陸基無線電授時系統信號分析與解算

王雨竹, 秦紅磊, 萬國龍

(北京航空航天大學電子信息工程學院, 北京 100191)

0 引言

時間的應用,從民用滿足日常生活、發展國民經濟延伸到軍用國防需求,其廣泛性使授時服務迅速發展。自20世紀無線電通信技術崛起,我國也跟隨時代要求前后建立各種授時系統,且繼2017年授時戰提出之后[1],時間系統被要求自成體系并被列為特殊時期主要攻擊對象之一,因此對授時系統的完備性、靈活性以及授時服務的彈性、穩健性都提出了更高的要求。

為解決目前對衛星授時的重度依賴而出現授時方式單一化[2]以及為了操作方便而廣泛應用的網絡授時出現保密安全性問題,可對現有多種授時系統進行研究與完善。多方式授時系統可作為主授時源或備份授時源,對其進行研究滿足授時戰[3]對授時系統可靠性以及授時服務安全性的需求,從而使多種授時方式進行優勢互補,確保我國授時服務的穩定運轉。首先對我國現有整體授時服務體系進行梳理,從多角度對比各類授時系統服務性能,包括授時精度、用戶數量、信號完好體制以及信號校準體制;其次,選擇其中的陸基無線電授時系統作為主要研究對象,分析BPM短波授時系統、BPL長波授時系統以及BPC低頻時碼授時系統授時信號的發播程序以及信號格式等,對部分授時系統信號格式進行修正、補充與完善,給出三類授時系統相應的信號解算方法,并通過處理實際接收到的信號對解算方法進行驗證,給出三類授時系統的時間信號時域圖;最后,分析我國陸基授時體系的不足,并根據授時戰需求給出應對授時戰的技術路線。

1 我國整體授時體系

我國主要授時體系,按信號傳播方式可分為陸基無線電授時系統、星基授時系統以及其他授時系統[4]。陸基無線電授時系統主要包括BPM短波授時系統、BPL長波授時系統以及BPC低頻時碼授時系統;星基授時系統主要是衛星授時系統、數字電視授時;其他授時系統主要有電話授時、網絡授時系統以及新型授時方法等。

陸基無線電授時以無線電發播方式作為時間信息傳遞手段,利用不同頻率的無線電信號作為載波,將時間信息通過不同的調制方式調制到載波上對外播發。電話授時以公共電話交換網絡PSTN(public switched telephone network)為服務平臺,通過點對點撥打授時服務專線的方式傳遞時間信息[5]。網絡授時利用網絡時間協議NTP(network time protocol)等時間協議獲取時間信息傳遞給時間用戶[6]。衛星授時利用衛星上的時鐘源作為時間基準或者將衛星作為時間基準的轉發中介來發播時間信息[7],其授時原理以衛星定位作為基礎,利用四顆衛星的空間坐標解出定位目標空間坐標以及時間差[8]?，F代數字電視授時以數字電視廣播系統DVB-S(digital video broadcasting-satellite)為基礎平臺,將授時電文插入數字衛星電視信號中,經數字衛星電視信道將授時電文發播出去[9]。除了上述基本的授時方式外,近些年又發展了一些新型授時方式,如光纖授時、量子時間授時技術等。各類授時系統的精度以及用戶數量對比如圖1所示(其中,橫軸授時系統按我國對授時系統研究的先后順序進行排列)。由圖1可知,除新型授時方法外,授時系統的用戶數量基本上是隨著授時精度的提高而增加的。

圖1 授時精度、用戶數量對比Fig.1 Comparison of timing accuracy and number of users

此外,對我國主要授時體系在信號完好體制SIS(signal integrity system)以及信號校準體制SCS(signal calibrationability system)上的對比,如表1所示。信號完好體制指當授時信號質量降低或不能正常提供時間信息時,授時系統告知用戶時間的可用性的體制,即授時系統是否具有自檢體制;信號校準體制指授時系統是否具有一定的信號傳播時延校準體制。由表1可知,授時信號的完好體制與校準體制如今也成為授時系統的重要組成部分。

