CN108333916A - 一种基于Chirp信号的BPM短波授时信号与定时方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Chirp信号的BPM短波授时信号与定时方法，授时信号由两个中心频率为零、调频互为相反数的Chirp基带信号通过时分方式进行组合并对载波频率进行调制得到，用于实现授时功能，接收终端能够获得比原BPM时号更高的信号测量精度和额外的抗干扰增益，进而获得更为可靠的定时性能。本发明提供的授时信号可以兼容原BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；本发明提供的授时信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，特别适用于短波信道；本发明提供的授时信号通过简单的匹配滤波即可实现校频和定时，无需复杂的载波环路和码跟踪环路。

Description

一种基于Chirp信号的BPM短波授时信号与定时方法

技术领域

本发明涉及授时与信息处理技术领域，特别是指一种BPM短波授时信号与定时方法。

背景技术

作为大科学装置之一，BPM短波授时系统是一种我国自主掌握的远程陆基无线电授时服务系统，具有作用距离远、接收设备简单、价格低廉以及拥有战时顽存性等优点。BPM短波授时系统每天以4个频率(2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz)交替发播标准时间和标准频率信号，发播内容包括协调世界时UTC时号、世界时UT1时号以、空载波以及BPM呼号。BPM授时发播程序：(1)59^m00^s～00^m00^s和29^m00^s～30^m00^s发播BPM呼号；(2)00^m00^s～10^m00^s、15^m00^s～25^m00^s、30^m00^s～40^m00^s和45^m00^s～55^m00^s发播UTC时号；25^m00^s～29^m00^s和55^m00^s～59^m00^s发播UT1时号；10^m00^s～15^m00^s和40^m00^s～45^m00^s为无调制载波。BPM时号格式：UTC和UT1信号均采用1KHz的标准音频调制，起始时刻为正弦波的零相位，UTC时号包含0.01s的秒信号和0.3s的分信号，UT1包含0.1s的秒信号和0.3s的分信号。

短波信号经过电离层反射会引起色散、吸收、衰落、多普勒频移、多模传播以及信号中断等。另外，当前电磁环境日渐纷繁复杂，短波信号面临的干扰威胁日益严重，主要有：由大气放电产生的天电干扰、由各种电气设备和电力网产生的工业干扰、由工作频率相近的其它无线电台(特别是敌方军事电台)产生的电台干等。BPM短波授时信号采用固定载波频率AM调幅的广播方式，抗信道干扰性能差导致授时精度不高，目前各类短波定时接收机一般只能保证几毫秒到十几毫秒的绝对定时精度，甚至在某些场合、某个时间段内无法正常接收到短波授时信号。

因此，设计新型短波授时信号，提高授时服务性能对推动我国短波授时技术的发展、保持我国BPM短波授时技术的先进性具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Chirp信号的短波授时信号及利用该信号进行定时的方法。本发明提供的授时信号由两个中心频率为零、调频互为相反数的Chirp基带信号通过时分方式进行组合并对载波频率进行调制得到，用于实现授时功能，接收终端能够获得比原BPM时号更高的信号测量精度和额外的抗干扰增益，进而获得更为可靠的定时性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于双Chirp信号的授时信号，所述授时信号的时域定义式式中，A为信号幅度，Re(·)表示取信号实部，f₀表示载波频率，取值为2.5MHz、5MHz、10MHz或15MHz；T_a＝T_U+T_G1，T_b＝T_a+T，T_c＝T_b+T_g，T_d＝T_c+T，T_g表示C_D(t)结束时刻与C_U(t)起始时刻之间的时间间隔，0≤T_g≤T_s-2T；频率随时间线性将小的Chirp基带复信号C_D(t)＝exp[j(-Kπt²+πBt)]，时长记为T；频率随时间线性增加的Chirp基带复信号C_U(t)＝exp[j(Kπt²-πBt)]，时长记为T；j表示虚数单位，K＝B/T表示调频率，B表示信号带宽。

