王雨竹, 秦红磊, 万国龙

(北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京 100191)

0 引言

时间的应用,从民用满足日常生活、发展国民经济延伸到军用国防需求,其广泛性使授时服务迅速发展。自20世纪无线电通信技术崛起,我国也跟随时代要求前后建立各种授时系统,且继2017年授时战提出之后[1],时间系统被要求自成体系并被列为特殊时期主要攻击对象之一,因此对授时系统的完备性、灵活性以及授时服务的弹性、稳健性都提出了更高的要求。

为解决目前对卫星授时的重度依赖而出现授时方式单一化[2]以及为了操作方便而广泛应用的网络授时出现保密安全性问题,可对现有多种授时系统进行研究与完善。多方式授时系统可作为主授时源或备份授时源,对其进行研究满足授时战[3]对授时系统可靠性以及授时服务安全性的需求,从而使多种授时方式进行优势互补,确保我国授时服务的稳定运转。首先对我国现有整体授时服务体系进行梳理,从多角度对比各类授时系统服务性能,包括授时精度、用户数量、信号完好体制以及信号校准体制;其次,选择其中的陆基无线电授时系统作为主要研究对象,分析BPM短波授时系统、BPL长波授时系统以及BPC低频时码授时系统授时信号的发播程序以及信号格式等,对部分授时系统信号格式进行修正、补充与完善,给出三类授时系统相应的信号解算方法,并通过处理实际接收到的信号对解算方法进行验证,给出三类授时系统的时间信号时域图;最后,分析我国陆基授时体系的不足,并根据授时战需求给出应对授时战的技术路线。

1 我国整体授时体系

我国主要授时体系,按信号传播方式可分为陆基无线电授时系统、星基授时系统以及其他授时系统[4]。陆基无线电授时系统主要包括BPM短波授时系统、BPL长波授时系统以及BPC低频时码授时系统;星基授时系统主要是卫星授时系统、数字电视授时;其他授时系统主要有电话授时、网络授时系统以及新型授时方法等。

陆基无线电授时以无线电发播方式作为时间信息传递手段,利用不同频率的无线电信号作为载波,将时间信息通过不同的调制方式调制到载波上对外播发。电话授时以公共电话交换网络PSTN(public switched telephone network)为服务平台,通过点对点拨打授时服务专线的方式传递时间信息[5]。网络授时利用网络时间协议NTP(network time protocol)等时间协议获取时间信息传递给时间用户[6]。卫星授时利用卫星上的时钟源作为时间基准或者将卫星作为时间基准的转发中介来发播时间信息[7],其授时原理以卫星定位作为基础,利用四颗卫星的空间坐标解出定位目标空间坐标以及时间差[8]。现代数字电视授时以数字电视广播系统DVB-S(digital video broadcasting-satellite)为基础平台,将授时电文插入数字卫星电视信号中,经数字卫星电视信道将授时电文发播出去[9]。除了上述基本的授时方式外,近些年又发展了一些新型授时方式,如光纤授时、量子时间授时技术等。各类授时系统的精度以及用户数量对比如图1所示(其中,横轴授时系统按我国对授时系统研究的先后顺序进行排列)。由图1可知,除新型授时方法外,授时系统的用户数量基本上是随着授时精度的提高而增加的。

图1 授时精度、用户数量对比Fig.1 Comparison of timing accuracy and number of users

此外,对我国主要授时体系在信号完好体制SIS(signal integrity system)以及信号校准体制SCS(signal calibrationability system)上的对比,如表1所示。信号完好体制指当授时信号质量降低或不能正常提供时间信息时,授时系统告知用户时间的可用性的体制,即授时系统是否具有自检体制;信号校准体制指授时系统是否具有一定的信号传播时延校准体制。由表1可知,授时信号的完好体制与校准体制如今也成为授时系统的重要组成部分。

