CN107196716A - 计算长波地波信号路径传播时延的差分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计算长波地波信号路径传播时延的差分方法，在用户B的附近设定差分站A，确保差分站A的信号覆盖用户B，根据长波信号发播台O到差分站A信号传播路径和长波信号发播台O到差分站周边用户B信号传播路径的相似性，利用位置差分的方法将OA路径上的二次时延通过改正数修正模型得到OB路径上的二次时延，提高了二次时延精度，从而提高路径时延的精度和长波信号的授时精度，精度可达到100ns。

Description

计算长波地波信号路径传播时延的差分方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种利用位置差分方法高精度的计算长波信号从发射台到用户接收机的路径传播时延的过程。

背景技术

提高长波信号授时精度的关键是提高路径传播时延的测量和计算精度，路径传播时延Tp包括一次时延PF、二次时延SF和附加二次时延ASF(二者统称为二次时延),一次时延可以由公式精确计算得出，二次时延受大地等效电导率、介电常数、地球等效半径系数、距离等条件的影响其计算非常复杂，目前常用的办法是建立ASF数据库。

建立ASF数据库需要根据大地等效电导率分布图划分许多网格，按照网格进行测量，ASF数据库计算准确需要网格划分的越细。因此建立ASF数据库耗时耗力，而且不能满足实时性的要求，比如ASF数据库建立时的数据测量工作不会在极端天气条件下进行，当传播路径上出现暴风雨雪等异常气象条件时，大地等效电导率、介电常数这些参数的变化导致实际二次时延数据和和之前数据库的数据偏差很大，因此ASF数据库不能满足用户的精度需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用位置差分的方法计算传播路径上的二次时延SF，能够实时、高精度的预测路径传播二次时延，从而提高整条路径传播时延精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，在用户B的附近设定差分站A，确保差分站A的信号覆盖用户B，测量差分站A和已知长波信号发播台O的位置信息，包括经纬度和海拔高度，计算差分站A到长波信号发播台O的大圆距离d₀，得到一次时延其中，c表示光速，n_s表示大气折射指数；

步骤2，在差分站A的信号覆盖范围内选择均匀分布的若干测试点，计算各个测试点到长波信号发播台的大圆距离d_i以及传播路径上的一次时延PF_i，i表示第i个测试点，共n个测试点；各个测试点与差分站距离长波信号发播台的距离差Δd_i＝d_i-d₀；

步骤3，测量差分站接收机输出的1PPS和标准1PPS的相位差N，采集设定时长的数据保存若干个N值，用滑动平均滤波器滤波得到同理得到各个测试点的相位差平均值

步骤4，根据公式计算差分站到长波信号发播台的二次时延SF₀以及各个测试点到长波信号发播台的二次时延SF_i，其中，τ₀表示长波信号发播台发射天线信号流起点相对于UTC秒的滞后量，ΔT_c表示周期修正量，即收发信号的定时标记点到信号起点的时间之差，τ_接表示差分站接收机系统的时延；各个测试点与差分站的二次时延差为ΔSF_i＝SF_i-SF₀；

建立修正模型方程，用矩阵表示为

求解此矩阵方程得出二次时延改正数修正模型参数[a_n-1 a_n-2 ... a₀]；

步骤5，差分站按照设定间隔发播差分信息，所述的设定间隔小于步骤3的设定时长；在设定间隔内采集1PPS相位差N，利用滑动平均滤波器得出二次时延实时改正数进而得到差分站实时二次时延SF_实时，作为差分站的实时二次时延改正数；所述的差分信息包括d₀、SF_实时和[a_n-1 a_n-2 ... a₀]；

步骤6，计算用户B到长波信号发播台O的大圆距离d，得到一次时延

步骤7，用户B接收差分站发播的差分信息，计算用户的二次时延SF，

SF＝SF_实时+(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀)