所述的授时信号插入在原BPM发播程序中的协调时UTC时号和世界时UT1时号的时间段中，并保持原BPM时号格式不变；所述授时信号的起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号结束时刻之间的时间间隔记为T_G1；所述授时信号的结束时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号起始时刻之间的时间间隔记为T_G2；T_G1、T_G2不得小于0.1s，并且T_G2≥T_G1；所述的授时信号带宽不大于原BPM短波授时系统的可用总带宽；所述授时信号的总时长T_S≤1-(T_U+T_G1+T_G2)，式中，T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长。

本发明还提供一种所述授时信号的定时方法，包括以下步骤：

(1)接收终端经过天线接收、混频、下变频、A/D采样得到基带复信号，采用两个串接的匹配滤波器对该基带复信号进行匹配接收；第一个匹配滤波器特性与C_D(t)信号匹配；第二个匹配滤波器特性与C_U(t)信号匹配；

(2)计算本地载波与载波频率的频差式中，t_l表示第l个匹配滤波器输出峰值时刻；τ_l表示第l个匹配滤波器输出的理论峰值时刻，并且有τ_dl＝τ_l-t_l，l＝1,2；

(3)对τ_dl进行修正，式中，f_s表示基带采样率，表示第l个匹配滤波器输出峰值，表示超前一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值，P₁ ^l表示滞后一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；

(4)计算本地载波与载波频率的频差调整本地载波频率，计算C_D(t)信号的到达时间

(5)计算接收终端1PPS与1PPS(UTC-NTSC)的时差T_δ＝TOA₁-T_delay，式中，T_delay＝T_U+T_G+T_d-0.02，T_d由传播时延和终端通道时延组成。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的授时信号可以兼容原BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；(2)本发明提供的授时信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，特别适用于短波信道；(3)本发明提供的授时信号通过简单的匹配滤波即可实现校频和定时，无需复杂的载波环路和码跟踪环路。

附图说明

图1为本发明提供的授时信号的总体设计示意图；

图2为本发明提供的授时信号结构示意图；

图3为本发明的定时方法原理图。

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。

本发明采用了如下技术方案：

一种基于双Chirp信号的授时信号，设计步骤包括：

(1)总体设计

1)在原BPM发播程序中的协调时UTC时号和世界时UT1时号的时间段中插入所述的授时信号，并保持原BPM时号格式不变；

2)所述的授时信号起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号结束时刻之间的时间间隔记为T_G1；所述的授时信号结束时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号起始时刻之间的时间间隔记为T_G2；为了不影响原BPM用户的正常工作，T_G1、T_G2不得小于0.1s，并且要求T_G2≥T_G1。

3)所述的授时信号带宽不得大于原BPM短波授时系统的可用总带宽，实现带宽兼容；

4)所述的授时信号总时长记为T_S，为了保持原BPM发播程序不变，要求：

T_S≤1-(T_U+T_G1+T_G2) (1)

式中：T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长；

(2)设计两个中心频率为零、调频率互为相反数、时长相等的Chirp基带复信号，具体步骤如下：

1)将频率随时间线性将小的Chirp基带复信号记为C_D(t)，时长记为T；

2)将频率随时间线性增加的Chirp基带复信号记为C_U(t)，时长记为T；

3)按下式确定C_D(t)、C_U(t)的时域表示式：

式中：j表示虚数单位；K＝B/T表示调频率；B表示信号带宽；

(3)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，将两个Chirp复基带信号以时分的形式进行组合，并经过上变频，得到所述的授时信号，如下式所述：

式中：C_sent(t)表示授时信号的时域定义式；A为信号幅度，用于发射机控制发播功率；Re(·)表示取信号实部；f₀表示载波频率，取值可为2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；T_a＝T_U+T_G1；T_b＝T_a+T；T_c＝T_b+T_g；T_d＝T_c+T；T_g表示C_D(t)结束时刻与C_U(t)起始时刻之间的时间间隔，并要求：

0≤T_g≤T_s-2T (4)

本发明还提供一种所述授时信号的定时方法，实现步骤如下：

(1)接收终端经过天线接收、混频、下变频、A/D采样得到基带复信号。在数字处理部分，接收终端使用两个串接的匹配滤波器对该基带复信号进行匹配接收；第一个匹配滤波器特性与C_D(t)信号匹配；第二个匹配滤波器特性与C_U(t)信号匹配；

