電波觀測中的GPS授時應用研究

何紹紅

(中國電波傳播研究所,山東青島266107)

0 引 言

隨著科學技術的發展,精確的時間同步需求越來越廣泛。目前,我國使用的時間統一設備大多存在結構龐大、使用不夠簡便和遠距離同步效果差等問題。利用全球定位系統GPS(Global Positioning System)可進行高精度全球授時。不同設備將各自GPS接收機輸出的時間信號修正成標準時間,便可使不同設備之間的時間精確統一,其精度可達到幾十納秒。

隨著技術的不斷發展,GPS接收機的集成度越來越高,價格越來越低。因此,GPS已經成為目前應用最廣泛的主動式高精度衛星授時手段。到2005年止,世界上使用GPS單信道C/A碼進行授時的精度可達11.5 ns,使用多信道C/A碼進行授時的精度可達5.7 ns,使用P碼進行授時的精度可達2.7 ns,而使用P碼和載波相位聯合授時的精度則可以達到0.7～1 ns.GPS授時開始廣泛應用于軍事、交通、通信、資源、管理等多個領域。

隨著科技發展和信息社會的到來,電波環境觀測在國防和國民經濟建設中的地位與作用越來越重要,如何獲取更多更為豐富的電波環境觀測數據,為通信、廣播、導航、航空、航天等技術領域提供基礎數據,從而直接為各類電子系統的設計、運作和性能提高提供保障,是電波環境觀測的重要任務。電波環境觀測涉及電離層、對流層以及外層空間等廣泛的領域。針對不同的觀測載體,現已有眾多的觀測手段,如電離層垂測儀、斜向探測儀、返回散射儀等。由于GPS在授時等方面的優勢,現已廣泛應用于電波環境觀測領域中[1-6]。

針對我國電波環境觀測的發展現狀,主要對電波環境中的電離層垂測和斜測中的GPS授時應用進行了敘述和總結。

1 GPS授時原理與方法

1.1 GPS授時原理

衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息,用戶接收到這些信息后,經過計算求出接收機的三維位置、運動速度和時間信息等。GPS授時系統需要的只是時間信息,GPS的基本授時原理示意如圖1所示。

圖1 GPS基本授時原理示意圖

全球任何地點的GPS用戶通過GPS接收機接收GPS衛星發出的信號,獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。雖然GPS中的P碼較C/A碼精度高,但是僅對美國軍方和授權用戶開放,民用只能使用免費的C/A碼。GPS要實時完成定位和授時功能,需要有4個參數:經度、緯度、高度以及用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的偏差,所以需要接收4顆衛星的信息來定位。若用戶已知自己的確切位置(即經度、緯度和高度),那么,接收1顆衛星的數據也可以完成定時[3]。

1.2 GPS授時方法

GPS授時(精密時間參數的傳送)是GPS的重要應用之一。不同的用戶對時間的準確度要求不一,然而傳統的授時體制如衛星單向定時法,衛星雙向定時法、LASSO定時法、Shuttle定時法等,由于設備復雜,耗資巨大,往往難以滿足廣大系統用戶的需求。而利用GPS衛星信號進行時間傳遞時,不僅可以獲得較高的定時精度,而且只需一臺能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機即可進行,為此GPS授時獲得了極其廣泛的應用,例如在電波環境組網觀測中,利用GPS授時功能進行時間同步具有非常重要的作用。

利用GPS進行系統時間傳送時,通常有以下兩種方法[2]:

1)一站單機定時法

在一個已知位置的測站上,用一臺GPS信號接收機觀測一顆GPS衛星,從而確定用戶時間的偏差。

2)共視比對定時法

在兩個測站上各安裝一個GPS信號接收機,在相同的時間內,觀測同一顆衛星,從而獲得用戶時鐘的偏差。

當同時觀測四顆或更多GPS衛星時,一站單機定時法可以在不知測站位置坐標的情況下,測得用戶時鐘偏差和測站坐標,應用較為廣泛。共視比對定時法通過差分消除衛星鐘差,從而減小授時誤差影響,在GPS實施SA時,具有重大的應用價值,可達到±5 ns授時精度。

