短波定时数字相关检测技术及短波自校守时钟

摘要

本发明短波定时数字相关检测技术及短波自校守时钟，属无线电授时和定时技术领域。为解决目前短波定时技术中定时精度较低、可靠性较差等问题。本发明公开了一种短波定时数字相关检测技术，即利用授时秒信号和本地钟内部秒具有相同的周期这一特性，将每个模拟时号数字化后进行相关分析和分组统计，从而获得较高的时号跟踪精度和定时可靠性。并提供一种以上述技术为基础的短波自校守时钟，由于它能对多种时号自动识别、分析、跟踪，并自动修正传播时延等优点，因此它是一种理想的短波定时设备。

说明书

本发明属于无线电授时和定时技术领域。短波无线电定时是利用短波授时台发播的短波时号，被远地用户接收处理后，获得与发射台同步的标准时间。对于短波无线电授时信号的接收处理，目前主要有窄带滤波、脉冲门限、宽度鉴别、时间选通等技术；对本地钟的控制，有一次同步式、比对时差记录式、连续跟踪式等方法。在国外有日本电波研究所研制的，用于电离层斜向同步探测的JJY时号同步设备，有美国LoweLL大学的DGS-256数字测高仪WWV对时设备等。

由于短波信道是一个时变色散信道，电离层对短波信号的反射会引起时号的色散、吸收、衰落、多普勒频移、多模传播以及信号中断等各种传播现象，并且短波频段信道十分拥挤，各类干挠严重。此外，现有短波授时时号格式简单，一般都是窄带缓变的音频调幅信号，这对于抗干挠和准确定时也极为不利。正是上述原因导致了短波时号波形的严重失真和相位抖动(最大可达数毫秒数量级)。

有关的研究表明；短波时号的传播时延会随时间发生变化，这主要是由于电离层常规变化引起的电波反射高度变化以及时号经不同传播模式[如F层、E(Es)层，一跳、多跳等各种路径]引起传播路径变化所造成的。最新研究成果还表明，有时存在一种所谓的短波异常时号，它的传播时延较正常反射时号的时延大许多，达几毫秒甚至十几毫秒，它实际上是一种沿非大园路径经电离层二次聚焦、一次地面散射传播到达接收点的短波时号。

鉴于短波时号的上述传播特性，采用现有技术设计的短波定时设备的定时精度较低(一般在几毫秒到十几毫秒)，可靠性较差(常因信号衰落、强干挠引起同步错误)，并且一种短波定时设备往往只能对一种时号定时，而且在定时中需人工干预，对时号的传播时延需事后处理或人工计算设置。

但应指出的是由中国科学院陕西天文台研制的BPM短波时号定时仪是现代短波定时仪器的优秀代表，该仪器采用中点检测技术(已申请我国发明专利，专利号：88103184)并结合四维选通(即频域、时域、宽度、幅度)方法，使该仪器短波定时精度较以往短波定时设备有较大提高，其时号自动跟踪精度达±1.5ms，被国际电联作为时频研究新进展收入1990年度CCIR第七研究组的363-6号录皮书报告，为提高短波定时技术作出了重要贡献。但是，中点检测技术要求时号波形是对称的，但在实际的电离层时号传播中，由于衰落、干挠等引起的时号波形畸变往往不能满足对称的要求，这就导致确定时号到达时刻会出现较大错误。此外，中点检测技术无法获得短波时号携带的各种电离层信息，从而充分克服电离层对时号传播的影响。例如：时号波形失真度的判别，传播模式的变化，异常时号的识别等，因而也就无法将短波绝对定时精度保证在1ms以内。由于中点检测是利用数字电路硬件完成的，故BPM短波定时仪只能识别BPM时号定时(其它方法一般也是一个时号台)，无法利用国外各种时号台信号，限制了其使用范围和定时效率。该BPM定时仪还需人工粗略搜索到仪器内部秒与时号秒相差在10ms范围内才能进入自动跟踪同步方式，对时号的传播时延的修正也需人工查表事先预置进行修正，不能根据时号的传播特性进行实时修正，故时延修正精度也较低。

本发明的目的是公开一种短波定时数字相关检测技术，以便有效地解决现有短波定时技术中存在的上述问题。并提供一种以短波定时数字相关检测技术为基础研制的短波自校守时钟，即一种能连续跟踪短波授时信号的实时钟，由于它能对时号自动识别、分析、跟踪，并自动修正传播时延，从而获得较高的定时精度和可靠性。

本发明的目的是这样实现的，利用授时秒信号和本地钟内部秒具有相同的周期这一特性，将每个模拟时号数字化后进行相关分析和分组统计，从而获得较高的时号跟踪精度和定时可靠性。本发明的工作原理如下：