(2)根据两个匹配滤波器输出峰值时刻，按下式计算本地载波与载波频率的频差：

式中：t_l表示第l个匹配滤波器输出峰值时刻；τ_l表示第l个匹配滤波器输出的理论峰值时刻；并且有τ_dl＝τ_l-t_l；这里l＝1,2。τ_dl是由采样率不足及存在的频差导致匹配滤波器峰值输出时刻与其输出的理论峰值时刻的相对偏差；

(3)按下式对τ_dl进行修正：

式中：f_s表示基带采样率；表示第l个匹配滤波器输出峰值；表示超前一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；P₁ ^l表示滞后一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；

(4)按式(6)、式(5)计算频差后，调整本地载波频率，再按下公式计算C_D(t)信号的到达时间TOA₁：

(5)扣除传播时延、终端通道时延以及T_U+T_G，并按下式实现定时：

T_δ＝TOA₁-T_delay (8)

式中：T_δ表示接收终端1PPS与1PPS(UTC-NTSC)的时差；T_delay可表示为：

T_delay＝T_U+T_G+T_d-0.02 (9)

式中：T_d由传播时延和终端通道时延组成。

实施例一

参照图1，本发明提供一种授时信号的总体设计，包括以下内容：

(1)保持原BPM发播程序和信号格式不变；

(2)在原协调时UTC和世界时UT1信号结束后，间隔T_G1时间后插入所述的授时信号，消除对原BPM短波授时系统用户的影响；所述的授时信号起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号结束时刻之间的时间间隔T_G1不得小于0.1s；所述的授时信号结束时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号起始时刻之间的时间间隔T_G2不得小于0.1s，并且T_G2≥T_G1。

(3)所述的授时信号带宽不得超过原BPM短波授时系统的可用总带宽，实现带宽兼容；

(4)所述的授时信号总时长T_S满足：

T_S≤1-(T_U+T_G1+T_G2) (10)

式中：T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长；

参照图2，本发明提供的授时信号，具体设计步骤如下：

(1)设计两个中心频率为零、调频率互为相反数、时长相等的基带Chirp复信号

1)将频率随时间线性将小的Chirp基带复信号记为C_D(t)，时长记为T；

2)将频率随时间线性增加的Chirp基带复信号记为C_U(t)，时长记为T；

3)C_D(t)、C_U(t)表示式可由下式表示：

式中：j表示虚数单位；K＝B/T表示调频率；B表示信号带宽；

(2)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，将两个Chirp基带复信号进行时分组合，并经过上变频变可得到所述的授时信号，如下式所述：

式中：C_sent(t)表示授时信号的时域定义式；A为信号幅度，用于发射机控制发播功率；Re(·)表示取信号实部；f₀表示载波频率，取值可为2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；T_a＝T_U+T_G1；T_b＝T_a+T；T_c＝T_b+T_g；T_d＝T_c+T；T_g表示C_D(t)的结束时刻与C_U(t)起始时刻之间的时间间隔，用于消除相互之间的干扰，并满足：

0≤T_g≤T_s-2T (13)

参照图3，本发明提供所述的授时信号的定时方法，实现步骤包括：

(1)接收终端经过线性接收、混频、下变频、A/D采样得到基带复信号。在数字处理部分，接收终端使用两个匹配滤波器对该基带复信号进行匹配接收；第一个匹配滤波器特性与C_D(t)信号匹配；第二个匹配滤波器特性与C_U(t)信号匹配；

(2)根据两个匹配滤波器输出峰值时刻，计算本地载波与载波频率的频差f_d，如下式：

式中：t_l表示第l个本地匹配滤波器输出峰值时刻；τ_l表示第l个匹配滤波器输出的理论峰值时刻；并且有τ_dl＝τ_l-t_l；这里l＝1,2。τ_dl是由采样率不足及存在的频差导致匹配滤波器峰值输出时刻与理论峰值时刻的相对偏差；

(3)按下式对τ_dl进行修正：

式中：f_s表示基带采样率；表示第l个匹配滤波器输出峰值；表示超前一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；P₁ ^l表示滞后一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；

(4)按式(15)、式(14)计算频差后，调整本地载波频率，再按下公式计算C_D(t)信号的到达时间TOA₁：

(5)扣除传播时延、终端通道时延以及T_U+T_G，便可按下式实现定时：

T_δ＝TOA₁-T_delay (17)

