羅蘭C TOA-ASF測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高立 李文魁 陳永冰

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033)

羅蘭C系統(tǒng)采用100 kHz低頻波段，電波傳播具有繞射能力強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)、不易受干擾的優(yōu)點(diǎn)。影響羅蘭C定位誤差的因素包括：主副臺(tái)同步誤差、接收機(jī)測(cè)量誤差和電波傳播誤差。其中前兩項(xiàng)的數(shù)值均可控制在0.1 μs量級(jí)。由于海水表面的電波傳播時(shí)延可以準(zhǔn)確計(jì)算，因此電波傳播誤差實(shí)際就是由于電波在陸地上傳播而產(chǎn)生的時(shí)延，即二次相位因子ASF。大多數(shù)羅蘭C導(dǎo)航臺(tái)深入內(nèi)陸，ASF最大可達(dá)7微秒(對(duì)應(yīng)定位誤差2100 m)。ASF是目前制約羅蘭C定位和授時(shí)精度的主要因素[1]。

按羅蘭C測(cè)量參數(shù)為時(shí)差還是偽距，ASF可分為時(shí)差 ASF(TD-ASF)和到達(dá)時(shí)間ASF(TOA-ASF)。TD-ASF修正只能用于導(dǎo)航，而TOA-ASF修正可同時(shí)滿足長(zhǎng)波導(dǎo)航和授時(shí)的需要。目前TOA-ASF修正是當(dāng)前和未來提高羅蘭C性能的核心工作。

1 測(cè)量原理

1.1 系統(tǒng)組成

如圖 1所示，TOA-ASF測(cè)量系統(tǒng)由授時(shí)型GPS接收機(jī)、羅蘭C接收機(jī)、計(jì)數(shù)器以及數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成。GPS用于提供當(dāng)前時(shí)間、位置以及與 UTC時(shí)間絕對(duì)同步的 1PPS 秒脈沖。其RS232C串口輸出NMEA 0183格式的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。羅蘭 C采用 SATEMATE1030接收機(jī)，有RS232C串口輸出和 1PPS/Timing輸出，羅蘭 C通過串口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，通過PPS/Timing口用Timing輸出PCI信號(hào)傳給計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器通道1輸入GPS的PPS信號(hào)，通道2輸入羅蘭C的PCI信號(hào)，GPS信號(hào)開門，羅蘭C信號(hào)關(guān)門，計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)烧叩臅r(shí)間差。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.2 TOA-ASF測(cè)量原理

TOA-ASF測(cè)量的基本原理為GPS共視法。羅蘭 C信號(hào)的周期(PCI或 GRI)和 UTC秒信號(hào)(1pps)不是等周期信號(hào)，羅蘭 C信號(hào)的 CTR與UTC秒信號(hào)只在特定的秒上才是重合的，與羅蘭C信號(hào) CTR 重合的 UTC秒為“符合時(shí)間(TOC)秒”。非TOC秒與其后續(xù)最近出現(xiàn)的CTR之間的間隔為非TOC秒偏差(UNTOC)[2]。

用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量GPS的1PPS與長(zhǎng)波接收機(jī)PCI時(shí)間差，即總時(shí)延T。如圖2所示，總時(shí)延組成為：

圖2 時(shí)延修正示意圖

圖中：UNTOC為非 TOC秒偏差；TTX為發(fā)射臺(tái)同步誤差；ED為發(fā)射延遲；Tpr為電波傳播延遲；TRX為測(cè)量系統(tǒng)延遲；30 μs為接收機(jī)跟蹤第3周末跟蹤點(diǎn)的周期修正量。電波傳播延遲

其中，PF為一次相位因子，SF為二次相位因子。

由式(1)、(2)可得ASF計(jì)算式

上式中，UNTOC可查表或計(jì)算得到；TTX由發(fā)射臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到；發(fā)射延遲ED為已知固定值；接收系統(tǒng)延遲 TRX可實(shí)測(cè)得到；在已知測(cè)點(diǎn)位置的前提下，PF+SF值可準(zhǔn)確計(jì)算。

采用一個(gè)固定測(cè)試點(diǎn)和一個(gè)移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)同步測(cè)量[3]，固定測(cè)試點(diǎn)在距離發(fā)射臺(tái)附近(＜30 km)。T1和 T2分別為固定測(cè)試點(diǎn)和移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量的總時(shí)延，分別為：

對(duì)于固定測(cè)試點(diǎn)，其到羅蘭-C發(fā)射臺(tái)距離很近，SF1、ASF1可忽略。固定測(cè)試點(diǎn)和移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)以 GPS(1pps)作為基準(zhǔn)，則固定測(cè)試點(diǎn)和移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)的接收時(shí)差為△T= T2- T1。因此動(dòng)點(diǎn)的ASF為

