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
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。
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
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.
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。