長波定時接收機系統(tǒng)時延的測量改進

劉長虹，季丹

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長波定時接收機系統(tǒng)時延的測量改進

劉長虹，季丹

（中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600）

為進一步提高用戶定時校頻精度，我們通過使用移相技術(shù)并利用高精度數(shù)字存儲示波器和高精度計數(shù)器，對長波接收系統(tǒng)時間延遲的測試方法進行了改進，獲得了比原先更精確的測量結(jié)果。

長波定時接收機；時間延遲；羅蘭-C

0 引言

由式（1）得

圖1 BPL長波定時用戶接收時序圖

我們在文獻[1]的基礎(chǔ)上，采用分頻鐘移相技術(shù)，代替了參考接收機，利用現(xiàn)代測量手段對長波定時接收系統(tǒng)的時延進行了反復(fù)測量，獲得了優(yōu)于0.04μs的測量精度。另外，對于近距離測量結(jié)果如何應(yīng)用于遠距離測量，本文也將給出嚴格解釋。

1 測量方法及測量結(jié)果

長波接收系統(tǒng)時間延遲測量框圖如圖2所示。由羅蘭-C信號模擬產(chǎn)生器輸出射頻信號至小銅環(huán)天線（用銅絲彎成直徑20cm的圓形小銅環(huán)），同時將該射頻信號引入數(shù)字存儲示波器通道1（CH1），示波器通道2（CH2）連接移相分頻鐘輸出的GRP脈沖。

銅環(huán)的一端連接羅蘭-C信號模擬產(chǎn)生器的輸出端，另一端接50Ω接地電阻。一方面是為了讓羅蘭-C信號模擬產(chǎn)生器輸出與發(fā)射環(huán)阻抗匹配，另一方面是為了從電阻上取出信號送到數(shù)字存儲示波器的通道1，以便觀察信號波形。

與小銅環(huán)平面相距約50 cm處，放置長波接收天線。天線平面盡可能與銅環(huán)平面平行且兩天線的中心連線垂直于天線平面。接收天線通過30 m信號電纜與被測接收機連接。

本地鐘的1 PPS秒脈沖信號同時作為計數(shù)器1和計數(shù)器2的開門信號，被測長波接收機1 PPS信號作為計數(shù)器1的關(guān)門信號，將與GRP同步了的1PPS信號從移相分頻鐘輸出，作為計數(shù)器2的關(guān)門信號。

所有實驗儀器，包括羅蘭-C模擬信號源、移相分頻鐘、計數(shù)器、長波接收機等均采用本地原子鐘作為外接頻率參考。

圖2 接收系統(tǒng)時間延遲測量框圖

測試時，從50Ω電阻上取出的羅蘭-C信號，由于尚未進行解碼，在示波器上將觀察到多個交叉零點，如圖2左上部波形所示。第6個交叉零點就是第3周末的正過零點，即時間標記點。調(diào)整波形位置，使第6過零點落在示波器屏幕的縱向坐標線上。使用數(shù)字存儲示波器觀察時，第1次調(diào)整往往不能使第6過零點正好落在屏幕的縱向坐標線上，所以要逐步手動調(diào)整，當波形完整呈現(xiàn)紡錘形后鎖定，并將該信號進行數(shù)字存儲，然后將波形逐步展開。

設(shè)置計數(shù)器采樣電平為0.5 V，觀察波形的第6過零點，通過分頻鐘移相操作，使GRP脈沖前沿（幅度為0.5V）與其重合，此時用該示波器觀察波形時，可分辨到1小格，相當于0.02μs。

由于磁天線具有“方向效應(yīng)”，即在一個方向上放置時，接收系統(tǒng)輸出的周波相位相對于相反方向放置時接收系統(tǒng)輸出的周波相位有180°的相差，對羅蘭-C信號而言，就是5μs的時差。所以，要在2個方向上試收，找出輸出時差最小的那個方向就是天線放置的正確方向。

