增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制精度分析

楊朝中，李實(shí)鋒，胡召鵬，閆溫合,2，袁江斌

增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制精度分析

楊朝中1，李實(shí)鋒1，胡召鵬1，閆溫合1,2，袁江斌1

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

發(fā)播控制精度是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，決定著增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)的性能。通過(guò)對(duì)影響發(fā)播控制精度誤差源的分解，理論分析發(fā)播控制精度能達(dá)到的性能為30 ns。通過(guò)對(duì)BPL長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)實(shí)際信號(hào)的測(cè)試，分析統(tǒng)計(jì)發(fā)播控制精度的實(shí)際性能優(yōu)于11ns，能滿足現(xiàn)有增強(qiáng)型羅蘭差分授時(shí)應(yīng)用方案對(duì)發(fā)播控制精度的需求。

增強(qiáng)型羅蘭；授時(shí)發(fā)射機(jī)；發(fā)播控制

0 引言

目前我國(guó)在運(yùn)行的增強(qiáng)型羅蘭（eLoran）授時(shí)發(fā)射機(jī)共計(jì)有七部，包括BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)一部和長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)六部，增強(qiáng)型羅蘭信號(hào)基本覆蓋我國(guó)中東部地區(qū)及近海領(lǐng)域，地波信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)用戶的定時(shí)精度可達(dá)1 μs。發(fā)射機(jī)是增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是以溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）的高精度時(shí)間頻率信號(hào)和時(shí)間信息為基準(zhǔn)，由增強(qiáng)型羅蘭發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生適合大范圍覆蓋的大功率增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)信號(hào)[1-5]。

發(fā)播控制精度是授時(shí)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)，提高發(fā)播控制精度以便輸出更加穩(wěn)定的羅蘭授時(shí)信號(hào)是增強(qiáng)型羅蘭發(fā)射機(jī)的研究方向之一，并且可以有效支撐包括差分羅蘭在內(nèi)的提高用戶定時(shí)精度的應(yīng)用。根據(jù)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)方案，我國(guó)將在西部地區(qū)新建三座增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)臺(tái)，結(jié)合已有的羅蘭授時(shí)臺(tái)將基本實(shí)現(xiàn)我國(guó)增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)信號(hào)的全國(guó)土覆蓋；高精度地基授時(shí)系統(tǒng)項(xiàng)目將在我國(guó)重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)羅蘭差分站，在差分信號(hào)作用范圍內(nèi)為用戶提供優(yōu)于100 ns精度的授時(shí)服務(wù)；發(fā)播控制精度的提高可以更好地支撐我國(guó)羅蘭差分系統(tǒng)的建設(shè)[6-11]。

1 增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制分析

增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)輸出穩(wěn)定的授時(shí)信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)高精度差分修正的前提，羅蘭差分系統(tǒng)才能對(duì)路徑傳播時(shí)延偏差進(jìn)行修正，只有提高增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制精度，才能實(shí)現(xiàn)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)要求的100 ns差分定時(shí)精度。

1.1 增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)工作原理

目前我國(guó)在運(yùn)行的增強(qiáng)型羅蘭系統(tǒng)均采用基于磁半周脈沖發(fā)生器的全固態(tài)羅蘭發(fā)射機(jī)，其采用64個(gè)半周脈沖發(fā)生器合成功率，產(chǎn)生的大功率半周脈沖（脈沖寬度為5 μs）激勵(lì)諧振固有頻率為100 kHz的電感電容網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生100 kHz的大功率正弦波，峰值功率輸出可達(dá)2 000 kW。圖1為增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)工作原理，通過(guò)精確控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和激勵(lì)脈沖的幅度與激勵(lì)方式，形成大功率的羅蘭-C脈沖波形，再通過(guò)耦合∕輸出網(wǎng)絡(luò)與天線調(diào)諧，最終將大功率的羅蘭-C脈沖信號(hào)發(fā)射出去。

圖1 增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)工作原理圖

1.2 發(fā)播控制誤差源分解

增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)發(fā)播控制精度是指信號(hào)發(fā)播的時(shí)間信號(hào)與UTC（NTSC）1 PPS偏差的波動(dòng)情況，發(fā)播控制誤差的來(lái)源主要可歸納為以下3類：

① 發(fā)播臺(tái)參考時(shí)間與UTC（NTSC）之間的同步誤差

該誤差是由發(fā)播臺(tái)參考時(shí)間與UTC（NTSC）之間的同步偏差和其不確定度引起的。

② 天線相位中心測(cè)量誤差

天線的相位中心與其幾何中心理論上應(yīng)保持一致，但在惡劣天氣環(huán)境下，天線的擺動(dòng)會(huì)引起相位中心的波動(dòng)，從而導(dǎo)致天線相位中心的不確定，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

③ 信號(hào)控制誤差

信號(hào)控制誤差主要由編碼誤差、信號(hào)調(diào)制誤差、反饋信號(hào)與本地信號(hào)測(cè)量比對(duì)誤差和發(fā)射機(jī)噪聲誤差等組成。

1.3 發(fā)播控制誤差分析

根據(jù)誤差傳遞的理論分析，觀測(cè)值代數(shù)和（差）的誤差，與觀測(cè)值個(gè)數(shù)的平方根成正比，即觀測(cè)值代數(shù)和（差）的誤差平方，等于觀測(cè)值誤差平方之和。