表1 信号完好体制与信号校准体制对比

由上述可知,我国已具备较为完善的授时体系。本文选择我国授时体系中的陆基无线电授时系统作为主要研究对象,对陆基无线电授时信号进行分析与解算。

2 陆基无线电授时系统信号分析

我国陆基无线电授时系统根据其使用的不同无线电频率将其分为:BPM短波授时系统,载波频率为2.5 MHz、5 MHz、10 MHz和15 MHz四个,授时精度为毫秒级;BPL长波授时系统,载波频率为100 kHz,授时精度为微秒级;BPC低频时码授时系统,载波频率为68.5 kHz,授时精度为亚毫秒级。其中,BPM短波授时系统为完善其系统性能,于5 MHz载波信号上插入副载波频率为125 Hz的时码信号,由于后插入的时码信号与原时间信号调制方式不同,为加以区分,本文将BPM短波授时系统分为BPM短波秒信号授时系统以及BPM短波时码授时系统。

图2给出四类陆基授时系统在发播时间、中断时长以及时效时间上的对比。发播时间指由授时系统发播程序规定的信号播发时间区间;中断时长指在授时系统发播时间内因系统本身发播程序的原因造成无法提供时间信息的总时长;时效时间指时间用户从接收授时信号到可以输出此授时系统能提供的完整时间信息所用的最短时间。

图2 陆基授时系统发播时间、中断时长、时效时间对比Fig.2 Comparison of broadcast time, interruption time, and time-limitation time of land-based time system

2.1 BPM短波授时系统信号分析

2.1.1 BPM短波秒信号授时系统

我国短波授时服务主要由呼号为BPM的短波授时台负责,于1966年着手筹建,于1981年正式承担短波授时服务任务。由图2可知BPM短波秒信号授时系统四种发播频率共同合作可提供全天候24 h的短波秒信号授时服务,且此系统是我国唯一一个可提供UT1秒信号的授时系统,具有重要价值。

BPM短波秒信号授时系统载波上承载六类信息,其中包括三类时间信息,分别是UTC秒信号、UT1秒信号及整分信号;另包括无调制载波、BPM呼号莫尔斯电码以及女生普通话语音广播。发播程序[10]以30 min为重复周期,每周期有UTC秒信号时段15 min、UT1秒信号时段9 min。时间信息与BPM呼号均采用双边带幅度调制的方式调制到载波上向外发播。

时间信息以1 kHz标准音频信号的不同完整周波数表示,UTC秒信号长10 ms;UT1秒信号长100 ms;整分信号长300 ms,如图3所示。

图3 BPM时间信号格式Fig.3 BPM time signal format

BPM呼号莫尔斯电码特征为“—····— —·— —”[11],其中“—”由1 kHz标准音频信号的300个完整周波构成,时长300 ms;“· ”由1 kHz标准音频信号的100个完整周波构成,时长100 ms。一个字母的莫尔斯电码表示方式中“—”与“· ”的时间间隔为100 ms,字母与字母的莫尔斯电码表示方式之间的时间间隔为300 ms,每遍完整的BPM呼号莫尔斯电码表示方式之间的时间间隔为700 ms,其格式如图4所示,即每发送一遍完整的BPM呼号莫尔斯电码所耗时4 s,连续播发10遍,共耗时40 s。

