升級改造后的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)1

車愛霞，段建文，魏孝峰，萬江紅，萬亞紅，喬建武，高飛

（中國科學院國家授時中心，西安 710600）

升級改造后的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)1

車愛霞，段建文，魏孝峰，萬江紅，萬亞紅，喬建武，高飛

（中國科學院國家授時中心，西安 710600）

為更好地完成授時任務(wù)，對BPL長波授時系統(tǒng)（由中國科學院國家授時中心承建）進行了升級改造。介紹了升級改造后的BPL長波授時系統(tǒng)組成、時頻控制與監(jiān)測方法。改造前、后系統(tǒng)時頻控制指標的統(tǒng)計結(jié)果表明，改造后時號控制精度大幅提高。

BPL授時；時頻監(jiān)控；升級改造

中國科學院國家授時中心（NTSC）承建的我國BPL長波授時系統(tǒng)，始建于20世紀80年代初。該系統(tǒng)采用羅蘭C脈沖發(fā)射體制，以UTC（NTSC）為時間基準，發(fā)射信號載頻為100 kHz。2006年至2009年期間，NTSC對BPL系統(tǒng)進行了現(xiàn)代化技術(shù)改造：采用固態(tài)發(fā)射機代替了電子管發(fā)射機；增加數(shù)字調(diào)制發(fā)播功能，發(fā)播時碼和時號偏差等信息，實現(xiàn)了BPL自主授時；發(fā)播時間由原來的每天8 h變?yōu)?4 h；對時頻控制與監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)施和監(jiān)控方法也進行了全面升級。

1 BPL授時系統(tǒng)組成

升級改造后的BPL授時系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

位于臨潼的國家授時中心時頻基準實驗室產(chǎn)生和保持UTC（NTSC）時間基準；位于臨潼的BPL監(jiān)測站接收BPL輻射信號，監(jiān)測相關(guān)指標。

位于蒲城的國家授時中心時頻監(jiān)控室產(chǎn)生并保持與UTC（NTSC）同步的發(fā)播工作鐘時基T（PU），同時監(jiān)測本地各時間信號及BPL發(fā)射機房送來的相關(guān)信號，計算時號偏差等數(shù)據(jù)信息。T（PU）時基信號和數(shù)據(jù)信息通過光纜傳輸系統(tǒng)發(fā)送給1 km以外的發(fā)射機定時控制系統(tǒng)，作為BPL時號控制的參考。

T（PU）與UTC（NTSC）之間的遠程比對通過臨潼—蒲城微波雙向和GNSS共視兩種方式實現(xiàn)，以微波雙向為主鏈路、GNSS共視為熱備用鏈路。

發(fā)射機工作由發(fā)射機定時與控制單元控制，發(fā)射機房也有時間比對、監(jiān)測系統(tǒng)。

BPL授時系統(tǒng)升級改造，主要是對位于蒲城的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)射機系統(tǒng)的改造，這里主要介紹改造后位于蒲城的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)各部分的功能、原理及性能。

圖1 BPL授時系統(tǒng)組成原理框圖

2 BPL授時系統(tǒng)時頻監(jiān)控方法

2.1 T(PU)與UTC(NTSC)的遠程比對

2008年，NTSC對運行近30年的臨潼—蒲城微波通信系統(tǒng)進行了升級改造。新的系統(tǒng)由雙向1 PPS波道及綜合數(shù)據(jù)波道組成。雙向1 PPS波道完成UTC（NTSC）與T（PU）秒脈沖信號的相互傳遞；綜合數(shù)據(jù)波道主要用于臨潼和蒲城之間的數(shù)據(jù)共享。

系統(tǒng)試運行期間，位于臨潼的時頻基準實驗室和位于蒲城的時頻監(jiān)控室利用車載搬鐘法測量了臨潼到蒲城、蒲城到臨潼的微波系統(tǒng)時間傳遞延遲，并通過分析長期運行數(shù)據(jù)對測試結(jié)果中的隨機誤差進行了修正[1]，完成了系統(tǒng)時延定標。