T2、T1、TRX2、TRX1可實(shí)測(cè)得到， PF1、PF2及PF2可分別計(jì)算得到。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 組成儀器及設(shè)置

2.1.1 M12MT授時(shí)型摩托羅拉GPS接收機(jī)

M12MT GPS接收機(jī)能同時(shí)鎖定12顆在線GPS衛(wèi)星，其定位精度為10 m(2σ)，授時(shí)精度為20 ns(6σ)。其輸出的位置和UTC時(shí)間及1 PPS作為羅蘭C TOA-ASF測(cè)量的參考基準(zhǔn)。

GPS串口輸出波特率采用默認(rèn)值4800。選擇RMC格式數(shù)據(jù)，獲得GPS定位時(shí)間、經(jīng)緯度及航跡向、對(duì)地速度、定位狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

目前，沒有專家給“微時(shí)代”下一個(gè)準(zhǔn)確的概念，但有不少專家學(xué)者從各個(gè)不同的角度探討和研究了“微時(shí)代”。他們認(rèn)為微時(shí)代是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為載體，依靠智能手機(jī)、平板電腦等便攜式移動(dòng)終端為核心媒介，以微博、微信等應(yīng)用軟件為基本載體，以互動(dòng)性、即時(shí)性、碎片化為主要特征，以做課件、做電影、做小說、做公益等為表現(xiàn)形式的新傳播時(shí)代。

2.1.2 Locus SateMate1030接收機(jī)

該接收機(jī)能同時(shí)接收多達(dá) 40個(gè)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)，信噪比較傳統(tǒng)接收機(jī)至少提高了20 dB，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完備性。該接收機(jī)能輸出偽TOA、場(chǎng)強(qiáng)、信噪比、包周差、位置等參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)Locus接收機(jī)分別采用電天線和磁天線，有利于比較電天線和磁天線的性能。

SateMate1030接收機(jī)采集數(shù)據(jù)前要設(shè)定通信協(xié)議，即B38400,8,n,1。需要輸出場(chǎng)強(qiáng)、包周差、信噪比等要輸入指令為“formate nav 1”。采用“pll臺(tái)站碼”命令對(duì)臺(tái)站信號(hào)進(jìn)行鎖定。鎖定新的臺(tái)站前必須先對(duì)前一臺(tái)站解鎖，指令為 pll off。1PPS/Timing默認(rèn)的輸出是PPS信號(hào)，需輸入指令加以控制，讓其選擇Timing輸出，對(duì)需要測(cè)量的臺(tái)站要指定，其指令為stp pci +發(fā)射臺(tái)，換臺(tái)時(shí)要先進(jìn)行解除指定的臺(tái)站，其指令為stp off。

2.1.3 時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器

試驗(yàn)中采用Aglient 53131A測(cè)量電天線1030羅蘭C接收機(jī) PCI與GPS 1PPS的時(shí)間間隔，采用SP3386計(jì)數(shù)器測(cè)量磁天線1030羅蘭C接收機(jī) PCI與GPS 1PPS的時(shí)間間隔。

(1)Aglient 53131A。每次開始使用時(shí)先按下Recall鍵，計(jì)數(shù)器的 RS232C串口即可連續(xù)輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。按Freq&Ratio鍵，檢查通道1的GPS 1pps的頻率是否為1 Hz，檢查通道2的1030 1 pps的頻率是否為100 kHz，否則調(diào)整DC。穩(wěn)定后按Time&Period鍵則可測(cè)量羅蘭C PCI相對(duì)GPS 1 pps的時(shí)間間隔。

(2)SP3386計(jì)數(shù)器。同上，調(diào)整通道1和通道2的頻率為1 Hz和100 kHz。按下時(shí)間/周期鍵測(cè)量時(shí)間間隔。與53131A不同，SP3386計(jì)數(shù)器無Recall鍵，默認(rèn)狀態(tài)下串口不輸出數(shù)據(jù)，通過RS232串口向計(jì)數(shù)器發(fā)送連續(xù)測(cè)量指令，即“init:cont 1 ”即可。若計(jì)數(shù)器不響應(yīng)時(shí)，重新開機(jī)即可。

2.2 儀器標(biāo)定

2.2.1 GPS定位誤差/定時(shí)(1pps)標(biāo)定測(cè)量

1) 在已知位置(比GPS機(jī)定位精度高1個(gè)或半個(gè)量級(jí))點(diǎn)上，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)用的2個(gè)GPS機(jī)進(jìn)行定位測(cè)量，其絕對(duì)或相對(duì)定位誤差小于10 m。