式中：T_δ表示接收终端1PPS与1PPS(UTC-NTSC)的时差；T_delay可表示为：

T_delay＝T_U+T_G+T_d-0.02 (18)

式中：T_d由传播时延和终端通道时延组成；

实施例二

利用本发明设计一种适用并兼容现有BPM短波授时系统的新型授时信号，其时域定义式可表示为：

式中：

(1)原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为t的零时刻；

(2)C_sent(t)表示授时信号的时域定义式；A为信号幅度，用于发射机控制发播功率；Re(·)表示取信号实部；j表示虚数单位；f₀表示载波频率，取值可为2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；

(3)C_D(t)＝exp[j(-Kπt2+πBt)]、C_U(t)＝exp[j(-Kπt²+πBt)]，其中B＝8000Hz、K＝250000Hz/s；

(4)T_a＝0.4s；T_b＝0.432s；T_c＝0.448s；T_d＝0.48s；

上述设计带来的有益效果是：(1)所述的授时信号起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1的结束时刻至少有0.1s的时间间隔，避免了对原系统用户造成的影响，具有兼容性；(2)所述的授时信号具有24dB的抗干扰增益以及125μs的多径分辨率，与采用正弦波调幅形式原的授时时号相比，用户终端能够获得更为可靠的授时服务性能；(3)在原BPM短波授时系统加入所述的授时信号后，还具有0.52s的时间空余，可用其实现数据调制等扩展功能，具有可扩展性。

Claims (3)

1.一种基于Chirp信号的BPM短波授时信号，其特征在于：所述授时信号的时域定义式式中，A为信号幅度，Re(·)表示取信号实部，f₀表示载波频率，取值为2.5MHz、5MHz、10MHz或15MHz；

T_a＝T_U+T_G1，T_b＝T_a+T，T_c＝T_b+T_g，T_d＝T_c+T，T_g表示C_D(t)结束时刻与C_U(t)起始时刻之间的时间间隔，0≤T_g≤T_s-2T；频率随时间线性将小的Chirp基带复信号C_D(t)＝exp[j(-Kπt²+πBt)]，时长记为T；频率随时间线性增加的Chirp基带复信号C_U(t)＝exp[j(Kπt²-πBt)]，时长记为T；j表示虚数单位，K＝B/T表示调频率，B表示信号带宽。

2.根据权利要求1所述的基于Chirp信号的BPM短波授时信号，其特征在于：所述的授时信号插入在原BPM发播程序中的协调时UTC时号和世界时UT1时号的时间段中，并保持原BPM时号格式不变；所述授时信号的起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号结束时刻之间的时间间隔记为T_G1；所述授时信号的结束时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号起始时刻之间的时间间隔记为T_G2；T_G1、T_G2不得小于0.1s，并且T_G2≥T_G1；所述的授时信号带宽不大于原BPM短波授时系统的可用总带宽；所述授时信号的总时长T_S≤1-(T_U+T_G1+T_G2)，式中，T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长。

3.一种权利要求1所述基于Chirp信号的BPM短波授时信号的定时方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)接收终端经过天线接收、混频、下变频、A/D采样得到基带复信号，采用两个串接的匹配滤波器对该基带复信号进行匹配接收；第一个匹配滤波器特性与C_D(t)信号匹配；第二个匹配滤波器特性与C_U(t)信号匹配；

(2)计算本地载波与载波频率的频差式中，t_l表示第l个匹配滤波器输出峰值时刻；τ_l表示第l个匹配滤波器输出的理论峰值时刻，并且有τ_dl＝τ_l-t_l，l＝1,2；

(3)对τ_dl进行修正，式中，f_s表示基带采样率，表示第l个匹配滤波器输出峰值，表示超前一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值，表示滞后一个采样时间间隔的匹配滤波器输出值；

(4)计算本地载波与载波频率的频差调整本地载波频率，计算C_D(t)信号的到达时间

(5)计算接收终端1PPS与1PPS(UTC-NTSC)的时差T_δ＝TOA₁-T_delay，式中，T_delay＝T_U+T_G+T_d-0.02，T_d由传播时延和终端通道时延组成。