图4 BPM呼号莫尔斯电码发播格式Fig.4 BPM Morse code broadcast format

无调制载波只播发载频信号,不承载时间信息,用来检验标准频率信息。女生普通话语音广播内容为“BPM标准时间标准频率发播台”,播发两遍,共持续20 s。

2.1.2 BPM短波时码授时系统

BPM短波时码授时系统采用在125 Hz的副载波上以二进制BCD加权编码的方式调制年内儒略日(以每年1月1日为计数起点,不间断计数到每年12月31日)、时、分等时码信息,并将其插入5 MHz载波上。每一分钟发送一帧完整的时码信息,每秒播发一个脉冲且秒脉冲上升沿与UTC(NTSC)重合,并以缺少秒脉冲作为帧头起始标志,每帧时码信息包含59个有效脉冲,其中包括23位时码信息比特:7位分信息,6位小时信息,10位天数信息,天数信息可转换为X月X日信息。BCD编码以秒脉冲持续时长的不同表示不同的比特信息:200 ms宽脉冲表示“0”比特,480 ms宽脉冲表示“1”比特,另800 ms宽脉冲为定位分隔标志位。2014年,中国科学院国家授时中心蒙智谋发表《BPM短波时码授时发播技术方案》一文,指出短波时码的帧结构[12]。但经实验验证,目前时码帧结构已经更改,本文根据接收到的实际信号,对时码的帧结构以及标志位与权重进行猜测,更新其帧结构如图5所示。更新后的帧结构已经通过后续实际实验得到了验证,保证与目前正在发播的BPM短波时码帧结构保持一致,其中P0～P5为定位分隔标志;Pr表示缺少秒脉冲,为帧参考标志;P6为保留位。

图5 BPM时码帧结构Fig.5 BPM timecode frame structure

2.2 BPL长波授时系统信号分析

专门担任我国长波授时的是呼号为BPL的长波授时台,它是我国首个利用罗兰-C脉冲信号体制实现陆基授时功能的系统,于1975年着手筹建,1983年建设完成,可提供秒时间信息,但无法提供时码信息[13];2006年对系统进行技术改造,增加数据发播功能,可提供时码信息;2008年,系统完成技术改造并投入使用。

改造后的BPL长波授时系统采用罗兰-C信号体制发播周期性脉冲组信号,与我国罗兰-C导航台链共用一套信号体制。一个罗兰-C台链由多个发射台组成,其中必须有且只有一个主发射台,其他为副发射台。副台一组脉冲组信号发播8个单脉冲,每个脉冲之间的间隔为1 ms;主台一组脉冲组信号发播9个单脉冲,前8个脉冲间隔为1 ms,第8与第9个脉冲之间的间隔为2 ms,作为区分主副台的标志。副台脉冲组信号在主台脉冲组信号播发完毕后经过一定的时间延迟后再进行播发,单个脉冲是根据钟形脉冲进行调制得到的[14]。每个罗兰-C台链都有各自的信号播发周期,称为组重复周期GRI(group repetition interval),并分为奇数周期和偶数周期,奇偶数周期内主副台根据不同的相位编码调制脉冲组信号[15],罗兰-C台链的信号播发格式以及奇偶周期相位编码规则如图6所示(“+”号表示起始相位为0弧度相位,“-”号表示起始相位为п弧度相位)。BPL长波授时台是独立于罗兰-C台链外的授时专用系统,作为主发射台工作,GRI为60 ms。

图6 罗兰-C台链信号发播格式与相位编码规则Fig.6 Loran-C signal transmission format and phase coding rules

BPL长波授时系统的时码发播功能主要依靠数字调制技术,其采用脉冲位置调制技术PPM(pulse position modulation),并发展出“Eurofix”数字调制方法[16]。其调制原理是对经相位编码后的脉冲组中第3到第8个单脉冲进行三种时移调制,如图7所示,并规定6个被调制的脉冲需进行平衡调制,即超前1 μs调制脉冲个数要与滞后1 μs调制脉冲个数相等。根据上述编码原理,从141种平衡调制状态选取128种与标准ASCII码(7位一组的二进制码)建立调制序列对应关系(调制图样[17])即可将二进制码调制到脉冲组信号中,即一组脉冲组信号对应7位二进制码。