其中，Δd＝d-d₀；

步骤8，得到长波信号发播台到用户的路径传播时延Tp＝PF+SF。

本发明的有益效果是：根据长波信号发播台O到差分站A信号传播路径和长波信号发播台O到差分站周边用户B信号传播路径的相似性，利用位置差分的方法将OA路径上的二次时延(对用户来说称为改正数)，通过改正数修正模型得到OB路径上的二次时延，提高了二次时延精度，从而提高路径时延的精度和长波信号的授时精度，精度可达到100ns。

附图说明

图1是差分站路径时延和用户路径时延关系示意图；

图2是测试点的选择示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，A表示差分站，圆面区域表示差分站A差分数据的有效区域，B是差分站A信号覆盖区域的某一用户，O代表长波信号发播台。首先在差分站A附近按照均匀覆盖的原则选择测试点，在差分站A和测试点同时进行路径时延测量计算得出二次时延，因为发播台到差分站和发播台到测试点信号传播路径的相似，寻找测试点的二次时延和差分站二次时延的关系，建立二次时延改正数修正模型。

改正数修正模型建立后，在差分站A高精度的测量差分站A到发播台O的二次时延SF_A，10分钟内采集的600个SF_A数据进行滑动滤波处理，处理后的SF_A即二次时延的差分改正数。差分站将差分改正数、差分改正数的修正模型以及距离发播台的距离每隔10分钟发播给用户一次。用户B接收差分信息，利用改正数和改正数修正模型来计算自己的二次时延SF_B。

本发明由下述步骤组成：

差分站：

(1)差分站采集数据建立二次时延改正数修正模型

1)精确测量差分站A的位置信息(包括经纬度和海拔高度)和已知长波信号发播台O的位置信息经由大圆距离计算公式得到长波信号差分站到发播台的大圆距离d₀，根据公式(1-1)得到一次时延PF₀。

光速c＝0.299792458km/us；d₀表示收发两点的大圆距离，单位Km；n_s表示大气折射指数，国际标准大气规定ns＝1.000315；PF₀单位us。

2)差分站周边50公里内，在半径为17公里、34公里和50公里的圆周上选择均匀分布的10个点，按照步骤1得到10个点到发播台的大圆距离d_i以及传播路径上的一次时延PF_i。其中测试点的选择按照图2进行，中心点是差分站，周边10个点是测试点。

3)用计数器测量差分站接收机输出的1PPS和标准1PPS的相位差N，每秒钟输出一个值N，采集一个小时的数据保存3600个N值，对N值用滑动平均滤波器滤波并得出

在差分站进行1PPS相位测量同时在步骤2中选择的10个测试点进行相同的测试得出相位差Ni，i是测试点编号(i＝1…10)，利用同样的滑动平均滤波器对每个测试点保存的3600个N值进行处理，得出

相位差N经过如下数据处理得到二次时延SF：

是相位差的平均值；

τ₀：长波信号发播台发射天线信号流起点相对于UTC秒的滞后量，事先给出；

ΔT_c：周期修正量。收发信号的定时标记点到信号起点的时间之差为0.178，称为周期修正量ΔT_c＝0.178us；

τ_接：差分站接收机系统的时延，接收机生产厂家给出。

经过以上数据处理，得出差分站到发播台的二次时延标记为SF₀和测试点的二次时延SF_i(i＝1…10)；各个测试点与差分站二次时延差为ΔSF_i＝SF_i-SF₀(i＝1...10)；差分站到发播台的距离为d₀，测试点到发播台的距离是d_i(i＝1…10)，各个测试点与差分站距离发播台的距离差为Δd_i＝d_i-d₀(i＝1...10)。则根据采样值建立修正模型方程如下：

F(Δd)＝a₉Δd⁹+a₈Δd⁸+…+a₀＝ΔSF (1-3)

10个测试点有10个方程，用矩阵表示如下：

求解此矩阵方程得出二次时延改正数修正模型参数[a₉ a₈ ... a₀]。

(2)差分站生成二次时延实时差分改正数：

差分站的二次时延改正数就是差分站实时测量得到的二次时延SF_实时。差分站每隔10分钟发播一次差分信息，在10分钟内采集600个1PPS相位差N，利用滑动平均滤波器得出二次时延实时改正数将其代入公式1-2得出SF_实时，即实时的差分改正数。