图1为短波定时数字相关检测技术原理图。

图2为短披定时数字相关检测技术电原理图。

图3为短波自校守时钟电原理图。

其中：a——发射时号秒波形，b——守时钟内部秒波形，c——接收时号秒波形，d——采样范围，e——标准输出秒波形，1——时号秒，2——A/D采样器，3——微计算机(8031单片机系统)，4——程序存储器，5——数据存储器，6——晶振频率源，7——可移相分频链，8——可变时延计数器，9——标准秒，10——数字调谐点频接收机，11——带通滤波器，12——监听器，13——可移相数字钟，14——2×9键盘，15——键盘显示控制器，16——6位LED显示器。

1、由短波授时台发播的标准时号秒见图1(a)，它由数个音频正弦波构成，其起点与世界协调时同步，秒长准确为1秒。在接收点由守时钟频率源分频产生的内部秒见图1(b)，它与授时台标准秒有未知的时差，但它们的秒长几乎相同也为1秒。授时台的时号经电离层传播到达接收点经短波接收机检波输出的时号秒见图1(c)，相对发射时号有1个时差)，它包括接收机时延1和时号传播时延2，其中，1为常数并可事先测定，2随时号传播路径而变化。以本地钟内部秒脉冲为参考起点，触发A/D采样器以恒定采样间隔△t采集一段时间，使它覆盖每个时号秒，见图1(d)，也就是说，每个时号秒的模拟波形被转化为数字量送入微计算机内存，然后进行相关检测与分析，以获取准确的时号秒到达时刻，实际上是得到守时钟内部秒脉冲与接收的时号秒的时差值T₁。

数字相关检测与分析方法如下：

设采样的时间序列为X₀、X₁、X₂……X_n。标准时号波形的数据为Y₀、Y₁、Y₂、……、Y_m，m＜n，它们的采样间隔均为△t，则相关函数为： $>>C>>(>R>)>>=>>>>\Sigma >>i>=>R>>>R>+>m>>>[>X>>(>i>)>>-ver>>X>‾>>>(>R>)>>]>·>[>y>>(>i>->R>)>>-ver>>Y>‾>>]>>\sqrt{>>\Sigma >>i>=>R>>>R>+>m>>>[>X>>(>i>)>>-ver>>X>‾>>>(>R>)>{{}^{}}^{}}>>>s>$ >ver>>X>‾>>>(>R>)>>=>>1>m>>>\Sigma >>i>=>R>>>R>+>m>>>x>>(>i>)>>,ver>>Y>‾>>=>>1>m>>>\Sigma >>i>=>0>>m>>y>>(>i>)>>>s>$$

从上式可见，C(R)为标准相关函数，当采样波形与标准波形重合并相拟时，C(R)＝1，其它情况均小于1。也就是说，我们利用上式逐点移动计算C(R)，求出最大值C(R_m)，用C(R_m)值判断接收时号波形的畸变程度。在实际应用中，当C(R_m)＞0.55，则认为这个波形可以用作定时；用R_m·△t表示一次波形测量的守时钟内部秒与该时号秒的时差位t_i。根据时号的衰落时间等因素，将30次时号波形测量值t₁、t₂……t_p(p≤30)为一组统计分析，求出时号秒的相位抖动率和最可几时差值T₁。随着时间的推移，将获得一系列T₁、T₂、T₃……，即构成时延变化曲线。注意，时延曲线的变化就由于电离层变化和守时钟频率源不稳引起的，当频率源稳定度较高时(10^-8)，则基本反映电离层的变化情况。

在得到T₁后，由于各接收机时延L₁可事先测定，然后根据收发点大园距离和传播模式可计算出时号的传播时延值L₂(参见K·Davies，Ionospheric Radio，Peter Peregrinus Ltd，London，1989)，则守时钟内部秒与授时标准时号秒的时差P₁＝T₁-L可以求出。利用可移相时钟，产生一个与守时钟内部秒相差P₁秒脉冲，见图1^-(e)，该脉冲就是获得的标准秒信号。

从上面原理可以看到，这种技术与以往短波定时技术是完全不同的。一方面，它能分析测量时号波形的好坏，衰落大小，相位抖动率，消除色散引起的时号秒第一个周波和最后一个周波的畸变和波形严重失真对时号跟踪精度的影响，并利用时号的统计特性提高短波定时的可靠性。另一方面，获得的时延变化的曲线有利于时号传播时延值的修正和消除异常时号的影响，提高绝对定时精度。此外，这种技术很容易实现不同时号台的自动搜索、定时(只需变换标准波形数据)和传播时延的自动计算和修正，总的来说，这种技术根据电离层反射时号的特点，利用时号的全部信息，最有效地抑制了电离层信道的时变特性对短波定时的影响。

