升級(jí)改造后的BPM授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)

蒙智謀，車愛霞，雷渝，余力君，謝亮，金泉，王虎

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升級(jí)改造后的BPM授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)

蒙智謀，車愛霞，雷渝，余力君，謝亮，金泉，王虎

（中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600）

為提高BPM短波授時(shí)信號(hào)質(zhì)量，更好地完成短波授時(shí)任務(wù)，國家授時(shí)中心對(duì)BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。介紹了升級(jí)改造后的BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的組成，工作原理。經(jīng)近一年的運(yùn)行，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，BPM短波發(fā)播系統(tǒng)的改造升級(jí)大大提升了系統(tǒng)性能。

BPM授時(shí)；升級(jí)改造；發(fā)播

0 引言

短波授時(shí)是利用短波發(fā)射機(jī)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的一種授時(shí)手段。用戶通過短波無線電接收機(jī)接收授時(shí)臺(tái)發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)號(hào)，完成本地定時(shí)校頻。短波授時(shí)系統(tǒng)成本較低并且便于維護(hù)，能夠滿足大多數(shù)時(shí)間頻率用戶的應(yīng)用要求。另外，短波授時(shí)具有覆蓋范圍廣，用戶接收設(shè)備簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。

BPM短波授時(shí)系統(tǒng)經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，承擔(dān)國家短波授時(shí)任務(wù)[1]。自建成以來，BPM短波授時(shí)系統(tǒng)為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)發(fā)揮了重要作用。經(jīng)多年長期運(yùn)行，原發(fā)射機(jī)設(shè)備變陳舊、器件老化、維護(hù)困難，為提高系統(tǒng)可靠性和授時(shí)發(fā)播信號(hào)質(zhì)量，國家授時(shí)中心在中國科學(xué)院專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，從2012年開始，對(duì)短波授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。目前，已經(jīng)完成了短波發(fā)播系統(tǒng)的核心部分（3部發(fā)射機(jī)）的升級(jí)改造。

1 BPM 授時(shí)系統(tǒng)組成

BPM短波授時(shí)系統(tǒng)由UTC（NTSC）時(shí)間基準(zhǔn)保持（守時(shí)）系統(tǒng)、時(shí)間基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)、時(shí)頻監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射控制設(shè)備、發(fā)射機(jī)、天線交換開關(guān)、發(fā)射天線和監(jiān)測(cè)設(shè)備組成[2]。整體組成框圖如圖1所示。

圖1 BPM短波授時(shí)系統(tǒng)

UTC（NTSC）時(shí)間保持（守時(shí)）系統(tǒng)位于陜西臨潼，時(shí)頻監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)位于陜西蒲城。時(shí)頻監(jiān)控系統(tǒng)保持發(fā)播系統(tǒng)的時(shí)頻基準(zhǔn)并產(chǎn)生規(guī)定格式的BPM時(shí)號(hào)，送給發(fā)射系統(tǒng)；同時(shí)通過短波接收機(jī)接收BPM時(shí)號(hào)，閉環(huán)監(jiān)測(cè)時(shí)號(hào)準(zhǔn)確度?；鶞?zhǔn)傳遞系統(tǒng)完成UTC（NTSC）守時(shí)系統(tǒng)與時(shí)頻監(jiān)控系統(tǒng)間時(shí)間信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳遞，確保發(fā)播工作鐘與UTC（NTSC）保持同步。

發(fā)射控制設(shè)備對(duì)時(shí)頻監(jiān)控室送來的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行放大、匹配后送往各個(gè)發(fā)射機(jī)。

BPM臺(tái)共有發(fā)射機(jī)7部，其中10kW發(fā)射機(jī)5部（其中3部是升級(jí)改造后的全固態(tài)發(fā)射機(jī)，2013年11月28日通過驗(yàn)收），可工作在5，10 MHz和15MHz中任一載波頻率上；1.5kW發(fā)射機(jī)2部，工作頻率為2.5 MHz。發(fā)射天線共5副，其中4副為水平振子角籠天線，各對(duì)應(yīng)頻率2.5，5，10 MHz和15 MHz，另1副為5~20MHz寬帶變形對(duì)稱偶極子天線，作為備用天線可用于除2.5MHz以外的其他3個(gè)頻點(diǎn)。天線交換開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線或假負(fù)載之間的任意組合，以充分利用發(fā)射設(shè)備以及天線的性能，提高使用效率。為了保證信號(hào)調(diào)幅度，發(fā)射機(jī)房配有在線監(jiān)測(cè)示波器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，用以監(jiān)測(cè)所發(fā)各載頻信號(hào)的調(diào)制波形及其失真情況。