表1 信號完好體制與信號校準體制對比

由上述可知,我國已具備較為完善的授時體系。本文選擇我國授時體系中的陸基無線電授時系統作為主要研究對象,對陸基無線電授時信號進行分析與解算。

2 陸基無線電授時系統信號分析

我國陸基無線電授時系統根據其使用的不同無線電頻率將其分為:BPM短波授時系統,載波頻率為2.5 MHz、5 MHz、10 MHz和15 MHz四個,授時精度為毫秒級;BPL長波授時系統,載波頻率為100 kHz,授時精度為微秒級;BPC低頻時碼授時系統,載波頻率為68.5 kHz,授時精度為亞毫秒級。其中,BPM短波授時系統為完善其系統性能,于5 MHz載波信號上插入副載波頻率為125 Hz的時碼信號,由于后插入的時碼信號與原時間信號調制方式不同,為加以區分,本文將BPM短波授時系統分為BPM短波秒信號授時系統以及BPM短波時碼授時系統。

圖2給出四類陸基授時系統在發播時間、中斷時長以及時效時間上的對比。發播時間指由授時系統發播程序規定的信號播發時間區間;中斷時長指在授時系統發播時間內因系統本身發播程序的原因造成無法提供時間信息的總時長;時效時間指時間用戶從接收授時信號到可以輸出此授時系統能提供的完整時間信息所用的最短時間。

圖2 陸基授時系統發播時間、中斷時長、時效時間對比Fig.2 Comparison of broadcast time, interruption time, and time-limitation time of land-based time system

2.1 BPM短波授時系統信號分析

2.1.1 BPM短波秒信號授時系統

我國短波授時服務主要由呼號為BPM的短波授時臺負責,于1966年著手籌建,于1981年正式承擔短波授時服務任務。由圖2可知BPM短波秒信號授時系統四種發播頻率共同合作可提供全天候24 h的短波秒信號授時服務,且此系統是我國唯一一個可提供UT1秒信號的授時系統,具有重要價值。

BPM短波秒信號授時系統載波上承載六類信息,其中包括三類時間信息,分別是UTC秒信號、UT1秒信號及整分信號;另包括無調制載波、BPM呼號莫爾斯電碼以及女生普通話語音廣播。發播程序[10]以30 min為重復周期,每周期有UTC秒信號時段15 min、UT1秒信號時段9 min。時間信息與BPM呼號均采用雙邊帶幅度調制的方式調制到載波上向外發播。

時間信息以1 kHz標準音頻信號的不同完整周波數表示,UTC秒信號長10 ms;UT1秒信號長100 ms;整分信號長300 ms,如圖3所示。

圖3 BPM時間信號格式Fig.3 BPM time signal format

BPM呼號莫爾斯電碼特征為“—····— —·— —”[11],其中“—”由1 kHz標準音頻信號的300個完整周波構成,時長300 ms;“· ”由1 kHz標準音頻信號的100個完整周波構成,時長100 ms。一個字母的莫爾斯電碼表示方式中“—”與“· ”的時間間隔為100 ms,字母與字母的莫爾斯電碼表示方式之間的時間間隔為300 ms,每遍完整的BPM呼號莫爾斯電碼表示方式之間的時間間隔為700 ms,其格式如圖4所示,即每發送一遍完整的BPM呼號莫爾斯電碼所耗時4 s,連續播發10遍,共耗時40 s。