2 電離層垂直和斜向探測

在現有的地基電波環境測量手段中,垂直探測儀、斜向探測儀是電波環境觀測站網的常規電離層探測手段。

電離層垂直探測技術(簡稱電離層垂測)是電離層研究歷史中最早采用的探測方法,自1925年Breit和Tuve發明了電離層垂直探測裝置后,電離層垂直探測成為探測電離層最基本的手段,在電離層探測中一直發揮著重要作用。近年隨著電子技術和計算機技術的發展和應用,脈沖編碼、脈沖壓縮、調頻連續波等技術已在電離層垂直探測中應用,實現了探測技術的高度自動化和數字化,大大提高探測的效率和精度。垂直探測儀依據天然輻射或人工發射機發射的電磁波通過電離層傳播時與等離子體相互作用所產生的電磁效應或傳播特征,推算出電離層特性參量。垂直探測儀參數包括:電離層的空間層結構(各層虛高:h′E、h′Es、h′F1、h′F2、)不同高度電離層電子濃度極值變化(各層臨界頻率:foE、FoES、foF1、foF2可以確定電離層電子濃度隨高度分布的剖面N(h)參數),電離層(虛)高度隨頻率變化情況、最低反射頻率 fmin,地球磁場磁活動特性而產生雙折射性質(尋常波和非常波)等。目前,世界上有近200個電離層垂測臺站在連續24小時不間斷的工作。

電離層斜向探測儀(簡稱電離層斜測)是研究電離層的基本工具之一,其工作原理如同多基地雷達一樣,整個系統收發異地,一發多收。電離層斜探測儀屬于接收設備,與測高儀一起組成完整的電離層探測系統。電離層斜向探測的主要目的是探測收發兩地間的通信頻段的變化。對于某一個探測鏈路,可以建立電離層垂測站并利用頻率外推的方式計算出兩地間的通信頻段。斜向探測電離圖記錄了接收信號的相對群時延(相對傳播時間)與頻率的關系,主要用于研究不同時間不同頻率的電離層傳播模式,以實時確定特定電路上可能存在傳播模式的頻率范圍及射線距離。斜向探測通常采用快速變頻方式工作

各種電波觀測手段共同組建了電波環境觀測的各種信息源,從而獲取電波環境的多維立體信息。

3 電離層垂測中的GPS授時應用

現有的電離層垂測儀種類較多,但體制大致相同。本文以中國電波傳播研究所研制的TYC-1型電離層垂直儀為例,介紹電離層垂測儀中的GPS授時應用。

T YC-1型電離層垂直探測儀(測高儀)采用脈沖編碼和數字直接頻率合成等技術,具有發射功率小,控制靈活和工作可靠的特點。TYC-1型電離層探測儀(垂測儀)實質上是一臺短波脈沖雷達,由發射機、接收機、天線、頻率合成器、控制器和計算機組成。各分系統是在控制器的控制下同步工作的。

垂測儀電離層測量主要通過控制器控制合成器產生1～32 MHz連續變化的高頻信號,該信號經過脈沖或相位編碼信號調制,由發射機放大后通過天線垂直向上輻射,由于電離層的反射作用,反射回來的信號經接收天線進入接收機進行變頻放大等步驟,再送入信號處理器和數據終端進行數據處理,最后解出回波的時延、幅度、頻譜等信息獲得頻高圖,最終判讀后獲取電離層相關信息。

為實現垂測儀發射機、接收機、濾波器系統的系統同步以及發射接收信號的相關處理和回波信號的時間差計算,在電離層垂測儀中,必須加入必要的時間同步模塊。因此需要在垂測儀控制器模塊中加入GPS接收機進行時間同步。