微波系統(tǒng)改造以前，時頻監(jiān)控室一直采用本地計數(shù)器的測量結(jié)果得到T（PU）與UTC（NTSC）的鐘差（單向時間比對），比對精度較低，加上設(shè)備老化因素，比對誤差絕對值大于30 ns。系統(tǒng)改造后，通過微波綜合數(shù)據(jù)波道，兩地比對數(shù)據(jù)可以共享，使實時雙向時間比對成為可能，比對誤差減小到±5 ns以內(nèi)[1]。

除了利用微波雙向時間比對提高比對精度外，新系統(tǒng)還增加了UTC（NTSC）與T（PU）的GNSS共視比對，作為熱備份鏈路。兩地的GNSS共視接收數(shù)據(jù)通過綜合數(shù)據(jù)波道實時傳遞。GNSS共視比對精度優(yōu)于±5 ns。

微波雙向和GNSS共視鏈路的實時遠程鐘差計算，由多鏈路遠程時間比對數(shù)據(jù)處理軟件自動完成。

2.2 發(fā)播工作鐘時間T（PU）的建立和控制

位于蒲城的時頻監(jiān)控室設(shè)置了兩套T（PU）時基（T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ），互為熱備份。發(fā)播工作鐘時間（T（PU），即T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ）系統(tǒng)的組成原理如圖2所示。

建立T（PU）時，先將其手動調(diào)整到與UTC（NTSC）粗同步，然后由監(jiān)控軟件自動控制。軟件根據(jù)臨潼和蒲城原子鐘組比對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個紙面平均時間尺度TA′，并計算Cs原子鐘相對于TA′的頻偏；再根據(jù)UTC（NTSC）與T（PU）的實時時差，計算頻率補償值并輸出“T（PU）控制命令”至相位微調(diào)器，保證T（PU）的準確度滿足項目要求并盡可能地得到提高。UTC（NTSC）與T（PU）的實時時差首選1 PPS微波雙向鏈路的處理結(jié)果，該鏈路異常時，軟件自動選擇GNSS鏈路，保證T（PU）被可靠控制。

圖2 發(fā)播工作鐘時基T（PU）系統(tǒng)

圖3是2009年8月至2010年7月期間T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ相對于UTC（NTSC）的時差曲線，圖4是上述時間段內(nèi)T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ相對于UTC（NTSC）的日均頻偏曲線。T（PU）相對于UTC（NTSC）的相位被控制在±20 ns以內(nèi)，頻偏控制在±2×10-13以內(nèi)。由圖3可見，除了MJD 55 072前后由于設(shè)備調(diào)試，T（PU）Ⅰ沒有被有效控制，相位偏離接近- 20 ns以外，其余時間里均被控制在

±10 ns以內(nèi)；圖3和圖4中的MJD 55 159～55 200時間段內(nèi)，無T（PU）Ⅱ相關(guān)數(shù)據(jù)，原因是相關(guān)的CS原子鐘發(fā)生故障，當時該新鐘處于受測試階段，無T（PU）Ⅱ輸出。

圖3 T（PU）相對于UTC（NTSC）的時差曲線（2009年8月至2010年7月）

圖4 T（PU）相對于UTC（NTSC）的頻偏曲線（2009年8月至2010年7月）

2.3 發(fā)射機發(fā)射時號的相位控制

改造后的BPL授時系統(tǒng)在原羅蘭脈沖發(fā)射體制的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)信息發(fā)播功能。采用“三態(tài)脈沖位移字平衡調(diào)制”方式，對每個脈沖組中第3～8個脈沖進行“＋1μ s”、“0”或“－1μ s”的移相，實時播發(fā)時間碼、時號改正數(shù)、閏秒等信息，實現(xiàn)BPL自主授時。“平衡”調(diào)制使BPL老用戶接收機的定時精度基本不受影響[2]。

發(fā)射機輸出的羅蘭脈沖的相位控制原理及系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 發(fā)射時號的相位控制原理和系統(tǒng)組成

