CN107222271B - 一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法，在长波范围内任意选择至少两个频点发播信号，信号接收端计算各个频点与最高频点的时延差，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的时延差，比较测量的时延差与理论计算的时延差，寻找与测量值相同的理论计算时延差对应的传播距离，利用传播距离预测传播路径上对应频点的总延时。本发明能够提高长波地波时延预测的精度。

Description

一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法

技术领域

本发明属于长波授时技术领域，涉及长波高精度授时中接收机基于双频/多频时延差对地波时延精确计算的方法。

背景技术

长波授时系统是陆基授时系统的重要组成部分，以较高的授时精度和较强的抗干扰能力成为卫星导航授时系统的重要补充。按照传播模式的不同，长波传播主要包括天波传播和地波传播。其中，地波传播时延的计算是长波授时中的关键问题。

从理论上讲，地波传播的时延可以分为一次时延和二次时延，其中，一次时延主要由传播路径的距离(也称大圆距离)、传播路径地表面附近的大气折射指数计算而得，而二次时延则与地波传播的路径距离、信号的频率以及传播路径上的相对介电常数、等效电导率、地球等效半径等参数有关，都可以通过严格的公式理论计算。

通过测量收发两点的精确坐标以计算大圆距离，进而计算一次时延和二次时延是长波地波时延预测的基本理论方法，但是，计算结果存在较大的预测误差。由于长波地波信号可能经历高山、河流、湖泊、洼地等，造成由收发两点大地坐标精确坐标计算的大圆距离与长波信号传播的实际路径距离不同，这种距离误差必然影响长波一次时延的预测精度。同时，二次时延也与传播的路径距离有关。传播路径的复杂性造成的距离误差使得长波地波时延的预测精度只能达到微秒量级。因此，需要采用其他方法提高长波时延的预测精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法，能够提高长波地波时延预测的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)在长波范围内任意选择至少两个频点f₁、…f_n，n≥2，发播所述频点的信号；当信号传播路径为单一介质时，至少同时发播双频信号；当传播路径为m段介质混合路径时，至少同时发播m+1个频点的信号；

2)信号接收端接收到f₁、…f_n频点信号，计算各个频点与最高频点f_n的时延差N_i，n＝SF_i-SF_n，i＝1、…n-1，SF_i与SF_n分别是频点f_i和频点f_n的信号由信号发送端到接收端的二次时延；

3)将二次时延视为传播路径的函数，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的二次时延值

及对应的时延差N′_i，n(d)＝SF_i(d)-SF_n(d)，式中，Wi(d，f_i，σ，ε)是频率为f_i的信号在传播路径上的衰减函数，ω_i＝2πf_i是信号的圆频率，d为传播距离，σ和ε分别为传播路径上的电导率和相对介电常数；

4)比较测量的时延差与理论计算的时延差，寻找与测量值N_i，n相同的理论计算时延差N′_i，n(d)对应的传播距离d；

5)利用传播距离d预测传播路径上对应频点f_i的一次时延

和二次时延

式中，c为真空中的光速，n_s为地面的大气折射指数；

6)预测传播路径上对应频点f_i的总延时TOA_i＝PF+SF_i。

本发明的有益效果是：通过双频/多频信号时延差的测量值，可以反推出传播路径上的实际距离，进而利用精确的距离计算一次时延和二次时延，提高了长波地波时延预测的精度。

附图说明

图1是长波双频/多频时延差测量基本原理图；

图2是数据处理方法流程图。

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。

在长波时延预测的过程中，传播路径上的总延迟可以表示为TOA＝PF+SF，其中，PF为一次时延，与大圆距离和大气折射指数相关，SF是二次时延，由传播路径上的衰减函数计算。衰减函数的计算比较复杂，但它与信号频率、传播距离，传播路径上电参数等因素有关。从上面的关系可知，信号的频率将影响传播路径上的总延迟。由于双频/多频信号传输的路径完全相同，也就是传播距离相同，因此，双频/多频信号的时延差反映了传播路径上二次时延的差异。

