电波观测中的GPS授时应用研究

何绍红

(中国电波传播研究所,山东青岛266107)

0 引 言

随着科学技术的发展,精确的时间同步需求越来越广泛。目前,我国使用的时间统一设备大多存在结构庞大、使用不够简便和远距离同步效果差等问题。利用全球定位系统GPS(Global Positioning System)可进行高精度全球授时。不同设备将各自GPS接收机输出的时间信号修正成标准时间,便可使不同设备之间的时间精确统一,其精度可达到几十纳秒。

随着技术的不断发展,GPS接收机的集成度越来越高,价格越来越低。因此,GPS已经成为目前应用最广泛的主动式高精度卫星授时手段。到2005年止,世界上使用GPS单信道C/A码进行授时的精度可达11.5 ns,使用多信道C/A码进行授时的精度可达5.7 ns,使用P码进行授时的精度可达2.7 ns,而使用P码和载波相位联合授时的精度则可以达到0.7～1 ns.GPS授时开始广泛应用于军事、交通、通信、资源、管理等多个领域。

随着科技发展和信息社会的到来,电波环境观测在国防和国民经济建设中的地位与作用越来越重要,如何获取更多更为丰富的电波环境观测数据,为通信、广播、导航、航空、航天等技术领域提供基础数据,从而直接为各类电子系统的设计、运作和性能提高提供保障,是电波环境观测的重要任务。电波环境观测涉及电离层、对流层以及外层空间等广泛的领域。针对不同的观测载体,现已有众多的观测手段,如电离层垂测仪、斜向探测仪、返回散射仪等。由于GPS在授时等方面的优势,现已广泛应用于电波环境观测领域中[1-6]。

针对我国电波环境观测的发展现状,主要对电波环境中的电离层垂测和斜测中的GPS授时应用进行了叙述和总结。

1 GPS授时原理与方法

1.1 GPS授时原理

卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、运动速度和时间信息等。GPS授时系统需要的只是时间信息,GPS的基本授时原理示意如图1所示。

图1 GPS基本授时原理示意图

全球任何地点的GPS用户通过GPS接收机接收GPS卫星发出的信号,获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。虽然GPS中的P码较C/A码精度高,但是仅对美国军方和授权用户开放,民用只能使用免费的C/A码。GPS要实时完成定位和授时功能,需要有4个参数:经度、纬度、高度以及用户时钟与GPS主钟标准时间的偏差,所以需要接收4颗卫星的信息来定位。若用户已知自己的确切位置(即经度、纬度和高度),那么,接收1颗卫星的数据也可以完成定时[3]。

1.2 GPS授时方法

GPS授时(精密时间参数的传送)是GPS的重要应用之一。不同的用户对时间的准确度要求不一,然而传统的授时体制如卫星单向定时法,卫星双向定时法、LASSO定时法、Shuttle定时法等,由于设备复杂,耗资巨大,往往难以满足广大系统用户的需求。而利用GPS卫星信号进行时间传递时,不仅可以获得较高的定时精度,而且只需一台能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机即可进行,为此GPS授时获得了极其广泛的应用,例如在电波环境组网观测中,利用GPS授时功能进行时间同步具有非常重要的作用。

利用GPS进行系统时间传送时,通常有以下两种方法[2]:

1)一站单机定时法

在一个已知位置的测站上,用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星,从而确定用户时间的偏差。

2)共视比对定时法

在两个测站上各安装一个GPS信号接收机,在相同的时间内,观测同一颗卫星,从而获得用户时钟的偏差。

当同时观测四颗或更多GPS卫星时,一站单机定时法可以在不知测站位置坐标的情况下,测得用户时钟偏差和测站坐标,应用较为广泛。共视比对定时法通过差分消除卫星钟差,从而减小授时误差影响,在GPS实施SA时,具有重大的应用价值,可达到±5 ns授时精度。

2 电离层垂直和斜向探测

在现有的地基电波环境测量手段中,垂直探测仪、斜向探测仪是电波环境观测站网的常规电离层探测手段。

电离层垂直探测技术(简称电离层垂测)是电离层研究历史中最早采用的探测方法,自1925年Breit和Tuve发明了电离层垂直探测装置后,电离层垂直探测成为探测电离层最基本的手段,在电离层探测中一直发挥着重要作用。近年随着电子技术和计算机技术的发展和应用,脉冲编码、脉冲压缩、调频连续波等技术已在电离层垂直探测中应用,实现了探测技术的高度自动化和数字化,大大提高探测的效率和精度。垂直探测仪依据天然辐射或人工发射机发射的电磁波通过电离层传播时与等离子体相互作用所产生的电磁效应或传播特征,推算出电离层特性参量。垂直探测仪参数包括:电离层的空间层结构(各层虚高:h′E、h′Es、h′F1、h′F2、)不同高度电离层电子浓度极值变化(各层临界频率:foE、FoES、foF1、foF2可以确定电离层电子浓度随高度分布的剖面N(h)参数),电离层(虚)高度随频率变化情况、最低反射频率 fmin,地球磁场磁活动特性而产生双折射性质(寻常波和非常波)等。目前,世界上有近200个电离层垂测台站在连续24小时不间断的工作。