(3)差分站发播差分信息

差分信息包括：差分站到发播台的距离d₀，差分改正数SF_实时，差分改正数修正模型参数[a₉ a₈ ... a₀]。

通过建立的专用网络，每10分钟差分站发播一次差分信息。

用户：

(1)计算一次时延

方法同差分站的建立改正数模型中的步骤1。

(2)接收差分信息，计算二次时延

用户接收差分站发播的差分信息，得到差分站到发播台的距离d₀、二次时延的差分改正数SF_实时和差分改正数模型参数[a₉ a₈ ... a₀]。根据步骤1中得出的用户到发播台的距离d，Δd＝d-d₀。将改正模型参数[a₉ a₈ ... a₀]和Δd代入公式(1-5)得出用户的二次时延SF：

SF＝SF_实时+(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀) (1-5)

其中，SF_实时是改正数，即差分站的二次时延；

(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀)是由修正模型产生实时改正数的修正量，因为图1种OA和OB这两段传播路径距离不同，因此OB路径上的二次时延需要在OA路径二次时延的基础上做修正，由修正模型产生修正量。

如前所述长波地波信号传播二次时延受大地电导率、介电常数、地球半径系数和传播距离的影响。现在用户在差分站方圆50公里的范围内，发播台到差分站的信号传播路径和发播台到用户的信号传播路径基本相同，即两条路径上的大地电导率、介电常数、地球半径系数相同，那么造成两条路径上的二次时延不同的参数因素只有距离。因此发播台到用户传播路径上的二次时延可以表示为发播台到差分站传播路径上的二次时延基础上加一个修正量，这个修正量和两条路径上的距离差有关，由前面的测试数据进行仿真建模得出修正量模型。则用户的二次时延可以表示为式(1-5)。

(3)计算路径时延

根据步骤1中得出的一次时延PF和步骤2中的二次时延SF由公式1-6得出发播台到用户的路径传播时延。

Tp＝PF+SF…………………………………(1-6)

本施例中以中国科学院国家授时中心的长波发播台(蒲城)作实验，发播台的位置经度：109°32'35”E，纬度：34°56'55”N，发播控制精度为400ns，发播控制稳定度50ns，授时精度1us。

差分站

(1)给出差分站二次时延改正数修正模型

1)通过测量差分站的位置得出差分站距离发播台500公里，带入公式(1-1)，

得出一次时延PF＝1.66834583944069x10³us，

2)根据图2在差分站周边选择测试点，按照步骤1测量测试点的坐标，计算测试点离发播台的距离和一次时延。

3)差分站接收机输出的1PPS和标准1PPS相位差的平均值N是1.714155696069196x10³us，通过公式(1-2)计算得出SF＝5.231856628497818us，

其中：τ₀＝0.4us,τ_接＝10us,ΔT_c＝0.178us；

差分站点的二次时延标记为SF₀，测试点的二次时延标记为SFi(i＝1…10)各个测试点与差分站二次时延差为ΔSF_i＝SF_i-SF₀(i＝1...10)；差分站到发播台的距离为d₀，测试点的二次时延是d_i(i＝1…10)各个测试点与差分站距离发播台的距离差为Δd_i＝d_i-d₀(i＝1...10)。10个测试点形成10个方程，组成1-4的矩阵方程。

求解矩阵方程得出改正数修正模型参数如下：

(2)差分站生成二次时延差分改正数

差分站的二次时延改正数就是差分站实时测量得到的二次时延SF_实时。差分站每隔10分钟发播一次差分信息，在10分钟内采集600个1PPS相位差N，利用滑动平均滤波器得出将其代入公式1-2得出SF，即实时的差分改正数SF_实时。系统正常运行时，某时刻差分改正数SF_实时＝5.231856628497818。

(3)差分站发播差分信息

差分站将自己距发播台的距离d₀＝500KM，差分改正数SF_实时＝5.231856628497818us，以及改正数模型参数[a₉ a₈ ... a₀]'发播给用户。

