罗兰C发射台的发射延时测量

航空论坛 发表于 2011-8-28 21:13:47

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2007年3月第1期导航 ·43· 罗兰C发射台的发射延时测量 宁民，齐鹏辉，李晓强2 (1中国电子科技集团公司第20研究所，西安710068； 2海司驻天津地区航保军代室，300022) 摘要：随着Eurofix技术的发展，罗兰C系统在自主授时、星基增强等方面有了新的应 用前景。本文主要论述了罗兰C发射机的发射延时测量的原理及实际工程中的测量方法。 关键词：发射延时测量；GPS共视；传播延时；接收延时 中图分类号：TN967．I 文献标识码：A 罗兰C发射台在自主授时及星基系统中作为 地面伪卫星，需要将罗兰信号离开天线时的精确 时刻，以数据形式发播给用户。发播电文在信号 离开天线之前产生，从电文产生到信号离开发射 天线有一定的延时，为了保证产生电文的发射时 刻信息与信号离开天线时的时刻一致，在电文产 生时需要考虑从电文形成到信号离开天线之间的 延时，这里称之为发射延时。 1 测量和处理方法 发射延时目前还难以直接测出，但是可以通 过间接的方法来确定。发射台基准信号到接收机 输出信号之间的延时△丁可以用图1所示的方法 测量。 在发射台采用GPS共视方法，GPS的秒信号 与发射台钟的秒信号进行比对测量，得到A t1。 同时在外场测试点(接收点)用GPS共视方法， 得到GPS的秒信号与搬运钟的秒信号比对测量 数据A t2。通过共视处理软件得到发播钟与搬运 钟之间的钟差Atl2o 发射台 收稿日期：2006．04．28。 At3 接收点 图1 测试方法 从基准信号到接收机输出之间的延时△ 存 在图2所示的时间关系。 A T 一 ‘ A 基准发射接收输出 }．I△fl2-- ．△f2．-{ I 搬运钟 图2 GPS 时间关系 △7r-△ +△ +△T3 (1) 其中， △ ——表示从发射时间基准到信号离开 发射天线之间的延时，包括发射机、发射耦合网 ·44· 导航 2007笠 络和天线等产生的延时，这里称之为发射延时。 △ ——表示从信号离开发射天线到信号到 达接收天线之间的延时，这里称之为电波传播延 时。 △ ——表示从信号从接收天线到接收机输 出的信号之间的延时，包括天线耦合器、天线电 缆、接收机通道等产生的延时。这里称之为接收 延时。 同时， △ 也满足下列关系式： A Atl·At2+At3=A／'12+At3 (2) 其中，Atl——表示GPS的lpps与发射台钟的 lpps之间的偏差，发射台钟作开门，GPS作关门。 △f广表示GPS的lpps与搬运钟的lpps 之间的偏差，搬运钟作开门，GPS作关门。 A tl2——表示发射台的钟与搬运钟之间的偏 差，根据At】和At2的数据，用共视处理软件计 算得到。 △f3一一表示搬运钟与罗兰接收机输出的 GRI脉冲之间的偏差，搬运钟作开门，GRI脉冲 作关门。 根据式(1)和式(2)，可以得到发射台发 射延时△ 为： A =A／'12+At3．(A +A／'3) (3) 2 传播延时和接收延时的确定 通过上述测试方法可以直接测量计算出A tl2 和A t3。对于电波传播延时△ 和接收机延时△ 死的精确测定有较大的困难，但是可以通过选择 适当的路径和根据相关的试验数据进行估算。 2．1 电波传播延时 电波传播延时包括一次相位延时和附加二 次相位延时。这里所指一次相位延时定义为信号 在海水路径上的传播延时，它可以通过理论计算 精确得到。附加二次相位延时是指相对于一次相 位的延时，它是由于传播路径上陆地部分引起的， 比一次相位延时要小得多。附加二次相位延时与 传播路径长度成正比，与地面导电率有关。当传 播路径较短时，附加二次相位延时较小，并且导 电率的影响也较小。 从传播角度考虑，为了较精确地估算传播延 时，希望接收点靠近发射台，这样可减小导电率 对附加二次相位延时的影响。但是当距离发射台 太近时，静电场和感应场的可能影响测量结果。 一般认为在发射台3个波长以外的距离上，静电 场和感应场的影响可以忽略。综合考虑后，将接 收点放在距发射台大约10km的距离上。 从发射台到接收点的传播延时，简单处理方 法是根据发射台到接收点的距离，取通常的陆地 导电率(例如5×10" )进行计算。另外也可以在 同一条传播路径上测量两个点，得到两点之间传 播延时，然后与不同导电率的时延曲线比较，得 出接近两点传播延时下的路径导电率，再根据导 电率计算出路径传播延时。 2．2 接收延时 外场测试选用高精度罗兰C接收机，虽然目 前无法测量出该机的接收延时，但是，从使用该 接收机进行试验的测试结果得到：接收机已经对 接收延时作了补偿和修正，输出的GRI信号已经 等效到接收天线处。 接收机在差分站接收发射台信号，输出的 GRI信号与UTC (NTSC)比对测量。同时采用 共视方法测量发射台发播钟与LrrC(N，rSC)钟 之间的偏差，考虑到发射台信号从发播钟到天线 之间的估计延时和第3周跟踪点。在没有考虑接 收机延时的情况下，通过测试数据和计算处理， 得出的发射台到差分站的传播延时大约为236．1 S，该值与以前计算和测试的结果基本一致。由 此该接收机已经进行了接收延时补偿。另外，该 接收机主要用于罗兰C定时，可输出精确的lpps 和LrrC，因此，估计也应该进行接收延时修正。 3 罗兰C发射台测试点布局 考虑到工程的实际需要，将测试点选在发射 台的南部，选择不同的三个方向是为了进行相互 比较。为了减小电波传播附加二次延时的影响， 以及距发射台3个波长以内静电场和感应场的影 响，测试点选在离开发射台约10km处。