圖3 1 號被測長波接收機地下室測試結(jié)果（2010 年10 月24 日）

圖4 2號被測長波接收機地下室測試結(jié)果（2010年10月24日）

表1 測量結(jié)果

3 測量結(jié)果的間接驗證

4 關(guān)于遠區(qū)接收時接收系統(tǒng)時延為（-（32.50-30.18）μs）的論證

5 結(jié)論與討論

表2 接收系統(tǒng)時延值 μs

以往曾經(jīng)采用2付長波接收天線作為實驗用天線（一個用作發(fā)射天線、一個用作接收天線），在BPL長波監(jiān)測實驗室進行過本實驗?zāi)康牡膶嶒?。過去實驗中，未考慮連續(xù)發(fā)播的BPL信號對實驗的影響，另外所采用的發(fā)射天線為標準長波接收天線，其自身的時間延遲效應(yīng)及電磁影響都會影響最終結(jié)果。這次實驗中，我們通過使用分頻鐘移相技術(shù)并利用高精度數(shù)字存儲示波器和高精度計數(shù)器，對長波接收系統(tǒng)時間延遲的測試進行了改進，并且本次實驗在地下室進行，有效地屏蔽了連續(xù)發(fā)播的BPL信號的影響，此外發(fā)射天線改用小銅環(huán)天線，其自身的時間延遲和電磁影響可忽略，因此所得實驗結(jié)果與文獻[1]接近但精度得到提高。

實驗完成過程歷時一個月，由于有的設(shè)備屬外借設(shè)備，時間較緊，但本著科學(xué)求真的態(tài)度，每個階段的實驗都經(jīng)歷反復(fù)思考、實驗、重復(fù)的過程，務(wù)求做到對每一步驟均有記錄，以便今后分析驗證。另外，有關(guān)環(huán)境（地上、地下）溫度變化對實驗的影響，有待今后作進一步分析。

本文所述方法為今后其他BPL長波接收系統(tǒng)時間延遲的測量提供了參考，可獲得較準確的結(jié)果；也可通過與此次被測1號和2號長波接收機進行比對的方法，獲得其他BPL長波接收機系統(tǒng)時間延遲的較準確的結(jié)果。

致謝 本文工作得到梁仲寰老師的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝。

[1] 張邦信, 李達銘. 長波定時接收機的時延測量方法[J]. 陜西天文臺臺刊, 1980, 3(2): 57-63.

[2] 劉長虹, 蘇建峰, 梁仲寰. 羅蘭-C用戶定時接收系統(tǒng)的時延精確測量探討[C]//2007全國時間頻率學(xué)術(shù)會議論文集. 宜昌: 2007中國時間頻率學(xué)術(shù)年會組委會, 2007: 377-379.

附錄1：近區(qū)接收圓環(huán)發(fā)射的羅蘭-C信號時，磁接收天線感應(yīng)電動勢的波形計算

由于工作波長=3km，所以圓環(huán)上電流強度視為均勻的，相位也認為一致。圓環(huán)電流在其附近產(chǎn)生的電磁場主要是來自直達波，周圍環(huán)境貢獻的二次場可忽略不計。這樣，我們可以將問題簡化為求在無界自由空間中圓環(huán)電流的場。

在無界空間，式（F.2）的解為

附圖1 球坐標示意圖

附圖2 近區(qū)接收羅蘭-C長波信號感應(yīng)電動勢變化

附圖3 遠場接收羅蘭-C長波信號感應(yīng)電動勢變化

Improvement in measuring time delay of long wave timing receiver system

LIU Chang-hong, JI Dan

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

In order toimprove theprecision of timing/frequency-calibrating for users, we improved the method of measuring the timing-delay of the long wave timing receiver system using the phase-shifting technique, high-precision digital storage oscilloscope and high-precision counter, so as to obtain a measurement with better precision than before.

long wave timing receiver; time-delay; Loran-C

TN965.5

A

1674-0637(2014)04-0049-08

2013-01-25

劉長虹，男，高級工程師，主要從事電波傳播與監(jiān)測研究。