有鉴于此，本发明提出一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法，可以有效地提高长波时延预测的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是测量双频/多频信号的时延差，并利用时延差与传播距离的关系确定传播的距离，进而计算传播路径延时，主要包括以下步骤：

1)选择两个或多个长波范围内的频点，利用长波发播台或模拟源同时发播两个或多个频点的信号。这里需要注意：当传播路径为单一介质时，至少需要同时发播双频信号。当传播路径为两段混合路径时，至少需要同时发播三种频点的信号。

2)通过信号接收点的高精度时间间隔计数器测量接收点双频/多频信号的时延差：

选择的不同频点按照频率的大小分别用f₁、f₂、f₃、…f_n表示，f_n的频率最高，以f_n频点的信号为计数器的开门信号，其他频点信号为计数器的关门信号，测得的两个频点的时延差表示为N_i，n＝SF_i-SF_n；

式中，N_i，n为双频信号的时延差(i＝1，2，3，…，n-1)，SF_i与SF_n分别为两个频率的信号由发播台传播到接收点的二次时延。

3)将二次时延视为传播路径的函数，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的二次时延值以及对应的时延差：

N′_i，n(d)＝SF_i(d)-SF_n(d)

式中，Wi(d，f_i，σ，ε)是频率为f_i的信号在传播路径上的衰减函数，i＝1，2，3，…，ω_i＝2πf_i是信号的圆频率，d为传播路径的距离，σ和ε分别为传播路径上的电导率和相

对介电常数。N′_i，n(d)(i＝1，2，3，…，n-1)为不同频率间的时延差，是距离d的函数。

4)利用时延差计算传播距离d：比较测量的时延差与理论计算的时延差的关系，从理论计算的结果N′_i，n(d)中寻找与测量值N_i,n相同时的传播距离d。

5)利用4)中计算的传播距离预测传播路径上对应频点f_i的一次时延和二次时延：

式中，d的单位为km，c＝0.299792458km/us，为真空中的光速。n_s为地面的大气折射指数，国际标准大气规定n_s＝1.000315。

6)利用5)中计算的结果预测传播路径上对应频点f_i的总延时TOA_i＝PF+SF_i。

实施例1：

本实施例给出了双频情况下时延预测的方法。以海水为例，传播界面的相对介电常数和电导率分别为70和5(S/m)，假设双频信号的频率分别为50kHz和100kHz，传播路径的真实距离为300km，基于双频时延差测量的长波地波时延预测的步骤如下：

1)通过信号接收点的高精度时间间隔计数器测量接收点双频/多频信号的时延差：

选择的频点f₁＝50kHz，f₂＝100kHz，以f₂频点的信号为计数器的开门信号，f₁频点信号为计数器的关门信号，测得的两个频点的时延差表示为：

N_1，2＝SF₁-SF₂＝0.150618094155691μs

式中，N_1，2为双频信号的时延差，SF₁与SF₂分别为两个频率的信号由发播台传播到接收点的二次时延。

2)将二次时延视为传播路径的函数，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的二次时延值以及对应的时延差：

3)利用时延差计算传播距离d：比较测量的时延差与理论计算的时延差的关系，从理论计算的结果N′_1，2(d)中寻找与测量值N_1，2相同时的传播距离，可以得出：d＝300km。