电离层斜向探测仪(简称电离层斜测)是研究电离层的基本工具之一,其工作原理如同多基地雷达一样,整个系统收发异地,一发多收。电离层斜探测仪属于接收设备,与测高仪一起组成完整的电离层探测系统。电离层斜向探测的主要目的是探测收发两地间的通信频段的变化。对于某一个探测链路,可以建立电离层垂测站并利用频率外推的方式计算出两地间的通信频段。斜向探测电离图记录了接收信号的相对群时延(相对传播时间)与频率的关系,主要用于研究不同时间不同频率的电离层传播模式,以实时确定特定电路上可能存在传播模式的频率范围及射线距离。斜向探测通常采用快速变频方式工作

各种电波观测手段共同组建了电波环境观测的各种信息源,从而获取电波环境的多维立体信息。

3 电离层垂测中的GPS授时应用

现有的电离层垂测仪种类较多,但体制大致相同。本文以中国电波传播研究所研制的TYC-1型电离层垂直仪为例,介绍电离层垂测仪中的GPS授时应用。

T YC-1型电离层垂直探测仪(测高仪)采用脉冲编码和数字直接频率合成等技术,具有发射功率小,控制灵活和工作可靠的特点。TYC-1型电离层探测仪(垂测仪)实质上是一台短波脉冲雷达,由发射机、接收机、天线、频率合成器、控制器和计算机组成。各分系统是在控制器的控制下同步工作的。

垂测仪电离层测量主要通过控制器控制合成器产生1～32 MHz连续变化的高频信号,该信号经过脉冲或相位编码信号调制,由发射机放大后通过天线垂直向上辐射,由于电离层的反射作用,反射回来的信号经接收天线进入接收机进行变频放大等步骤,再送入信号处理器和数据终端进行数据处理,最后解出回波的时延、幅度、频谱等信息获得频高图,最终判读后获取电离层相关信息。

为实现垂测仪发射机、接收机、滤波器系统的系统同步以及发射接收信号的相关处理和回波信号的时间差计算,在电离层垂测仪中,必须加入必要的时间同步模块。因此需要在垂测仪控制器模块中加入GPS接收机进行时间同步。

控制器主要包括GPS接收机、PIC微控制器、频率合成器、同步信号产生电路等部分,单片机通过串口接收数据终端发来的各种探测命令,并产生多种控制时序对整个系统进行同步,运行相应的探测程序产生相应的控制信号,控制对象包括发射机、接收机、滤波器、系统。TYC-1型电离层垂测仪控制原理框图如图2所示。

图2 电离层垂测仪控制原理框图

GPS卫星发送的L1波段信号由低剖面微带天线接收,经过一个窄带滤波器后,由天线模块内的前置放大器放大信号。经过滤波放大的L1波段信号通过一根同轴电缆被送至射频信号处理电路。该同轴电缆同时也提供天线模块进行信号前置放大所需的5V电源。

接收器的射频(RF)信号处理部分包括将天线接收的GPS信号进行下变频的电路。最后得到的中频(IF)信号进入接收器电路板上的8通道码和载波相关器,在通道分配器前高速模数转换器(A/D)已将中频信号转换为数字信号。

经过数字化处理的中频信号被送至数字信号处理器中(8通道码相关和载波相关电路也包括在其中),然后信号被分解,进入8个并行通道进行信号检测、码相关、载波跟踪和滤波。经过处理的信号被同步送进定位微处理器(MPU)单元,处理卫星数据,以进行位置、速度和时间的计算。

电离层垂测仪控制与信息处理部分先将GPS接收机接收的信息进行格式处理,用于工作程序设定时的依据,在终端命令下,依照已定的探测模式(垂测、斜测等)、扫频方式(对数、线性等)、工作方式(脉冲、编码)、工作程序(1分、5分…30分等)进行参数的计算、设置,最后完成相应的程序。

值得一提的是,早期的电离层垂测仪的时间同步主要采用人工标定时间的方法,对于垂测仪的这类电波日常观测设备而言,基本靠人工控制观测,非常费时费力,且由于观测人员的业务水平的不一致及人工对时校准本身的缺陷,人工时间同步的精度最高仅为1秒左右,这直接影响了垂测观测的时间一致性要求及斜测信号接收的同步。后期垂测仪通过采用加入晶振电路来实现授时,在一定程度上提高了授时精度和观测自动化程度;但是由于其授时精度与工作频率、工作温度等外在因素信赖性较强,这也导致晶振授时稳定性不高,需要定期的人为校对时间;所以晶振电路在授时精度上无法与GPS相比,这仍然在一定程度上会影响垂测观测的时间一致性要求及斜测信号接收的同步精度,另一方面,定期校对晶振时间也无法做到完全的自动观测。

