长河二号授时监测接收机设计与实现

潘 峰 李国俊 杨大峰

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.西安空天电子有限公司，陕西西安 710061)

1 引 言

全球卫星导航系统GNSS是全球应用最为广泛的定位、导航和授时(Positioning,Navigation and Timing，PNT)系统，其具有覆盖范围广、使用便捷、定位和授时精度高等特点，目前在航天航空、交通运输、电力等各领域发挥着重要作用。但它的缺点也十分明显，例如信号微弱、容易遭受欺骗式或压制式干扰等。近年来，全球各地多次发生的GNSS信号被干扰事件就充分暴露了它的不足。现在，世界各国都在积极探索，寻求新的体系必须能够提供准确、稳定、不间断的PNT服务，以解决单一依靠GNSS的问题。

长波授时系统具有信号强度高、覆盖地域辽阔、抗干扰能力强的优势，平均信号强度是常规GPS信号的130万倍[1,2]，可有效弥补GNSS卫星授时的不足。长波授时系统作为一种有力的备份授时手段，可有效提高PNT系统的授时可靠性。随着“十三五”国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”的建设，长波授时精度有望由目前的1μs[3]提高到100ns，未来长波授时将会成为授时系统中不可或缺的一部分。

针对北斗卫星授时存在易受干扰、易受攻击、覆盖空间有限等缺陷，同时考虑到地基长波授时信号抗干扰能力强等特点，启动地基长波授时接收机的研制与应用，实现地基长波授时与星基授时相结合，互为补充与增强，共同构建综合授时系统，形成天地一体、星地综合互备、梯次配置、立体交叉、分层保障的国家时频服务保障新格局，对于提高各类信息系统的时统系统安全性和可靠性具有重大现实意义。

2 长河二号授时监测接收机硬件组成

长河二号授时监测接收机由天线、馈线、耦合器及接收指示器等组成。其中天线与耦合器固定连接，耦合器与接收指示器由馈线连接，接收指示器由接收通道、数据处理、人机交互和电源等部分组成。接收机组成及信号流向如图1所示。首先，天线感应电磁波信号形成电信号；然后，由耦合器对天线收到的信号进行耦合、滤波、放大、阻抗匹配变换等处理；再由连接接收指示器与耦合器的专用电缆馈线连接，将极化电信号送往接收指示器进行信息处理；最后，通过接收指示器的信号处理和信息解算得到接收天线的具体位置，从而实现授时定位。长河二号授时监测接收机要求安装在四周空旷无建筑物遮挡的部位。接收指示器通常放置在室内进行操作。

图1 长河二号授时监测接收机组成框图Fig.1 Block diagram of Changhe No.2 timing monitoring receiver

1)接收通道

接收通道部分是设备的信号前段处理部分，主要完成信号的放大、滤波、陷波和线性量化等技术处理，以实现外界噪声和其他相邻无线电业务的干扰抑制、模拟信号的电平放大以及信号的模数转换等功能。

2)数据处理

数据处理部分是长河二号授时监测接收机的信息处理中心，是确保定位精度、实现导航授时功能最关键的组成环节。其主要完成对长河二号信号的搜索、天波与地波识别、相位的跟踪、周期的识别和授时定位解算等一系列重要的信息处理过程[4]。最后在长河二号授时监测接收机内产生其所需的各类采样脉冲信号及在人机交互界面显示导航及授时数据。

3 信号完好性检测技术

通过对长河二号信号的数字滤波、陷波、放大和数字化等处理，可得到抑制噪声和干扰后较为纯净的数字信号送入数据处理部分，然后信号再依次经过启动台链检测、信号搜索、信号捕获、载波跟踪、天波及地波识别、周期识别、信号跟踪与锁定、帧头检测、数据解调、启动TOC同步，并对时延进行修正以实现高精度授时监测功能。其中定时时延可分为路径时延、设备时延(含天线时延和接收通道时延)和TOA-ASF修正时延。路径时延通过设置天线坐标信息，由内部处理单元将坐标信息换算成时间的方式来实现；接收通道时延采取连接长波信号模拟器，通过比对定时1PPS信号的方式来测出；天线时延需将设备放到长河二号系统长波发射台站附近，通过与标准时间的1PPS信号进行比对测算出总设备时延，扣除设备接收通道时延即为天线时延；TOA-ASF修正时延是在以上各项时延参数设置完成后，再在设备应用地点通过比对标准时间1PPS信号来测出。

基于信号完好性检测技术设计的长河二号授时监测接收机，具有手动校准和设备自校两种方式来设置时延修正值。手动校准方式采用设备1PPS与标准时间输入1PPS比对，读取计数器差值，通过手动输入的方式来标校时延；设备自校方式采用将标准时间输入1PPS和外频标信号接入设备，设置设备为自校模式，即可自动标校时延。除路径时延参数需要通过人工输入经纬度信息来设置外，其它时延参数均可通过这两种方式来进行测量设置。