2 發(fā)播控制精度測(cè)試

2.1 發(fā)播控制精度測(cè)試方法

發(fā)播控制精度測(cè)試可以用數(shù)據(jù)采集器對(duì)電流環(huán)取樣信號(hào)直接采樣然后通過(guò)軟件進(jìn)行分析的方法進(jìn)行測(cè)試，但是這種方法不夠直觀，不能對(duì)1 PPS信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，本文采用增強(qiáng)型羅蘭定時(shí)終端接收發(fā)射天線根部的電流環(huán)取樣信號(hào)，進(jìn)行定時(shí)輸出比對(duì)測(cè)試，剔除定時(shí)終端引入的誤差即是授時(shí)發(fā)播控制精度。然而，由于定時(shí)終端誤差不易分離，因此直接測(cè)量定時(shí)終端輸出的1 PPS信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)1 PPS信號(hào)之間的時(shí)差，結(jié)合理論分析計(jì)算得到授時(shí)發(fā)播控制精度。

發(fā)播控制精度測(cè)試的時(shí)頻基準(zhǔn)參考為UTC（NTSC）；增強(qiáng)型羅蘭定時(shí)終端輸出的有效1 PPS信號(hào)為被測(cè)信號(hào)；采集時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器輸出的時(shí)差測(cè)量結(jié)果用于后續(xù)的發(fā)播控制精度指標(biāo)計(jì)算。發(fā)播控制精度測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 發(fā)播控制精度測(cè)試原理圖

2.2 發(fā)播控制精度計(jì)算方法

發(fā)播控制精度用1 PPS時(shí)差的標(biāo)準(zhǔn)差表示，每秒測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)：

3 發(fā)播控制精度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)發(fā)播控制精度測(cè)試方案，通過(guò)在BPL長(zhǎng)波授時(shí)發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)上搭建測(cè)試平臺(tái)，經(jīng)過(guò)30余天的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到定時(shí)終端輸出的1 PPS信號(hào)與UTC（NTSC）標(biāo)準(zhǔn)1 PPS信號(hào)之間時(shí)差的標(biāo)準(zhǔn)差為10.564 ns，優(yōu)于理論分析的30 ns的發(fā)播控制精度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。由于測(cè)試方法的限制，測(cè)試得到的發(fā)播控制精度包含定時(shí)終端的1 PPS抖動(dòng)誤差，實(shí)際的發(fā)播控制精度會(huì)優(yōu)于目前測(cè)得的指標(biāo)。

圖3 發(fā)播控制精度測(cè)試結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)播控制精度是增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)影響發(fā)播控制精度的誤差源進(jìn)行梳理，理論分析發(fā)播控制能達(dá)到的精度；并以BPL長(zhǎng)波授時(shí)發(fā)射機(jī)為基礎(chǔ)搭建發(fā)播控制精度測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證BPL長(zhǎng)波授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制精度優(yōu)于11 ns，能滿足現(xiàn)有增強(qiáng)型羅蘭差分授時(shí)應(yīng)用方案對(duì)發(fā)播控制精度的需求。

[1] 吳海濤, 邊玉敬, 李志剛. 羅蘭-C最新進(jìn)展及其對(duì)我國(guó)相關(guān)系統(tǒng)改造的啟示[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 2000(1): 10-18.

[2] 王玉林. Loran-C技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 2000(1): 1-9.

[3] 吳海濤, 邊玉敬. Loran-C系統(tǒng)的技術(shù)改造與發(fā)展方向[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 2000(2): 130-135.

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[7] International Loran Association. Enhanced Loran (eLoran) definition document[P/OL]. (2007-10-16)[2019-03-20].https://loran.org/otherarchives/2007%20eLoran%20Definition%20Document-1.0.pdf.

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[10] 國(guó)發(fā)[2013]8號(hào). 國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃(2012-2030年)[K]. 北京: 國(guó)務(wù)院, 2013.

[11] 發(fā)改高技[2016]2736號(hào). 關(guān)于印發(fā)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃的通知[K]. 北京: 國(guó)家發(fā)改委, 2016.

Analysis of broadcasting control precision of eLoran timing transmitter

YANG Chao-zhong1, LI Shi-feng1, HU Zhao-peng1, YAN Wen-he1,2, YUAN Jiang-bin1

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The broadcast control accuracy is one of the key indicators for the transmitter, it determines the performance of the eLoran timing system. Through decomposition of error sources which affecting the broadcast control accuracy, the performance of the broadcast control accuracy can be achieved to 30 ns by the theoretical analysis. And by the test and analyze of the actual signal from the BPL long-wave timing station, the actual performance of the broadcast control accuracy is better than 11 ns, which can satisfy the existing eLoran application solutions to transmit control precision demand.

eLoran; timing transmitter; broadcast control

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0317-05

楊朝中, 李實(shí)鋒, 胡召鵬, 等. 增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)播控制精度分析[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 317-321.

2021-04-19；

2021-07-20

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃“西部青年學(xué)者”B類資助項(xiàng)目（XAB2018B21）；“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施資助項(xiàng)目（2018777）