可以看出,GPS授时在电离层垂测仪中的作用是显而易见的,它直接决定了仪器各模块间的时间同步,从而保证了电离层测量系统的一致性和准确性并消除了其它授时方法引入的误差,如人工授时引入的测量误差等。同时,GPS授时也保证了电离层斜测对垂测仪发射信号的同步接收,这对于斜测仪区域电波环境组网观测时必不可少的。

4 电离层斜测中的GPS授时应用

电离层斜测的主要目的是探测收发两地间的通信频段的变化以获取电离层变化信息。对于某一个探测链路,可以建立电离层垂测站并利用频率外推的方式计算出两地间的通信频段。然而,垂测站的投资十分巨大,我国幅员辽阔,建立大量的垂测站是不可能的,所以利用斜向探测技术一发多收且经济实用的特点,将电离层斜向探测设备放置在其可接收范围内任意地点接收其他垂测站的信号,这样既节约了观测成本又达到了观测目的。

电离层斜向探测仪由收、发分置的接收装置和发射装置组成,发射装置包括一台发射机(含激励器和功率放大器等)和发射天线;接收装置由一台模拟接收机、接收天线、一台信号处理机和一台数据处理机组成。系统工作频率范围为5～28 MHz.图3所示为斜向探测仪的探测原理图。

图3 斜向探测仪的探测原理

因探测发射源和接收点位于两地,若使电离层斜探测仪接收到发射的每个频率,必须做到收发两地频率同步和时间同步。电离层斜探测仪工作原理框图如图4所示。

图4 电离层斜探测仪工作原理框图

斜向探测仪需要的时间同步主要在同步数据采集单元中进行。为保证各电离层斜测仪间的时间基准的稳定性和精度要求,电离层斜探测仪采用GPS进行授时。在斜向探测仪同步数据采集单元盒内装有GPS(OEM)板,OEM板通过单片机接口给用户提供两种数据格式的输出,一种为二进制格式输出,一种为NMEA-0183格式的输出[7]。GPS定时型OEM板为用户提供了秒脉冲输出,使用户能够用GPS进行精确授时。秒脉冲是一电平讯号,一般以方波形式输出,高电平(也有较少数为低电平的)表示有秒脉冲输出(其持续时间很短,一般在毫秒量级上且其上升沿对应着—精确的UTC时刻,秒脉冲与UTC时刻的关系如图5所示。因此,可用此电平信号的上升沿对其它设备(如单片机、计算机等)进行控制或触发,这样,即可记录下秒脉冲上升沿到来的准确时刻,再从OEM板接口传输获取UTC时刻,经计算处理即可求得设备精确钟差,从而得到精确的UTC时刻,实现GPS的精确授时。

图5 秒脉冲与UTC时刻关系图

斜向探测仪后面板插座接GPS天线,以完成时间同步功能,同步指令为脉冲串,持续时间15秒,作为电离层探测信道扫频的控制信号,并与各电离层站测高仪扫频控制信号同步,斜向探测仪时间同步精度优于1 μ s。

5 结 论

电波环境观测作为无线电信息系统支撑保障的一个重要环节,其观测结果直接影响着各类无线电信息系统的性能。随着近年来卫星导航系统的发展,GPS在电波环境观测中开始发挥重要的作用,GPS具有非常高的授时精度,且其使用简便,因此广泛用于电离层垂测仪、斜向探测仪、返回散射仪等电波环境观测设备的时间同步,保证了设备的数字化、自动化和小型化,同时也对设备性能的提升具有不可忽视的作用。

未来全球卫星导航系统中,除GPS系统外,未来的全球导航卫星系统GNSS如俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO、我国的“北斗二代”等系统在不断的更新和部署中。未来十年内,全球导航卫星数目将到达100颗以上,这对于电波环境观测而言将是一个巨大的契机和促进,电波环境观测的时间、空间尺度有望进一步拓展。深入挖掘GNSS在电波环境观测中的应用,提高GNSS在我国电波环境观测领域中的作用,对于提升我国电波环境观测领域的水平具有非常重要的意义。

[1] 焦培南.电波传播基础知识电离图度量与解读观测技术与设备[M].青岛:中国电波传播研究所,2008.

[2] 刘基余,李征航,王跃虎,等.全球定位系统原理及应用[M].北京:测绘出版社,1993.

[3] 王 卿,宋铁成,奉 媛.基于GPS技术进行精确授时的方法[J].电气电子教学学报,29(8),2007,34-38.

[4] Kaplan E D,Hegarty C J.GPS原理与应用[M].2版.北京:电子工业出版社,2007.

[5] 吴海玲.浅析2010年度GPS升级调整对用户的影响[J].全球定位系统,2010,35(6):61-65.

[6] 丁金才.GPS气象学及其应用[M].北京:气象出版社,2009.

[7] 张 超,郑 勇.利用GPS OEM板进行精确授时的研究[J].信息工程大学学报,2001:50-53.