图7 罗兰-C信号PPM调制Fig.7 Loran-C signal PPM modulation

BPL长波授时一份完整的帧信息需要同一发射台的连续30组GRI构成的210位比特信息[18],其中有56位为授时电文,BPL授时电文有两类,即授时电文1和授时电文2[17]。授时电文播发以五组电文为一循环,五组电文中先播发一组授时电文1,再播发四组授时电文2。根据授时电文结构进行解码即可解算出时码信息,且当前授时电文给出的时间信息是下一组待调制的30个GRI脉冲组的第一个脉冲的起始时刻。(注:BPL长波授时台台标识为0001)。

2.3 BPC低频时码授时系统信号分析

低频时码授时系统是一种特殊的长波授时系统,主要应用于民用电波表。我国低频时码授时台呼号为BPC,于1994年着手筹建,1999年建成试验发播台,2006年正式于河南商丘建立BPC低频时码发播台并于2007年正式担任低频时码发播任务[19]。

BPC低频时码授时信号以关断型OOK信号为基础,采用将幅度与脉冲宽度同时进行调制的方式将比特信息调制到68.5 kHz的载波上对外发播。BPC低频时码帧周期为20 s,每秒发播一个秒脉冲,以秒脉冲不同的占空比表示不同比特信息。其帧结构如图8所示,各标志位含义如表2所示。

图8 BPC低频时码帧结构Fig.8 BPC low-frequency timecode frame structure

表2 BPC标志位含义与用法

3 陆基无线电授时系统信号解算

各类授时系统可为时间用户提供时间信息的前提是对授时信号进行相应的解算。本章根据授时信号的不同特征设计不同的解调解算方法,提取时间信息,并根据实际接收到的信号对解算方法进行验证,给出实际信号解算结果图。

3.1 BPM短波授时系统信号解算

3.1.1 BPM短波秒信号授时系统信号解算

对于BPM短波授时秒信号解调方法采用相干解调,后利用互相关法提取其中的时间信息。由于BPM短波秒信号授时系统是我国目前唯一一个既播发UTC秒信号也播发UT1秒信号的授时系统,要想应用其中的秒时间信息,还需对秒信号进行判定与分类,以便于后续对起始时刻进行校准处理,其中,虽然整分信号特征不受秒信号种类影响,但也需根据当前播发秒信号类型将其分为UTC阶段整分信号与UT1阶段整分信号。时间信息的判定与分类采用峰值检测的方法检测时间信号周波个数,具体的判定与分类流程如图9所示。BPM呼号时段不包含秒时间信息,只能判定BPM呼号开始时刻处于一个小时内的第29 min或第59 min。

图9 BPM时间信息分类Fig.9 BPM time information classification

时间信息分类后,可利用高时间精度的秒脉冲对BPM短波秒信号的起始时刻进行校准后可输出相应的秒起始时刻。整体的BPM短波秒信号解算流程如图10所示。

图10 BPM短波秒信号解算流程Fig.10 BPM shortwave second signal solution flow

根据上述处理流程,对实际信号进行时间信息的提取如图11所示,图11 (a)为整分信号以及UTC秒信号,图11 (b)为UT1秒信号。

(a) 整分信号与UTC秒信号时域图

(b) UT1秒信号时域图图11 BPM时间信号时域图Fig.11 BPM time signal time domain plot

3.1.2 BPM短波时码授时系统信号解算

根据更新后的帧结构,设计BPM短波时码授时信号的解算流程。首先对接收到的信号进行相干解调以及相关滤波等初步处理后得到数据帧信号,数据帧以缺少秒脉冲为帧起始标志,在对时码进行解算前需对帧头位置进行识别:若两个相邻脉冲上升沿的时间间隔大于1.5 s,则认为后一个上升沿为1 min内第1 s的秒起始时刻。帧头位置识别成功后,再识别脉冲宽度。本文选择识别上升沿与下降沿并计算相邻的一对上升沿和下降沿之间的时间间隔作为脉冲宽度的判别标志,根据识别的脉冲宽度输出一组二进制数据,按数据帧结构以及相应权重进行时码的解算。