另外， 为了估算传播路径的导电率，在发射台到测试点 的延长线10km 处，选择一个测试点，获取两个 测试点之间的电波传播延时。整个测试点共有6 第1期宁民等：罗兰C发射台的发射延时测量 个，其分布如图4所示。表1测试仪器和设备 ／ -，／发射台 -、、、＼ Q． △ 测 、 ＼测二 、、、／／ ／ 、 ＼～_△ 一／ 4 测试框图和设备 4．1 测试框图 发射台和接收点测试框图如图5和图6所示。 图5 发射台测试框图 △ tl △ t2 图6 接收点测试框图 4．2 仪器设备 测试所需要的设备见表1。 4-3 应用软件 为了完成上述工作，需要以下应用软件。 计数器数据采集软件：采集计数器数据，保 存数据采集时间和计数器数据。 GPS接收机数据采集软件：采集GPS接收机 的数据，保存数据采集时间和定位结果，计算测 量点纬度、经度和高度的平均值和均方根误差。 GPS共视处理软件：计算两个钟之间的偏差。 大地距离计算软件：根据两点的经纬度值， 计算两点之间的距离。 传播修正计算软件：根据距离和地面导电 率，计算传播延时、海水传播延时、附加二次相 位延时。 5 误差估计 在这种测试方法中，引入的误差有：接收点 位置误差、GPS共视误差、传播延时估算误差、 接收机测量精度和延时等因素。 接收点位置由GPS接收机测量，该机给出的 定位精度指标：水平优于15cm，高程优于30cm。 在西安地区实测定位精度比公布的指标还要好。 如果水平定位误差小于15cm，则接收点位置误差 引起的误差小于0．5ns。 GPS共视误差与位置误差和两点距离有关， 对于GPS接收机提供的定位精度，以及两点的距 离很近的情况下，该项误差估计在10几个as以内。 接收机的通道延时正如前面所说，可能在接 收机中已经作了补偿，因此在这里假定没有接收 北八¨===U ·46· 导航 2007年 机延时固定误差。通过对接收机以前定点测试数 据的统计处理，接收机均方根误差大约在lO几个 ns以内，这其中还包括发射台和电波传播的随机 变化。 电波传播延时估算误差主要是由于对地面 导电率估计不准而产生的。在传播延时估算时， 陆地导电率通常取5×l0一，如果实际地面导电率 偏离该值，那么所估算的附an-次相位延时会有 误差，从而引起电波传播延时的估算不准。表2 给出了导电率5×l0 和附近导电率的附an-次 相位延时，以及这些导电率相对于5×1O 导电率 的附an-次相位延时偏差，见表2。 表2几种不同导电率下的附加二次延时和差值( ) 10km 20km 30km 仃 AsF △AsF AsF △AsF AsF △AsF 0．01 20 0．2o6 ．0．089 0．291 ．0．126 0．356 ．0．154 0．009 19 0．217 ．0．077 0．307 ．0．109 0．376 ．0．134 0．008 18 0．231 ．0．064 0．327 ．0．090 0．400 ．0．110 0．007 17 0．248 ．0．047 0．350 ．0．066 0．429 ．0．081 0．006 16 0．268 ．0．026 0．379 ．0．037 0．464 ．0．046 0．005 15 0．295 0．0o0 0．417 0．0o0 0．510 0．0o0 0．0045 15 0．3l1 0．016 0．440 0．023 0．538 0．028 0．004 14 0．330 0．036 0．467 0．051 0．572 0．062 0．0036 14 0．349 0．054 ‘ 0．493 0．076 0．603 0．093 0．0033 13 0．365 0．070 0．515 0．O99 0．631 0．121 0．003 13 0．383 0．088 0．541 0．124 0．662 0．152 从表2中可以看出，如果在10km处，实际 导电率在0．007~0．0036范围，那么传播延时估算 误差不超过50ns；实际导电率在0．01～0．003范 围，那么传播延时估算误差不超过100ns。如果 距离增加，在同样的导电率范围内，那么估计传 播延时误差会增大。 通过上述分析，这种确定发射延时方法的精 度主要受电波传播延时估算误差的影响，当实际 导电率在0．007~0．0036范围内条件下，得到的发 射延时精度估计在60ns以内；当实际导电率在 0．01～0．003范围内条件下，得到的发射延时精度 估计在lOOns以内。 6结束语 罗兰C系统是我国独立控制的大型无线电导 航系统，对星基系统的增强、补充和备份起重要 作用。在授时及绝对时间同步应用领域，对发射 机的发射延迟标定尤为重要，本文给出的是一种 有效实用的测量方法，在实际工程中可方便应用。 参考文献： 【1】Johler,J．R．，W．J．Kellar,and L．C．Waiters．Phase of the low radio frequency ground wave．NBS Circular 573． 1956 【2】Locus，Inc．SatMate／Cs Cync Refefence& Quick-Start Manua1．P／N 005．001002 【3】NavCom Technology，Inc．SF-2050 GPS Products User Guide．P／N 96．310002．3001 【4】中国科学院国家授时中心．多通道GPS时间传递接 收机NTSCGPS．1使用手册

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