用户：

(1)计算一次时延

方法同差分站A建立改正数模型中的步骤1，用户B距离蒲城发播台516公里。代入公式(1-1)求得一次时延PF＝1.721732906302800x10³us

(2)接收差分信息，计算二次时延

用户B接收差分站发播的差分信息，得到差分站A到发播台O的距离d₀二次时延的差分改正数SF₀和差分改正数模型参数[a₉ a₈ ... a₀]。用户B到发播台O的距离d，Δd＝d-d₀。将改正模型参数[a₉ a₈ ... a₀]和Δd代入公式(1-5)得出用户的二次时延SF＝5.337971575249892us：

SF＝SF_实时+(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀) (1-5)

其中，SF_实时是改正数，即差分站的二次时延；

(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀)是由修正模型产生实时改正数的修正量，因为图1种OA和OB这两段传播路径距离不同，因此OB路径上的二次时延需要在OA路径二次时延的基础上做修正，由修正模型产生修正量。

(3)计算路径时延

根据步骤1中得出的一次时延PF和步骤2中的二次时延SF由公式(1-6)得出发播台到用户的路径传播时延Tp＝1.727070877878050×10³us。

Tp＝PF+SF…………………………………(1-6)

用之前的ASF库的方法计算得出二次时延为4.88562487096213us，加上一次时延PF，得出用户到发播台的路径传播时延Tp＝1.726618531173762×10³us。测量出的实际路径时延为1.72697734910278×10³us。差分前的路径时延与实际路径时延偏差为1.72us，差分后的路径时延与路径时延测量值偏差为93.528775269988ns，故差分后授时精度优于100ns。

Claims (1)

1.一种计算长波地波信号路径传播时延的差分方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，在用户B的附近设定差分站A，确保差分站A的信号覆盖用户B，测量差分站A和已知长波信号发播台O的位置信息，包括经纬度和海拔高度，计算差分站A到长波信号发播台O的大圆距离d₀，得到一次时延其中，c表示光速，n_s表示大气折射指数；

步骤2，在差分站A的信号覆盖范围内选择均匀分布的若干测试点，计算各个测试点到长波信号发播台的大圆距离d_i以及传播路径上的一次时延PF_i，i表示第i个测试点，共n个测试点；各个测试点与差分站距离长波信号发播台的距离差Δd_i＝d_i-d₀；

步骤3，测量差分站接收机输出的1PPS和标准1PPS的相位差N，采集设定时长的数据保存若干个N值，用滑动平均滤波器滤波得到同理得到各个测试点的相位差平均值

步骤4，根据公式计算差分站到长波信号发播台的二次时延SF₀以及各个测试点到长波信号发播台的二次时延SF_i，其中，τ₀表示长波信号发播台发射天线信号流起点相对于UTC秒的滞后量，ΔT_c表示周期修正量，即收发信号的定时标记点到信号起点的时间之差，τ_接表示差分站接收机系统的时延；各个测试点与差分站的二次时延差为ΔSF_i＝SF_i-SF₀；

建立修正模型方程，用矩阵表示为

求解此矩阵方程得出二次时延改正数修正模型参数[a_n-1 a_n-2 ... a₀]；

步骤5，差分站按照设定间隔发播差分信息，所述的设定间隔小于步骤3的设定时长；在设定间隔内采集1PPS相位差N，利用滑动平均滤波器得出二次时延实时改正数进而得到差分站实时二次时延SF_实时，作为差分站的实时二次时延改正数；所述的差分信息包括d₀、SF_实时和[a_n-1 a_n-2 ... a₀]；

步骤6，计算用户B到长波信号发播台O的大圆距离d，得到一次时延

步骤7，用户B接收差分站发播的差分信息，计算用户的二次时延SF，

SF＝SF_实时+(a_n-1Δd^n-1+a_n-2Δd^n-2+…+a₀)

其中，Δd＝d-d₀；

步骤8，得到长波信号发播台到用户的路径传播时延Tp＝PF+SF。