控制器主要包括GPS接收機、PIC微控制器、頻率合成器、同步信號產生電路等部分,單片機通過串口接收數據終端發來的各種探測命令,并產生多種控制時序對整個系統進行同步,運行相應的探測程序產生相應的控制信號,控制對象包括發射機、接收機、濾波器、系統。TYC-1型電離層垂測儀控制原理框圖如圖2所示。

圖2 電離層垂測儀控制原理框圖

GPS衛星發送的L1波段信號由低剖面微帶天線接收,經過一個窄帶濾波器后,由天線模塊內的前置放大器放大信號。經過濾波放大的L1波段信號通過一根同軸電纜被送至射頻信號處理電路。該同軸電纜同時也提供天線模塊進行信號前置放大所需的5V電源。

接收器的射頻(RF)信號處理部分包括將天線接收的GPS信號進行下變頻的電路。最后得到的中頻(IF)信號進入接收器電路板上的8通道碼和載波相關器,在通道分配器前高速模數轉換器(A/D)已將中頻信號轉換為數字信號。

經過數字化處理的中頻信號被送至數字信號處理器中(8通道碼相關和載波相關電路也包括在其中),然后信號被分解,進入8個并行通道進行信號檢測、碼相關、載波跟蹤和濾波。經過處理的信號被同步送進定位微處理器(MPU)單元,處理衛星數據,以進行位置、速度和時間的計算。

電離層垂測儀控制與信息處理部分先將GPS接收機接收的信息進行格式處理,用于工作程序設定時的依據,在終端命令下,依照已定的探測模式(垂測、斜測等)、掃頻方式(對數、線性等)、工作方式(脈沖、編碼)、工作程序(1分、5分…30分等)進行參數的計算、設置,最后完成相應的程序。

值得一提的是,早期的電離層垂測儀的時間同步主要采用人工標定時間的方法,對于垂測儀的這類電波日常觀測設備而言,基本靠人工控制觀測,非常費時費力,且由于觀測人員的業務水平的不一致及人工對時校準本身的缺陷,人工時間同步的精度最高僅為1秒左右,這直接影響了垂測觀測的時間一致性要求及斜測信號接收的同步。后期垂測儀通過采用加入晶振電路來實現授時,在一定程度上提高了授時精度和觀測自動化程度;但是由于其授時精度與工作頻率、工作溫度等外在因素信賴性較強,這也導致晶振授時穩定性不高,需要定期的人為校對時間;所以晶振電路在授時精度上無法與GPS相比,這仍然在一定程度上會影響垂測觀測的時間一致性要求及斜測信號接收的同步精度,另一方面,定期校對晶振時間也無法做到完全的自動觀測。

可以看出,GPS授時在電離層垂測儀中的作用是顯而易見的,它直接決定了儀器各模塊間的時間同步,從而保證了電離層測量系統的一致性和準確性并消除了其它授時方法引入的誤差,如人工授時引入的測量誤差等。同時,GPS授時也保證了電離層斜測對垂測儀發射信號的同步接收,這對于斜測儀區域電波環境組網觀測時必不可少的。

4 電離層斜測中的GPS授時應用

電離層斜測的主要目的是探測收發兩地間的通信頻段的變化以獲取電離層變化信息。對于某一個探測鏈路,可以建立電離層垂測站并利用頻率外推的方式計算出兩地間的通信頻段。然而,垂測站的投資十分巨大,我國幅員遼闊,建立大量的垂測站是不可能的,所以利用斜向探測技術一發多收且經濟實用的特點,將電離層斜向探測設備放置在其可接收范圍內任意地點接收其他垂測站的信號,這樣既節約了觀測成本又達到了觀測目的。

電離層斜向探測儀由收、發分置的接收裝置和發射裝置組成,發射裝置包括一臺發射機(含激勵器和功率放大器等)和發射天線;接收裝置由一臺模擬接收機、接收天線、一臺信號處理機和一臺數據處理機組成。系統工作頻率范圍為5～28 MHz.圖3所示為斜向探測儀的探測原理圖。

