州岛上建立第二个新的低频授时台。这对我们来说是鞭策、是挑战，也更让我们坚定了信心和决心。