4)利用步骤3)中计算的传播距离预测传播路径上对应频点f_i的一次时延和二次时延：

5)利用步骤4)中计算的结果分别预测传播路径上对应频点f₁＝50kHz和f₂＝100kHz的总延时：

TOA₁＝PF+SF₁＝1001.562868084900μs

TOA₂＝PF+SF₂＝1001.412249990744μs。

可以看出，利用双频信号时延差预测的长波地波时延可以修正传播路径距离误差造成的影响。

实施例2：

本实施例给出了分段路径情况下，多频信号时延差预测长波地波时延的方法。假设信号是由海洋传输到陆地的二段混合路径，海洋的电参数为：相对介电常数ε＝70，大地等效电导率σ＝5S/m，陆地的电参数，相对介电常数ε＝22，大地等效电导率σ＝3×10^-3S/m；验的三个频点分别为50kHz、100kHz和200kHz，传播路径的真实距离为500km，海洋与陆地的分界点在距离发射点150km处，基于双频时延差测量的长波地波时延预测的步骤如下：

1)通过信号接收点的高精度时间间隔计数器测量接收点双频/多频信号的时延差：

选择的频点f₁＝50kHz，f₂＝100kHz，f₃＝200kHz，以f₃频点的信号为计数器的开门信号，f₁和f₂频点信号为计数器的关门信号，测得的频点间的时延差表示为：

N_1，3＝SF₁-SF₃＝0.820012156982473μs

N_2，3＝SF₂-SF₃＝0.454037219677781μs

式中，N_1，3和N_2，3为双频信号的时延差，SF₁、SF₂和SF₃分别为三个频率的信号由发播台传播到接收点的二次时延。

2)将二次时延视为传播路径的函数，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的二次时延值以及对应的时延差：

当海洋与陆地的分界点距离发射台的距离不同时，理论计算的不同频点的二次时延值。

理论计算的不同分界距离上，两两频点之间的时延差：

3)利用时延差计算传播距离d：比较测量的时延差与理论计算的时延差的关系，从理论计算的结果N′_1，3(d)、N_2，3(d)中寻找与测量值N_1，3、N_2，3相同时的传播距离，可以得出：d＝500km。

4)利用步骤3)中计算的传播距离预测传播路径上对应频点f_i的一次时延和二次时延：

5)利用步骤4)中计算的结果分别预测传播路径上对应频点f₁＝50kHz和f₂＝100kHz和f₃＝200kHz的总延时：

TOA₁＝PF+SF₁＝1671.346640928166μs

TOA₂＝PF+SF₂＝1670.980665990861μs

TOA₃＝PF+SF₃＝1670.526628771183μs。

由以上实施例可以看出，对长波地波时延进行预测时，利用双频信号的时延差可以反推出传播路径上实际的传播距离，避免了传播路径复杂性造成的误差影响，改善了长波地波时延的预测精度。

Claims (1)

1.一种基于双频/多频时延差测量的长波地波时延预测方法，其特征在于包括下述步骤：

1)在长波范围内任意选择至少两个频点f₁、…f_n，n≥2，发播所述频点的信号；当信号传播路径为单一介质时，至少同时发播双频信号；当传播路径为m段介质混合路径时，至少同时发播m+1个频点的信号；

2)信号接收端接收到f₁、…f_n频点信号，计算各个频点与最高频点f_n的时延差N_i,n＝SF_i-SF_n，i＝1、…n-1，SF_i与SF_n分别是频点f_i和频点f_n的信号由信号发送端到接收端的二次时延；

3)将二次时延视为传播路径的函数，理论计算所有频点的信号在不同传播距离上的二次时延值

及对应的时延差N′_i，n(d)＝SF_i(d)-SF_n(d)，式中，Wi(d，f_i，σ，ε)是频率为f_i的信号在传播路径上的衰减函数，ω_i＝2πf_i是信号的圆频率，d为传播距离，σ和ε分别为传播路径上的电导率和相对介电常数；

4)比较测量的时延差与理论计算的时延差，寻找与测量值N_i,n相同的理论计算时延差N′_i，n(d)对应的传播距离d；

5)利用传播距离d预测传播路径上对应频点f_i的一次时延

和二次时延

式中，c为真空中的光速，n_s为地面的大气折射指数；

6)预测传播路径上对应频点f_i的总延时TOA_i＝PF+SF_i。

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