2) 在任意可重復(fù)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)將 2臺(tái) GPS進(jìn)行定位測(cè)量，其相對(duì)定位誤差小于10 m。

3) 用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器比對(duì)GPS的1pps信號(hào)的前沿的相對(duì)偏差，單次測(cè)量1 min，不小于30次，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果用于精密改正不同接收機(jī)系統(tǒng)偏差。

2.2.2 羅蘭C接收機(jī)通道時(shí)間延遲比對(duì)測(cè)量

在上述測(cè)量GPS同時(shí)，用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，比對(duì)測(cè)量帶有1 pps輸出的羅蘭C接收機(jī)1pps信號(hào)相對(duì)于GPS機(jī)1pps的時(shí)間間隔偏差；不同接收機(jī)在同一地點(diǎn)測(cè)量的數(shù)值會(huì)有所不同；單次測(cè)量一次1 min，不小于30次，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果用于精密改正不同羅蘭C接收機(jī)測(cè)量的系統(tǒng)差。

2.2.3 時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量通道時(shí)間延遲比對(duì)測(cè)量

用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別測(cè)量同一GPS的1 pps，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器測(cè)量誤差。單次測(cè)量 1 min，不小于30次。

2.3 測(cè)量軟件

測(cè)量系統(tǒng)軟件采用Borland C++ Builder5開發(fā)ASF采集處理數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。主界面如圖3所示。該軟件同步完成數(shù)據(jù)采集和 ASF計(jì)算。該 ASF是包含了ASF、發(fā)射同步誤差及測(cè)量系統(tǒng)時(shí)延等在內(nèi)的時(shí)延量，這里稱作粗ASFC。在此基礎(chǔ)上，去掉發(fā)射同步誤差和測(cè)量系統(tǒng)時(shí)延，即可得到ASF。

按功能劃分，該軟件可劃分為：數(shù)據(jù)記錄處理模塊、ASFC計(jì)算模塊、ASFC數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、實(shí)時(shí)串口數(shù)據(jù)顯示、均值和方差計(jì)算模塊。該系統(tǒng)具有以下功能：(1)實(shí)時(shí)讀取串口數(shù)據(jù)；(2)設(shè)置門限值，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選；(3)計(jì)算臺(tái)對(duì)ASFC值，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中；(4)可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和刪除；(5)數(shù)據(jù)庫(kù)可按經(jīng)度、緯度、ASF排序；(6)實(shí)時(shí)顯示串口數(shù)據(jù)；(7)對(duì)定點(diǎn) ASF測(cè)量計(jì)算均值、方差等統(tǒng)計(jì)量；(8)實(shí)時(shí)顯示UTC時(shí)間、航跡向、對(duì)地速度等；(9)ASFC數(shù)據(jù)庫(kù)輸出TXT文檔。

圖3 TOA-ASF測(cè)量軟件主界面

4 試驗(yàn)測(cè)量及其結(jié)論

采用該測(cè)量系統(tǒng)，項(xiàng)目組沿武漢-宣城-海鹽-舟山一線，進(jìn)行了大量動(dòng)態(tài)和靜態(tài) TOA-ASF車載測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)量宣城臺(tái)（8390M）信號(hào)，分別在武漢和宣城臺(tái)附近30 km處進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)量。在距海岸30 km海鹽開始測(cè)量，每隔5 km向海岸進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，在移動(dòng)中進(jìn)行車載動(dòng)態(tài)測(cè)量，并且對(duì)杭州灣大橋和舟山群島進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)中測(cè)得4萬組有效數(shù)據(jù)。在杭州灣大橋、杭州灣南岸和舟山群島海岸測(cè)量點(diǎn)位分布及其初步計(jì)算結(jié)果如圖4～6所示。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的初步處理表明，實(shí)測(cè) TOA-ASF均在合理范圍內(nèi)(1～3 μs)，采用Millington方法進(jìn)行理論預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的TOA-ASF誤差小于20% s，說明該測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，能夠滿足ASF實(shí)測(cè)的需要。

[1]李文魁, 陳永冰, 周永余等. 基于 GPS的羅蘭 C附加二次相位因子修正算法[J]. 聲學(xué)與電子工程,2003(1):35 39.

[2]戴琰. 長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)建立絕對(duì)時(shí)間同步的原理和方法. 2005年全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)交流會(huì).2005,11.

[3]李海奇, 馬松濤, 王仕成. 羅蘭-C ASF修正方法研究[D]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(4):47-51.

圖4 杭州灣大橋測(cè)量點(diǎn)分布

圖5 杭州灣南部海岸測(cè)量點(diǎn)位分布

圖6 舟山群島海岸測(cè)量點(diǎn)位分布