2、如图2所示，给出了数字相关检测技术实现的电原理图。A/D采样器(2)、微计算机(3)、和程序存储器(4)、数据存储器(5)依次连接；晶振频率源(6)、可移相分频链(7)、可变时延计数器(8)依次连接；又微计算机(3)分别和可移相分频链(7)，可变时延计数器(8)连接，时号秒(1)从A/D采样器(2)输入，标准秒(9)从可变时延计数器(8)输出。A/D采样器(2)在内部秒上升沿时刻通过微计算机(3)控制开始采样，采样间隔0.1ms，将时号波形(1)变为数字信号送入数据存贮器(5)中，按前面介绍进行相关检测统计分析后，得到一个时差值T₁，经微计算机(3)获得P₁值，控制一个可变时延计数器(8)产生一个与内部秒滞后P₁的标准秒脉冲(9)，可变时延计数器(8)只有在微计算机(3)获得新的P₁值后才修改。此外，内部秒是由晶振频率源(6)分频得到的，为防止守时钟内部秒与接收时号秒(1)出现重叠情况，并使采样时段能覆盖时号(一般每秒采样时间不大于400ms)，采用可移相分频链(7)使守时钟内部秒的相位是可移动的。

3、短波信号数字相关检测技术软件流程为下：微计算机在内部秒启动下，控制A/D采样器以0.1ms的采样间隔采样400ms，数字化后的数字波形经低通数字滤波，消除脉冲干扰，然后对欲收时号进行相关检测分析，若检测到时号则进入定时状态，否则内部秒被移相300ms后再进行新一轮相关检测来搜索时号。在定时状态中，为提高定时精度和减少计算分析时间，A/D采样器的采样时间只有30ms，除与搜索状态一样进行相关检测外，还对相关最大值C(Rm)进行抛物插值，使T₁的时间分辩率从0.1ms提高到0.01ms。另外，最可统计分析也是在定时状态进行的。

4、如图3所示，给出了短波自校守时钟的电原理图。数字调谐点频接收机(10)，带通滤波器(11)，A/D采样器(2)，8031单片机系统(3)，可移相数字钟(13)依次连接；频率源(7)分别和8031单片机系统(3)和可移相数字钟(13)连接；键盘显示控制电器(15)接口于2×9键盘(14)和6位LED显示器(16)后和单片机系统(3)连接；在数字调谐点频接收机(10)上连接有监听器(12)；时号秒(1)从点频接收机(10)输出，标准秒(9)从可移相数字钟(13)输出。点频接收机(10)采用锁相环频率合成、数字调谐和单片集成电路技术，并用晶振频率源保证了无需调谐也能长时间准确接收时号。接收机检波输出的时号秒经带通滤波器(11)后，在守时钟内部秒启动下，八位A/D采样器(2)以10KHz频率采样，将数字化的时号波形送入单片机RAM区，由8031单片机系统(3)实时完成对每个时号秒的相关检测和分析测量，并将一组测量分析结果(30个时号秒)统计分析得到内部秒与接收时号秒的时差T₁，根据传播模式和收发点大园路径，可计算出时号传播时延修正值2。可移相数字钟(9)受控于单片机系统(3)，输出一个相对内部秒P1(P1＝T1-)的标准UTC秒。图中键盘显示控制器(15)中用于接口一个2×9的键盘和6位LED显示器，完成授时台号、接收点经纬度等参数的输入，以及时分秒的校准与显示。

短波自校守时钟与已有短波定时设备相比，其时号自动跟踪误差为0.1ms(这一指标反映电离层随机起伏和无线电干扰引起的守时钟秒信号，自动跟踪短波时号秒的比对测量误差)，绝对定时精度优于1ms(反映了传播修正后守时钟实时给出的标准秒的准确度)，这一技术指标将当今精度最高的BPM定时仪的定时精度提高了一个新的台阶(BPM定时仪的自动跟踪精度为±1.5ms)，使短波定时的潜力得以充分发挥。此外，短波自校守时钟还具有全自动搜索、跟踪时号，输入经纬度及自动修正传播时延和能对国内外多种时号台定时的突出优点，这些都是现有短波定时设备没有的或不完善的。

短波定时数字相关检测技术具有较普遍意义，它可应用于时变色散信道中传输的窄带缓变定时信号的定时上。由于该技术对定时波形进行数字相关等多参量分析，有效地提高了定时精度和可靠性。

以数字相关检测技术为基础的短波自校守时钟主要技术指标和性能为：

时号跟踪误差：0.1ms

绝对定时精度：不大于1ms

时号搜索跟踪方式：全自动识别并跟踪时号。可选用时号台为：BPM、JJY、BSF、WWV、WWVH等；

输入方式：用小键输入授时台号、接收点的经纬度，校正时分秒显示等；

输出方式：输出TTL电平标准UTC脉冲，正极性二路，前沿＜1μs，LED显示时、分、秒；

频率源：机内装有5×10^-6晶振；

高精度守时用户可接相应稳定度的5MHz或1MHz外频标；

内装数调接收机性能：接收频率为2.5，5.0，8.0，10.0，15.0，20.0MHz等；

灵敏度：10μV(信噪比不小于20dB)可外接接收机和天线；    

功耗：2瓦。