2 BPM 授時(shí)信號(hào)內(nèi)容格式

BPM短波時(shí)號(hào)半小時(shí)循環(huán)一次，每小時(shí)的00:00~09:59，15:00~24:59，30:00~39:59，45:00~54:59發(fā)播UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）秒及整分信號(hào)；25:00~28:59，55:00~58:59發(fā)播UT1秒及整分信號(hào)；10:00~14:59，40:00~44:59為無調(diào)制載波發(fā)播時(shí)間；29:00~29:58和59:00~59:58為授時(shí)臺(tái)呼號(hào)時(shí)間，其中前40s以莫爾斯電碼發(fā)播BPM呼號(hào)，后20 s為“標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)播臺(tái)”女聲漢語普通話通告[2]。

BPM調(diào)制信號(hào)采用不同長度的1kHz正弦信號(hào)表示不同的時(shí)號(hào)內(nèi)容。UTC的秒信號(hào)為1kHz的10個(gè)周期波，寬度10 ms；UT1秒信號(hào)為1kHz的100個(gè)周期波，寬度100 ms；UTC和UT1的整分信號(hào)均為1kHz的300個(gè)周期波，寬度300ms。所有信號(hào)起始點(diǎn)為零相位，分別對(duì)應(yīng)各自的秒或整分起點(diǎn)。每秒1個(gè)秒脈沖，2個(gè)秒脈沖間隔1s[3]。上述信號(hào)的波形分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 UTC秒信號(hào)波形

圖3 UT1的秒信號(hào)波形

圖4 UTC、UT1整分信號(hào)波形

無調(diào)制載波僅發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)載頻信號(hào)，不發(fā)射音頻調(diào)制信號(hào)。

為了減少與周邊國家短波授時(shí)信號(hào)之間的相互干擾，BPM的UTC發(fā)播時(shí)號(hào)超前UTC（NTSC）20ms發(fā)播。

目前，時(shí)頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)UTC時(shí)號(hào)的時(shí)刻控制精度優(yōu)于±1μs，對(duì)UT1時(shí)號(hào)的時(shí)刻控制精度優(yōu)于±100μs，載頻準(zhǔn)確度優(yōu)于±1×10-12。近場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)射系統(tǒng)和接收設(shè)備引入的信號(hào)不確定度小于±50μs。

采用4個(gè)頻率（2.5，5，10，15MHz）交替發(fā)播，綜合覆蓋半徑超過3000km，可以覆蓋我國的大部分地區(qū)[4]。

BPM短波時(shí)號(hào)通過地波和天波兩種方式傳播，在距離授時(shí)臺(tái)100 km的范圍內(nèi)，主要使用地波信號(hào)定時(shí)校頻。地波傳播比較穩(wěn)定，在沒有天波干擾的情況下，100 km內(nèi)短波定時(shí)精度優(yōu)于±100μs[5]。隨著距離的增加，地波衰減增大，因此100km以外主要利用天波定時(shí)校頻。天波通過電離層的反射實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，但隨著距離的增加，信號(hào)的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響，天波定時(shí)精度在毫秒量級(jí)[5]。

3 BPM全固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

2012年，國家授時(shí)中心對(duì)BPM短波授時(shí)臺(tái)的3部發(fā)射機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，新的發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)設(shè)計(jì)，由航天23所研制生產(chǎn)，載波功率10kW，可在5 MHz，10 MHz，15 MHz 3個(gè)頻率之間切換，工作原理如圖5所示。整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由頻率合成器、信號(hào)調(diào)制器、高精度衰減器、推動(dòng)級(jí)放大器、功率分配器、16個(gè)3 kW功放單元、16個(gè)濾波器組合、4個(gè)4 kW的功率合成器、1個(gè)10 kW功率合成器以及定向耦合器構(gòu)成。

圖5 10 kW發(fā)射機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

頻率合成器用來進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生載波頻率，頻率合成器的頻率基準(zhǔn)為時(shí)頻監(jiān)控室提供的5 MHz并經(jīng)過匹配放大之后的標(biāo)準(zhǔn)頻率。信號(hào)調(diào)制器對(duì)載波頻率和音頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生已調(diào)信號(hào)。高精度衰減控制板對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行幅度（發(fā)射機(jī)輸出功率）設(shè)置。推動(dòng)級(jí)放大器將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大，并通過功率分配器產(chǎn)生16路信號(hào)至16個(gè)功率放大模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)濾波，經(jīng)過濾波器之后的每4路信號(hào)進(jìn)行一次功率合成，從而得到4個(gè)功率合成單元，再經(jīng)過最后的10 kW總功率合成之后送往定向耦合器，然后送到天線輻射出去。

發(fā)射機(jī)配置較完整的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)的每個(gè)模塊都處于自身監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)之中，監(jiān)控與保護(hù)組合主要實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kW短波全固態(tài)發(fā)射機(jī)的自檢與校準(zhǔn)、狀態(tài)檢測(cè)與顯示、故障監(jiān)測(cè)與自動(dòng)保護(hù)、狀態(tài)與故障的告警和上報(bào)、RF輸入信號(hào)的直通、衰減及關(guān)斷等功能。監(jiān)控與保護(hù)組合原理圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控與保護(hù)組合原理框圖