發(fā)射機定時與控制單元以時頻監(jiān)控室提供的T（PU）為參考，產(chǎn)生發(fā)射機的基本定時信號（基準1 PPS），同時提取調(diào)制信息編碼器的調(diào)制電文，輸出BPL脈沖組觸發(fā)脈沖序列；發(fā)射機定時與控制單元同時檢測天線電流取樣信號脈沖組第一脈沖第六過零點相位（“6 th”），通過鎖相環(huán)路自動補償發(fā)射通道延遲變化。

調(diào)制數(shù)據(jù)信息包括實時計算的BPL時號改正數(shù)、閏秒信息等，由時頻監(jiān)控室提供。

系統(tǒng)調(diào)試期間，確定了發(fā)射天線端時間信號與UTC（NTSC）同步時，發(fā)射天線電流取樣信號TOC脈沖第六過零點相對于UTC（NTSC）的相位差（稱為標準控制時差）。調(diào)整發(fā)射機的基準1 PPS信號相位，即可調(diào)整觸發(fā)脈沖序列相位，使天線電流取樣信號TOC脈沖第六過零點滿足標準控制時差要求。

對應(yīng)于T（PU）Ⅰ和T（PU）Ⅱ系統(tǒng)，設(shè)置了兩套圖5所示的系統(tǒng)，互為熱備份。

圖6是2009年8月至2010年7月期間兩套定時與控制單元交替工作時“6 th”相對于UTC（NTSC）的變化曲線，變化范圍在±40 ns之內(nèi)。

圖6 “6 th”相對于UTC（NTSC）的波動

2.4 BPL授時系統(tǒng)的監(jiān)測

時頻監(jiān)控室和發(fā)播機房各有一套自動時頻監(jiān)測系統(tǒng)，對BPL授時的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，保證系統(tǒng)可靠運行。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：原子鐘頻偏、T（PU）時基準確度、BPL時號相位偏差、時間碼準確度等，其中原子鐘頻偏、T（PU）時基、BPL時號相位監(jiān)測基于脈沖信號的相位比對數(shù)據(jù)自動進行，BPL發(fā)播的時間碼基于天線電流取樣信號由時碼監(jiān)測軟件完成。系統(tǒng)任一環(huán)節(jié)若出現(xiàn)異常，均自動報警，提醒工作人員及時處理。

3 結(jié)語

BPL授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造，首次采用微波雙向和GNSS共視時間傳遞方法實現(xiàn)T（PU）與UTC（NTSC）的遠程比對，實現(xiàn)了發(fā)播控制工作鐘T（PU）的相位、頻率自動控制，在BPL授時系統(tǒng)中首次采用光纖傳遞標準時頻信號，增加了數(shù)據(jù)信息發(fā)播，實現(xiàn)了BPL自主授時。

改造前、后的各項技術(shù)指標匯總于表1。一年多的試運行證明，BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能完善，控制的各項技術(shù)指標均優(yōu)于系統(tǒng)要求[3-4]。

表1 BPL授時系統(tǒng)改造前、后各項指標比較

[1] 車愛霞. 微波時間傳遞精度和時延分析[J]. 時間頻率學報, 2009, 32(1): 12-17.

[2] 段建文, 王玉林. BPL時碼發(fā)播和自主授時方法[J]. 時間頻率學報, 2008, 31(2): 98-103.

[3] 中國科學院國家授時中心. BPL長波授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造項目總體技術(shù)方案及研制要求[K]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2006.

[4] 中國科學院國家授時中心. BPL發(fā)播控制系統(tǒng)工程實施方案[K]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2006.

Renovated Time-frequency Monitoring System of BPL Time Service

CHE Ai-xia, DUAN Jian-wen, WEI Xiao-feng, WAN Jiang-hong, WAN Ya-hong, QIAO Jian-wu, GAO Fei

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

In order to improve time service, the BPL longwave time service system has been renovated. The composition and controlling/monitoring in the time-frequency monitoring system for the renovated BPL time service are introduced in this paper. The statistical specifications of BPL time service system before and after the renovation prove that the precision and capability of time service are improved greatly.

BPL time service; time-frequency monitoring; upgrading/renovating

P127.1

A

1674-0637(2010)02-0134-06

2010-01-06

中國科學院重大科學裝置維修改造項目

車愛霞，女，高級工程師，主要從事時間頻率發(fā)播控制技術(shù)研究。