根据上述解算流程对实际信号进行处理,图12给出P1～P2前的数据,输出一份二进制数据“010000100”,根据帧结构可解算出处于22分。

3.2 BPL长波授时系统信号解算

对BPL长波授时系统的信号解算分为对信号的解调以及对授时电文的解算。

根据长波授时信号的PPM调制方式,选用互相关算法对信号进行解调。选取每个GRI所包含的脉冲组中第一个未经调制的单脉冲作为参考脉冲,将参考脉冲分别与同个脉冲组中第3到第8个单脉冲进行互相关,判定奇偶周期,奇偶周期识别流程如图13所示。

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

奇偶周期识别成功后,根据相位编码规则对参考脉冲进行相位调整,将调整后的参考脉冲再进行时移处理,生成超前1 μs参考脉冲以及滞后1 μs参考脉冲,将三类参考脉冲分别与同一脉冲组中的第3到第8个脉冲进行互相关累加,比较互相关累加值,可输出一组6位解调序列[14],其互相关解调算法流程如图14所示。

将上述经互相关算法得到的6位解调序列进行平衡调制检验后与调制图样进行对照即可得到一个十进制数据,再将此十进制数据转为7位二进制数据,如此重复直至找到BPL长波授时数据帧帧头位置。但BPL的数据帧并没有设置帧头标志,且由于受到罗兰-C台链信号的交叉干扰导致RS纠错码与CRC校验码无法使用,因此本文提出并设计利用数据帧中所包含的授时电文信息的前7位比特信息对应的脉冲组作为数据帧的帧头位置,即识别到7位二进制数据为0100010(授时电文1型)或0100100(授时电文2型)时,则认为此对应的脉冲组为可能的数据帧帧头位置。为了避免在数据帧内部也出现0100010或0100100信息组,在识别到此两种信息组后,再识别此位置后1.8 ms(一组完整数据帧时长)位置处的信息组,若同样为0100100或0100100,则认为帧头识别成功,反之则重新进行帧头位置的寻找。

图14 BPL互相关解调Fig.14 BPL cross-correlation demodulation

帧头位置识别成功后,对包含帧头位置在内的30个GRI脉冲组进行互相关解调以及平衡调制校验等工作后得到210位解调后的比特信息,其中前56比特为授时电文,根据授时电文类型进行相应规则的解算,可输出对应的时间信息。其对应的信号解算整体流程如图15所示。

图15 BPL信号解算流程Fig.15 BPL signal solving process

根据上述流程对实际信号进行解调测试,结果如图16所示。用“-”表示超前调制,用“+”表示滞后调制,用“0”表示未超前滞后,则下图表示的调制序列为“0 - + - 0 +”,符合平衡调制。

图16 PPM解调结果Fig.16 PPM demodulation results

3.3 BPC低频时码授时系统信号解算

BPC低频时码授时信号帧结构清晰,数据帧内包含编码后的年、月、日、星期、时及分等时码信息。对时码信息的解算,首先需对接收到的BPC低频时码授时信号进行相关滤波与包络提取等初步处理,后对经初步处理得到的数据帧进行帧头位置的识别,由于BPC时码帧以缺少秒脉冲为帧起始预告标志。因此判定两个相邻的脉冲上升沿时间间隔大于1.5 s时,认为后一个脉冲上升沿所属的秒脉冲为P1帧标志脉冲。完成帧头位置识别后,才可对时帧进行时码解算,随后对秒脉冲宽度进行识别,识别上升沿与下降沿并计算相邻的一对上升沿和下降沿之间的时间间隔作为脉冲宽度的判别标志,根据识别的脉冲宽度输出一组四进制数据,按照规定权重对数据进行解码并转换为二进制后对结果进行校验,若校验失败,则需重新进行下一时间段的数据初步处理以及帧头识别;若校验成功,则根据数据帧结构与权重输出解算的时码信息。