圖4 BPM呼號莫爾斯電碼發播格式Fig.4 BPM Morse code broadcast format

無調制載波只播發載頻信號,不承載時間信息,用來檢驗標準頻率信息。女生普通話語音廣播內容為“BPM標準時間標準頻率發播臺”,播發兩遍,共持續20 s。

2.1.2 BPM短波時碼授時系統

BPM短波時碼授時系統采用在125 Hz的副載波上以二進制BCD加權編碼的方式調制年內儒略日(以每年1月1日為計數起點,不間斷計數到每年12月31日)、時、分等時碼信息,并將其插入5 MHz載波上。每一分鐘發送一幀完整的時碼信息,每秒播發一個脈沖且秒脈沖上升沿與UTC(NTSC)重合,并以缺少秒脈沖作為幀頭起始標志,每幀時碼信息包含59個有效脈沖,其中包括23位時碼信息比特:7位分信息,6位小時信息,10位天數信息,天數信息可轉換為X月X日信息。BCD編碼以秒脈沖持續時長的不同表示不同的比特信息:200 ms寬脈沖表示“0”比特,480 ms寬脈沖表示“1”比特,另800 ms寬脈沖為定位分隔標志位。2014年,中國科學院國家授時中心蒙智謀發表《BPM短波時碼授時發播技術方案》一文,指出短波時碼的幀結構[12]。但經實驗驗證,目前時碼幀結構已經更改,本文根據接收到的實際信號,對時碼的幀結構以及標志位與權重進行猜測,更新其幀結構如圖5所示。更新后的幀結構已經通過后續實際實驗得到了驗證,保證與目前正在發播的BPM短波時碼幀結構保持一致,其中P0～P5為定位分隔標志;Pr表示缺少秒脈沖,為幀參考標志;P6為保留位。

圖5 BPM時碼幀結構Fig.5 BPM timecode frame structure

2.2 BPL長波授時系統信號分析

專門擔任我國長波授時的是呼號為BPL的長波授時臺,它是我國首個利用羅蘭-C脈沖信號體制實現陸基授時功能的系統,于1975年著手籌建,1983年建設完成,可提供秒時間信息,但無法提供時碼信息[13];2006年對系統進行技術改造,增加數據發播功能,可提供時碼信息;2008年,系統完成技術改造并投入使用。

改造后的BPL長波授時系統采用羅蘭-C信號體制發播周期性脈沖組信號,與我國羅蘭-C導航臺鏈共用一套信號體制。一個羅蘭-C臺鏈由多個發射臺組成,其中必須有且只有一個主發射臺,其他為副發射臺。副臺一組脈沖組信號發播8個單脈沖,每個脈沖之間的間隔為1 ms;主臺一組脈沖組信號發播9個單脈沖,前8個脈沖間隔為1 ms,第8與第9個脈沖之間的間隔為2 ms,作為區分主副臺的標志。副臺脈沖組信號在主臺脈沖組信號播發完畢后經過一定的時間延遲后再進行播發,單個脈沖是根據鐘形脈沖進行調制得到的[14]。每個羅蘭-C臺鏈都有各自的信號播發周期,稱為組重復周期GRI(group repetition interval),并分為奇數周期和偶數周期,奇偶數周期內主副臺根據不同的相位編碼調制脈沖組信號[15],羅蘭-C臺鏈的信號播發格式以及奇偶周期相位編碼規則如圖6所示(“+”號表示起始相位為0弧度相位,“-”號表示起始相位為п弧度相位)。BPL長波授時臺是獨立于羅蘭-C臺鏈外的授時專用系統,作為主發射臺工作,GRI為60 ms。

圖6 羅蘭-C臺鏈信號發播格式與相位編碼規則Fig.6 Loran-C signal transmission format and phase coding rules

BPL長波授時系統的時碼發播功能主要依靠數字調制技術,其采用脈沖位置調制技術PPM(pulse position modulation),并發展出“Eurofix”數字調制方法[16]。其調制原理是對經相位編碼后的脈沖組中第3到第8個單脈沖進行三種時移調制,如圖7所示,并規定6個被調制的脈沖需進行平衡調制,即超前1 μs調制脈沖個數要與滯后1 μs調制脈沖個數相等。根據上述編碼原理,從141種平衡調制狀態選取128種與標準ASCII碼(7位一組的二進制碼)建立調制序列對應關系(調制圖樣[17])即可將二進制碼調制到脈沖組信號中,即一組脈沖組信號對應7位二進制碼。