監(jiān)控與保護(hù)組合對(duì)10 kW短波全固態(tài)發(fā)射機(jī)的故障檢測(cè)可定位至可更換獨(dú)立單元，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，可定位故障點(diǎn)、判斷故障級(jí)別并按故障級(jí)別設(shè)定自動(dòng)完成相應(yīng)的保護(hù)操作。監(jiān)控與保護(hù)組合采用光耦、差分電平、光端接口、浮地等方式，實(shí)現(xiàn)了較好的抗干擾性能。同時(shí)，監(jiān)控與保護(hù)組合采用可編程控制器和MCU相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，集成度高。

4 BPM發(fā)射機(jī)性能測(cè)試與發(fā)播質(zhì)量分析

BPM短波授時(shí)臺(tái)經(jīng)過改造之后的3臺(tái)10 kW全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)，在經(jīng)過近一年的試運(yùn)行之后于2013年11月28日通過了中國科學(xué)院組織的專家組驗(yàn)收。專家組對(duì)發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，部分測(cè)試數(shù)據(jù)列于表1、表2和表3。測(cè)試數(shù)據(jù)均與國家中短波廣播發(fā)射機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB9736-88做了比較。

表1 發(fā)射機(jī)幅頻特性測(cè)量值

表2 發(fā)射機(jī)音頻失真度測(cè)量值

表3 發(fā)射機(jī)信噪比測(cè)量值

表1為發(fā)射機(jī)在不同載波頻率下測(cè)試所得到的信號(hào)幅頻響應(yīng)特性，均優(yōu)于±1dB，符合國標(biāo) GB9736-88；表2為發(fā)射機(jī)音頻信號(hào)失真度的測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均符合 GB9736-88相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（≤4%）；表3為發(fā)射機(jī)信號(hào)的信噪比測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也都符合 GB9736-88（≤-56 dB）。因此，新的全固態(tài)發(fā)射機(jī)主要性能指標(biāo)均優(yōu)于國家中短波發(fā)射機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

表4給出了新、舊發(fā)射機(jī)主要參數(shù)對(duì)比。由表4可見，新的發(fā)射機(jī)性能大幅提高?？傊?，測(cè)試結(jié)果表明，新發(fā)射機(jī)在性能及發(fā)播時(shí)號(hào)質(zhì)量等方面較老發(fā)射機(jī)均有了較大的提升。近一年的試運(yùn)行表明，新系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，時(shí)號(hào)質(zhì)量明顯提高。圖7、圖8是2013年5月1日至13日時(shí)頻監(jiān)控室利用專用接收機(jī)本地接收的BPM系統(tǒng)發(fā)播的UTC時(shí)號(hào)的時(shí)刻偏差曲線。

表4 新、舊發(fā)射機(jī)參數(shù)對(duì)比

圖8 2013年5月1日至13日近場(chǎng)接收的BPM系統(tǒng)發(fā)播的UTC時(shí)號(hào)（10MHz）時(shí)刻偏差曲線

5 結(jié)語

新的BPM短波授時(shí)系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備采用了全固態(tài)設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)工作穩(wěn)定可靠，主要技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求；發(fā)射機(jī)配備有完善的自我監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，操作簡單，易于維護(hù)，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均優(yōu)于系統(tǒng)要求；近一年的試運(yùn)行表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)已經(jīng)并將繼續(xù)為短波用戶提供更好的服務(wù)。

[1] 中國科學(xué)院. BPM短波授時(shí)臺(tái)鑒定技術(shù)文件[K]. 中國科學(xué)院, 1980.

[2] 漆貫榮. 時(shí)間科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會(huì). 時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[4] 張爾揚(yáng). 短波通信技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[5] 陳洪卿. BPM短波時(shí)號(hào)用戶指南[J]. 西安: 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊(增刊), 1989, 11(3):38-40.

Renovated BPM time-service transmission system

MENG Zhi-mou, CHE Ai-xia, LEI Yu, YU Li-jun, XIE Liang, JIN Quan, WANG Hu

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

For improving the quality of BPM signal and accomplishing the short wave time-service better, the BPM shortwave time-service transmission system has been updated by NTSC(National Time Service Centre). The composition and principle for the renovated BPM shortwave time-service transmission system are introduced in this paper. After nearly one year’s operation, the tests for the system show that the performance of BPM shortwave time-service transmission system has been greatly improved due to the upgrading of the transmission system.

BPM time service; upgrading; transmission

P127.1

A

1674-0637(2014)04-0221-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0221-07

2014-12-16

中國科學(xué)院大科學(xué)裝置改造項(xiàng)目

蒙智謀，男，高級(jí)工程師，主要從事短波授時(shí)方法與技術(shù)研究。