BPC低频时码授时信号除了包含时码信息外,还隐藏有秒信息:由于数据帧每秒发播一个脉冲,可选择脉冲的上升沿作为秒起始时刻。在时码解算成功的基础上,对下一数据帧进行同样的相关滤波以及包络提取等初步处理后进行秒脉冲上升沿的识别即可输出含有年、月、日、星期、时、分以及秒起始时刻等授时信息,其具体的解算流程如图17所示。

图17 BPC信号解算流程Fig.17 BPC signal solving process

根据上述的解算流程对实际接收到的BPC低频时码授时信号进行相应的解算验证,如图18所示,根据脉宽可输出一组四进制数据“200210312301311-1120”,将除校验位的其他标志位转为二进制后的二进制数据为“10(P1)0(P2)10(时)10011(分)110(星期)3(P3:奇校验)111(日)101(月)10110(年)0(P4:偶校验)”,根据帧结构判定满足奇偶校验,数据解码正确,最终得到时码信息为“2022年5月7日星期六下午2点19分”。

图18 BPC完整帧解调结果Fig.18 BPC full frame demodulation results

以图18完整数据帧解出的时码信息作为时间基础,可从下一帧开始进行BPC低频时码授时信号的秒信号识别。由于图18中显示P1标志位为2,表示图18完整帧起始秒为第41 s,下一完整帧的起始秒应为下一分钟的第1 s,所以进行下一帧第1 s秒信号识别后的时间信息应为2022年5月7日星期六下午2点20分1秒。

4 授时体系现状及发展展望

从我国目前的授时体系发展现状来看,虽然具备了基本的陆基、星基以及网络等授时系统,但卫星授时以其高精度以及方便性占据了授时系统主导地位,对陆基无线电授时系统以及其他授时系统的应用与改进被放在次要地位。从本文研究的BPM、BPL及BPC三类授时系统来说,BPM短波时码的帧结构设计采用一分钟帧长,占用资源过大且比特保留位过多造成资源浪费;BPL长波授时系统信号体制与罗兰-C导航台链共用一套,导致交叉干扰的出现,会大大降低解码效率与正确性;BPC低频时码授时系统应用范围局限大,目前主要应用于民用钟表。从其他授时体系来说,我国授时系统被禁锢在陆空,对可在水下应用的授时系统研究甚少。授时战的提出将授时系统列入特殊时期主要攻击对象之一,因此如何能够有效应对授时战是一个非常值得关注并研究的问题。

根据授时战的要求,本文认为可从五个方面对我国的授时体系进行升级与改造,分别是:完备性、稳健性、灵活性、可靠性以及抗扰性。

1)完备性:是充分利用各授时系统优势达到协作授时的关键,在特殊时期下尤为重要。在对于现有授时系统进行改进和完善的基础上,也可研究新型授时方法,如通过研究水下授时方法,扩充授时体系备份力量,实现立体海陆空授时的全覆盖,提高授时体系的物理抗打击性。

2)稳健性:为国土范围内能稳定接收各类授时信号提供信号基础,包括提高授时信号发播时间的连续性以及各授时信号覆盖范围的重叠冗余性,以弥补如我国BPM、BPL授时系统中出现授时信号中断而不能提供授时服务的情况。

3)灵活性:集成各类授时系统,形成自成一体的强机动型且便携式设备,保证授时方法切换的灵活性以及信号接收设备移动上的灵活性。

4)可靠性:对时间发射与接收设备进行服务性能上的改进,应尤其注重授时精度与守时精度,由此提高时统设备提供时间信息的正确性和精确性,增强授时信息的可信任程度。

5)抗扰性:综合考虑有线授时与无线授时系统,对信号体制以及硬件接收设备进行合理设计,以提高授时信号对抗外界人为干扰能力以及各类信号之间的相互干扰,如BPL的交叉干扰等。

根据上述内容,简化应对授时战的技术路线如图19所示。

图19 应对授时战技术路线Fig.19 Technical route dealing with the time-based warfare