圖7 羅蘭-C信號PPM調制Fig.7 Loran-C signal PPM modulation

BPL長波授時一份完整的幀信息需要同一發射臺的連續30組GRI構成的210位比特信息[18],其中有56位為授時電文,BPL授時電文有兩類,即授時電文1和授時電文2[17]。授時電文播發以五組電文為一循環,五組電文中先播發一組授時電文1,再播發四組授時電文2。根據授時電文結構進行解碼即可解算出時碼信息,且當前授時電文給出的時間信息是下一組待調制的30個GRI脈沖組的第一個脈沖的起始時刻。(注:BPL長波授時臺臺標識為0001)。

2.3 BPC低頻時碼授時系統信號分析

低頻時碼授時系統是一種特殊的長波授時系統,主要應用于民用電波表。我國低頻時碼授時臺呼號為BPC,于1994年著手籌建,1999年建成試驗發播臺,2006年正式于河南商丘建立BPC低頻時碼發播臺并于2007年正式擔任低頻時碼發播任務[19]。

BPC低頻時碼授時信號以關斷型OOK信號為基礎,采用將幅度與脈沖寬度同時進行調制的方式將比特信息調制到68.5 kHz的載波上對外發播。BPC低頻時碼幀周期為20 s,每秒發播一個秒脈沖,以秒脈沖不同的占空比表示不同比特信息。其幀結構如圖8所示,各標志位含義如表2所示。

圖8 BPC低頻時碼幀結構Fig.8 BPC low-frequency timecode frame structure

表2 BPC標志位含義與用法

3 陸基無線電授時系統信號解算

各類授時系統可為時間用戶提供時間信息的前提是對授時信號進行相應的解算。本章根據授時信號的不同特征設計不同的解調解算方法,提取時間信息,并根據實際接收到的信號對解算方法進行驗證,給出實際信號解算結果圖。

3.1 BPM短波授時系統信號解算

3.1.1 BPM短波秒信號授時系統信號解算

對于BPM短波授時秒信號解調方法采用相干解調,后利用互相關法提取其中的時間信息。由于BPM短波秒信號授時系統是我國目前唯一一個既播發UTC秒信號也播發UT1秒信號的授時系統,要想應用其中的秒時間信息,還需對秒信號進行判定與分類,以便于后續對起始時刻進行校準處理,其中,雖然整分信號特征不受秒信號種類影響,但也需根據當前播發秒信號類型將其分為UTC階段整分信號與UT1階段整分信號。時間信息的判定與分類采用峰值檢測的方法檢測時間信號周波個數,具體的判定與分類流程如圖9所示。BPM呼號時段不包含秒時間信息,只能判定BPM呼號開始時刻處于一個小時內的第29 min或第59 min。

圖9 BPM時間信息分類Fig.9 BPM time information classification

時間信息分類后,可利用高時間精度的秒脈沖對BPM短波秒信號的起始時刻進行校準后可輸出相應的秒起始時刻。整體的BPM短波秒信號解算流程如圖10所示。

圖10 BPM短波秒信號解算流程Fig.10 BPM shortwave second signal solution flow

根據上述處理流程,對實際信號進行時間信息的提取如圖11所示,圖11 (a)為整分信號以及UTC秒信號,圖11 (b)為UT1秒信號。

(a) 整分信號與UTC秒信號時域圖

(b) UT1秒信號時域圖圖11 BPM時間信號時域圖Fig.11 BPM time signal time domain plot

3.1.2 BPM短波時碼授時系統信號解算

根據更新后的幀結構,設計BPM短波時碼授時信號的解算流程。首先對接收到的信號進行相干解調以及相關濾波等初步處理后得到數據幀信號,數據幀以缺少秒脈沖為幀起始標志,在對時碼進行解算前需對幀頭位置進行識別:若兩個相鄰脈沖上升沿的時間間隔大于1.5 s,則認為后一個上升沿為1 min內第1 s的秒起始時刻。幀頭位置識別成功后,再識別脈沖寬度。本文選擇識別上升沿與下降沿并計算相鄰的一對上升沿和下降沿之間的時間間隔作為脈沖寬度的判別標志,根據識別的脈沖寬度輸出一組二進制數據,按數據幀結構以及相應權重進行時碼的解算。