信号完好性检测技术流程及整体设计实现方法如图2所示。

图2 信号完好性检测技术流程图Fig.2 Technical flow chart of signal integrity detection

数字滤波：实现对长河二号信号的自适应陷波和FIR带通滤波处理；

台链检测：依据每个台链不同的组重复周期(GRI)进行台链的检测识别；

信号搜索：根据主、副台站不同的相位编码实现主、副台的识别；

信号捕获：由现场可编程门阵列产生GRI同步信号实现对长河二号信号的捕获；

载波跟踪：实现对长河二号信号的去载波处理，得到长河二号信号所携带的调制相位信息，并且产生系统的全局工作时钟；

天地波识别：保证监测设备跟踪在长河二号信号的地波部分[5]；

周期识别：判定监测设备跟踪在长河二号信号的第几个载频周期；

跟踪锁定：保证监测设备跟踪锁定在长河二号信号的第三周过零点；

帧头检测：主要通过RS解码和CRC校验实现；

数据解调：通过交叉相关检测实现；

TOC同步：基于解调的时码数据实现自主TOC同步。

4 基于ASF修正的精密时频控制技术

长河二号授时监测接收机的定时输出控制技术主要包括设备时间信息的输出控制和设备1PPS时间信号的输出控制。其中，设备时间信息的输出控制主要通过时码数据解调实现，设备1PPS时间信号的输出控制主要通过TOC同步实现。当长河二号授时监测接收机跟踪锁定所选的授时台信号之后，实现自主TOC同步的设计流程如下。

1)启动时码解调程序，根据时码信息的调制解码数据推算得到当前长河二号脉冲组信号的发射时间，取秒内得到尾数；

2)根据当前长河二号系统授时监测接收机所处的位置计算为

TOA=TOA0+ASF+ED+ΔT

(1)

式中：TOA——当长河二号信号传播路径为全海水时，信号从长河二号台站到达检测设备位置的电波传播时间(可根据长河二号台站和长河二号系统授时监测接收机的准确位置计算得到[6]。其中，长河二号系统授时监测接收机当前位置信息数据可以通过人工输入或者通过长河二号系统授时监测接收机定位获取)；TOA0——长河二号信号从长河二号发射台站到达监测设备当前位置的绝对传播时间；ASF——附加二次相位修正因子，由监测设备数据库读取；ED——利用长河二号台链副台定时的标称发射延迟(当利用长河二号台链主台定时的时候，ED=0)；ΔT——接收天线和监测设备通道延迟。

3)测量出长河二号脉冲组信号第三周过零点(GTP脉冲)与监测设备1PPS之间的时间差TI；

4)根据以上参数计算监测设备1PPS与标准时间1PPS的偏差，进而控制长河二号授时监测接收机将本地输出的1PPS同步到标准时间1PPS之上，至此完成长河二号授时监测接收机的自主TOC同步，实现监测设备的时间频率的精确控制。长河二号授时监测接收机时间频率的精确控制原理如图3所示。

图3 时间频率精确控制原理图Fig.3 Schematic Diagram of precise control of time and frequency

5 试验验证

为了验证自研长河二号授时监测接收机的有效性和可靠性，在北京卫星导航中心搭建了试验平台，如图4所示，以本地的标准时间为参考对长河二号授时监测接收机的授时性能进行试验验证。本试验选择两台长河二号授时监测接收机，其生产批次为同批次产品，每一次测试均同时开机，通过长河二号授时监测软件监测授时信号状态，检测比对两台授时监测接收机的一致性。

图4 长河二号授时监测接收机试验验证平台框图Fig.4 Block diagram of Changhe No.2 timing monitoring receiver test verification platform

长河二号授时监测软件主界面如图5所示。其主要功能包括导航电文解调解析、原始信号数据采集分析、设备零值自动修正及参数输入设定、ASF修正等功能。

图5 长河二号系统授时监测软件主界面Fig.5 Interface of time monitoring software of Changhe No.2 system

长波授时覆盖范围约(800～1200)km，真实环境的授时信号质量与天线区电磁环境密切相关[7]，尽量保证接收机与至少一个长波台站的距离保持在800km以内，以便授时监测结果连续稳定[8]。北京距离北海台链荣成站约640km，距离东海台链宣城站约1100km，根据长期的授时监测结果分析，北京地区尽可能采用北海台链荣成站长波授时信号。因此，这里仅分析荣成站授时监测结果。2019年6月19日荣成站的长波授时监测结果如图6所示。

荣成站长波授时监测结果统计值见表1。当长波授时信号质量较好时，短期内长波授时监测结果的实验标准偏差约30ns，必要时可作为卫星授时的一种重要补充手段。

表1 荣成站长波授时监测结果统计值(单位:ns)Tab.1 Statistical value of the monitoring results of the long wave timing of the Rongcheng station(unit:ns)接收机编号MaxMinAvgSTDRMS20002101.4-8018.823.330.020004212.7-80.8217.530.635.2

6 结束语

本文介绍了一种长河二号授时监测接收机的硬件组成和技术架构；概述了长波发射台链信号的捕获、追踪、识别、判决、锁定、检测、解调、TOC同步及时延修正等技术。详细论述了基于ASF精密时频控制技术在高精度长波授时中的应用。试验结果表明：长河二号授时监测接收机可提供准确、连续、可靠的时间信息，短期内授时结果的实验标准偏差约30ns，必要时可作为卫星授时的一种重要补充手段。