圖3 斜向探測儀的探測原理

因探測發射源和接收點位于兩地,若使電離層斜探測儀接收到發射的每個頻率,必須做到收發兩地頻率同步和時間同步。電離層斜探測儀工作原理框圖如圖4所示。

圖4 電離層斜探測儀工作原理框圖

斜向探測儀需要的時間同步主要在同步數據采集單元中進行。為保證各電離層斜測儀間的時間基準的穩定性和精度要求,電離層斜探測儀采用GPS進行授時。在斜向探測儀同步數據采集單元盒內裝有GPS(OEM)板,OEM板通過單片機接口給用戶提供兩種數據格式的輸出,一種為二進制格式輸出,一種為NMEA-0183格式的輸出[7]。GPS定時型OEM板為用戶提供了秒脈沖輸出,使用戶能夠用GPS進行精確授時。秒脈沖是一電平訊號,一般以方波形式輸出,高電平(也有較少數為低電平的)表示有秒脈沖輸出(其持續時間很短,一般在毫秒量級上且其上升沿對應著—精確的UTC時刻,秒脈沖與UTC時刻的關系如圖5所示。因此,可用此電平信號的上升沿對其它設備(如單片機、計算機等)進行控制或觸發,這樣,即可記錄下秒脈沖上升沿到來的準確時刻,再從OEM板接口傳輸獲取UTC時刻,經計算處理即可求得設備精確鐘差,從而得到精確的UTC時刻,實現GPS的精確授時。

圖5 秒脈沖與UTC時刻關系圖

斜向探測儀后面板插座接GPS天線,以完成時間同步功能,同步指令為脈沖串,持續時間15秒,作為電離層探測信道掃頻的控制信號,并與各電離層站測高儀掃頻控制信號同步,斜向探測儀時間同步精度優于1 μ s。

5 結 論

電波環境觀測作為無線電信息系統支撐保障的一個重要環節,其觀測結果直接影響著各類無線電信息系統的性能。隨著近年來衛星導航系統的發展,GPS在電波環境觀測中開始發揮重要的作用,GPS具有非常高的授時精度,且其使用簡便,因此廣泛用于電離層垂測儀、斜向探測儀、返回散射儀等電波環境觀測設備的時間同步,保證了設備的數字化、自動化和小型化,同時也對設備性能的提升具有不可忽視的作用。

未來全球衛星導航系統中,除GPS系統外,未來的全球導航衛星系統GNSS如俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、我國的“北斗二代”等系統在不斷的更新和部署中。未來十年內,全球導航衛星數目將到達100顆以上,這對于電波環境觀測而言將是一個巨大的契機和促進,電波環境觀測的時間、空間尺度有望進一步拓展。深入挖掘GNSS在電波環境觀測中的應用,提高GNSS在我國電波環境觀測領域中的作用,對于提升我國電波環境觀測領域的水平具有非常重要的意義。

[1] 焦培南.電波傳播基礎知識電離圖度量與解讀觀測技術與設備[M].青島:中國電波傳播研究所,2008.

[2] 劉基余,李征航,王躍虎,等.全球定位系統原理及應用[M].北京:測繪出版社,1993.

[3] 王 卿,宋鐵成,奉 媛.基于GPS技術進行精確授時的方法[J].電氣電子教學學報,29(8),2007,34-38.

[4] Kaplan E D,Hegarty C J.GPS原理與應用[M].2版.北京:電子工業出版社,2007.

[5] 吳海玲.淺析2010年度GPS升級調整對用戶的影響[J].全球定位系統,2010,35(6):61-65.

[6] 丁金才.GPS氣象學及其應用[M].北京:氣象出版社,2009.

[7] 張 超,鄭 勇.利用GPS OEM板進行精確授時的研究[J].信息工程大學學報,2001:50-53.