根據上述解算流程對實際信號進行處理,圖12給出P1～P2前的數據,輸出一份二進制數據“010000100”,根據幀結構可解算出處于22分。

3.2 BPL長波授時系統信號解算

對BPL長波授時系統的信號解算分為對信號的解調以及對授時電文的解算。

根據長波授時信號的PPM調制方式,選用互相關算法對信號進行解調。選取每個GRI所包含的脈沖組中第一個未經調制的單脈沖作為參考脈沖,將參考脈沖分別與同個脈沖組中第3到第8個單脈沖進行互相關,判定奇偶周期,奇偶周期識別流程如圖13所示。

圖13 BPL周期判定Fig.13 BPL cycle determination

奇偶周期識別成功后,根據相位編碼規則對參考脈沖進行相位調整,將調整后的參考脈沖再進行時移處理,生成超前1 μs參考脈沖以及滯后1 μs參考脈沖,將三類參考脈沖分別與同一脈沖組中的第3到第8個脈沖進行互相關累加,比較互相關累加值,可輸出一組6位解調序列[14],其互相關解調算法流程如圖14所示。

將上述經互相關算法得到的6位解調序列進行平衡調制檢驗后與調制圖樣進行對照即可得到一個十進制數據,再將此十進制數據轉為7位二進制數據,如此重復直至找到BPL長波授時數據幀幀頭位置。但BPL的數據幀并沒有設置幀頭標志,且由于受到羅蘭-C臺鏈信號的交叉干擾導致RS糾錯碼與CRC校驗碼無法使用,因此本文提出并設計利用數據幀中所包含的授時電文信息的前7位比特信息對應的脈沖組作為數據幀的幀頭位置,即識別到7位二進制數據為0100010(授時電文1型)或0100100(授時電文2型)時,則認為此對應的脈沖組為可能的數據幀幀頭位置。為了避免在數據幀內部也出現0100010或0100100信息組,在識別到此兩種信息組后,再識別此位置后1.8 ms(一組完整數據幀時長)位置處的信息組,若同樣為0100100或0100100,則認為幀頭識別成功,反之則重新進行幀頭位置的尋找。

圖14 BPL互相關解調Fig.14 BPL cross-correlation demodulation

幀頭位置識別成功后,對包含幀頭位置在內的30個GRI脈沖組進行互相關解調以及平衡調制校驗等工作后得到210位解調后的比特信息,其中前56比特為授時電文,根據授時電文類型進行相應規則的解算,可輸出對應的時間信息。其對應的信號解算整體流程如圖15所示。

圖15 BPL信號解算流程Fig.15 BPL signal solving process

根據上述流程對實際信號進行解調測試,結果如圖16所示。用“-”表示超前調制,用“+”表示滯后調制,用“0”表示未超前滯后,則下圖表示的調制序列為“0 - + - 0 +”,符合平衡調制。

圖16 PPM解調結果Fig.16 PPM demodulation results

3.3 BPC低頻時碼授時系統信號解算

BPC低頻時碼授時信號幀結構清晰,數據幀內包含編碼后的年、月、日、星期、時及分等時碼信息。對時碼信息的解算,首先需對接收到的BPC低頻時碼授時信號進行相關濾波與包絡提取等初步處理,后對經初步處理得到的數據幀進行幀頭位置的識別,由于BPC時碼幀以缺少秒脈沖為幀起始預告標志。因此判定兩個相鄰的脈沖上升沿時間間隔大于1.5 s時,認為后一個脈沖上升沿所屬的秒脈沖為P1幀標志脈沖。完成幀頭位置識別后,才可對時幀進行時碼解算,隨后對秒脈沖寬度進行識別,識別上升沿與下降沿并計算相鄰的一對上升沿和下降沿之間的時間間隔作為脈沖寬度的判別標志,根據識別的脈沖寬度輸出一組四進制數據,按照規定權重對數據進行解碼并轉換為二進制后對結果進行校驗,若校驗失敗,則需重新進行下一時間段的數據初步處理以及幀頭識別;若校驗成功,則根據數據幀結構與權重輸出解算的時碼信息。

BPC低頻時碼授時信號除了包含時碼信息外,還隱藏有秒信息:由于數據幀每秒發播一個脈沖,可選擇脈沖的上升沿作為秒起始時刻。在時碼解算成功的基礎上,對下一數據幀進行同樣的相關濾波以及包絡提取等初步處理后進行秒脈沖上升沿的識別即可輸出含有年、月、日、星期、時、分以及秒起始時刻等授時信息,其具體的解算流程如圖17所示。

圖17 BPC信號解算流程Fig.17 BPC signal solving process

根據上述的解算流程對實際接收到的BPC低頻時碼授時信號進行相應的解算驗證,如圖18所示,根據脈寬可輸出一組四進制數據“200210312301311-1120”,將除校驗位的其他標志位轉為二進制后的二進制數據為“10(P1)0(P2)10(時)10011(分)110(星期)3(P3:奇校驗)111(日)101(月)10110(年)0(P4:偶校驗)”,根據幀結構判定滿足奇偶校驗,數據解碼正確,最終得到時碼信息為“2022年5月7日星期六下午2點19分”。

圖18 BPC完整幀解調結果Fig.18 BPC full frame demodulation results

以圖18完整數據幀解出的時碼信息作為時間基礎,可從下一幀開始進行BPC低頻時碼授時信號的秒信號識別。由于圖18中顯示P1標志位為2,表示圖18完整幀起始秒為第41 s,下一完整幀的起始秒應為下一分鐘的第1 s,所以進行下一幀第1 s秒信號識別后的時間信息應為2022年5月7日星期六下午2點20分1秒。

4 授時體系現狀及發展展望

從我國目前的授時體系發展現狀來看,雖然具備了基本的陸基、星基以及網絡等授時系統,但衛星授時以其高精度以及方便性占據了授時系統主導地位,對陸基無線電授時系統以及其他授時系統的應用與改進被放在次要地位。從本文研究的BPM、BPL及BPC三類授時系統來說,BPM短波時碼的幀結構設計采用一分鐘幀長,占用資源過大且比特保留位過多造成資源浪費;BPL長波授時系統信號體制與羅蘭-C導航臺鏈共用一套,導致交叉干擾的出現,會大大降低解碼效率與正確性;BPC低頻時碼授時系統應用范圍局限大,目前主要應用于民用鐘表。從其他授時體系來說,我國授時系統被禁錮在陸空,對可在水下應用的授時系統研究甚少。授時戰的提出將授時系統列入特殊時期主要攻擊對象之一,因此如何能夠有效應對授時戰是一個非常值得關注并研究的問題。

根據授時戰的要求,本文認為可從五個方面對我國的授時體系進行升級與改造,分別是:完備性、穩健性、靈活性、可靠性以及抗擾性。

1)完備性:是充分利用各授時系統優勢達到協作授時的關鍵,在特殊時期下尤為重要。在對于現有授時系統進行改進和完善的基礎上,也可研究新型授時方法,如通過研究水下授時方法,擴充授時體系備份力量,實現立體海陸空授時的全覆蓋,提高授時體系的物理抗打擊性。

2)穩健性:為國土范圍內能穩定接收各類授時信號提供信號基礎,包括提高授時信號發播時間的連續性以及各授時信號覆蓋范圍的重疊冗余性,以彌補如我國BPM、BPL授時系統中出現授時信號中斷而不能提供授時服務的情況。

3)靈活性:集成各類授時系統,形成自成一體的強機動型且便攜式設備,保證授時方法切換的靈活性以及信號接收設備移動上的靈活性。

4)可靠性:對時間發射與接收設備進行服務性能上的改進,應尤其注重授時精度與守時精度,由此提高時統設備提供時間信息的正確性和精確性,增強授時信息的可信任程度。

5)抗擾性:綜合考慮有線授時與無線授時系統,對信號體制以及硬件接收設備進行合理設計,以提高授時信號對抗外界人為干擾能力以及各類信號之間的相互干擾,如BPL的交叉干擾等。

根據上述內容,簡化應對授時戰的技術路線如圖19所示。

圖19 應對授時戰技術路線Fig.19 Technical route dealing with the time-based warfare