本發(fā)明屬于長(zhǎng)波授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域，涉及長(zhǎng)波高精度授時(shí)中接收機(jī)基于雙頻/多頻時(shí)延差對(duì)地波時(shí)延精確計(jì)算的方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)是陸基授時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，以較高的授時(shí)精度和較強(qiáng)的抗干擾能力成為衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。按照傳播模式的不同，長(zhǎng)波傳播主要包括天波傳播和地波傳播。其中，地波傳播時(shí)延的計(jì)算是長(zhǎng)波授時(shí)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

從理論上講，地波傳播的時(shí)延可以分為一次時(shí)延和二次時(shí)延，其中，一次時(shí)延主要由傳播路徑的距離(也稱大圓距離)、傳播路徑地表面附近的大氣折射指數(shù)計(jì)算而得，而二次時(shí)延則與地波傳播的路徑距離、信號(hào)的頻率以及傳播路徑上的相對(duì)介電常數(shù)、等效電導(dǎo)率、地球等效半徑等參數(shù)有關(guān)，都可以通過(guò)嚴(yán)格的公式理論計(jì)算。

通過(guò)測(cè)量收發(fā)兩點(diǎn)的精確坐標(biāo)以計(jì)算大圓距離，進(jìn)而計(jì)算一次時(shí)延和二次時(shí)延是長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)的基本理論方法，但是，計(jì)算結(jié)果存在較大的預(yù)測(cè)誤差。由于長(zhǎng)波地波信號(hào)可能經(jīng)歷高山、河流、湖泊、洼地等，造成由收發(fā)兩點(diǎn)大地坐標(biāo)精確坐標(biāo)計(jì)算的大圓距離與長(zhǎng)波信號(hào)傳播的實(shí)際路徑距離不同，這種距離誤差必然影響長(zhǎng)波一次時(shí)延的預(yù)測(cè)精度。同時(shí)，二次時(shí)延也與傳播的路徑距離有關(guān)。傳播路徑的復(fù)雜性造成的距離誤差使得長(zhǎng)波地波時(shí)延的預(yù)測(cè)精度只能達(dá)到微秒量級(jí)。因此，需要采用其他方法提高長(zhǎng)波時(shí)延的預(yù)測(cè)精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于雙頻/多頻時(shí)延差測(cè)量的長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)方法，能夠提高長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)的精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)在長(zhǎng)波范圍內(nèi)任意選擇至少兩個(gè)頻點(diǎn)f1、…fn，n≥2，發(fā)播所述頻點(diǎn)的信號(hào)；當(dāng)信號(hào)傳播路徑為單一介質(zhì)時(shí)，至少同時(shí)發(fā)播雙頻信號(hào)；當(dāng)傳播路徑為m段介質(zhì)混合路徑時(shí)，至少同時(shí)發(fā)播m+1個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)；

2)信號(hào)接收端接收到f1、…fn頻點(diǎn)信號(hào)，計(jì)算各個(gè)頻點(diǎn)與最高頻點(diǎn)fn的時(shí)延差ni,n＝sfi-sfn，i＝1、…n-1，sfi與sfn分別是頻點(diǎn)fi和頻點(diǎn)fn的信號(hào)由信號(hào)發(fā)送端到接收端的二次時(shí)延；

3)將二次時(shí)延視為傳播路徑的函數(shù)，理論計(jì)算所有頻點(diǎn)的信號(hào)在不同傳播距離上的二次時(shí)延值及對(duì)應(yīng)的時(shí)延差n′i，n(d)＝sfi(d)-sfn(d)，式中，wi(d，fi，σ，ε)是頻率為fi的信號(hào)在傳播路徑上的衰減函數(shù)，ωi＝2πfi是信號(hào)的圓頻率，d為傳播距離，σ和ε分別為傳播路徑上的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)；

4)比較測(cè)量的時(shí)延差與理論計(jì)算的時(shí)延差，尋找與測(cè)量值ni,n相同的理論計(jì)算時(shí)延差n′i，n(d)對(duì)應(yīng)的傳播距離d；

5)利用傳播距離d預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的一次時(shí)延和二次時(shí)延式中，c為真空中的光速，ns為地面的大氣折射指數(shù)；

6)預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的總延時(shí)toai＝pf+sfi。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)雙頻/多頻信號(hào)時(shí)延差的測(cè)量值，可以反推出傳播路徑的上的實(shí)際距離，進(jìn)而利用精確的距離計(jì)算一次時(shí)延和二次時(shí)延，提高了長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)的精度。

附圖說(shuō)明

圖1是長(zhǎng)波雙頻/多頻時(shí)延差測(cè)量基本原理圖；

圖2是數(shù)據(jù)處理方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

在長(zhǎng)波時(shí)延預(yù)測(cè)的過(guò)程中，傳播路徑上的總延遲可以表示為toa＝pf+sf，其中，pf為一次時(shí)延，與大圓距離和大氣折射指數(shù)相關(guān)，sf是二次時(shí)延，由傳播路徑上的衰減函數(shù)計(jì)算。衰減函數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜，但它與信號(hào)頻率、傳播距離，傳播路徑上電參數(shù)等因素有關(guān)。從上面的關(guān)系可知，信號(hào)的頻率將影響傳播路徑上的總延遲。由于雙頻/多頻信號(hào)傳輸?shù)穆窂酵耆嗤?，也就是傳播距離相同，因此，雙頻/多頻信號(hào)的時(shí)延差反映了傳播路徑上二次時(shí)延的差異。

有鑒于此，本發(fā)明提出一種基于雙頻/多頻時(shí)延差測(cè)量的長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)方法，可以有效地提高長(zhǎng)波時(shí)延預(yù)測(cè)的精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是測(cè)量雙頻/多頻信號(hào)的時(shí)延差，并利用時(shí)延差與傳播距離的關(guān)系確定傳播的距離，進(jìn)而計(jì)算傳播路徑延時(shí)，主要包括以下步驟：

1)選擇兩個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)波范圍內(nèi)的頻點(diǎn)，利用長(zhǎng)波發(fā)播臺(tái)或模擬源同時(shí)發(fā)播兩個(gè)或多個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)。這里需要注意：當(dāng)傳播路徑為單一介質(zhì)時(shí)，至少需要同時(shí)發(fā)播雙頻信號(hào)。當(dāng)傳播路徑為兩段混合路徑時(shí)，至少需要同時(shí)發(fā)播三種頻點(diǎn)的信號(hào)。

2)通過(guò)信號(hào)接收點(diǎn)的高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量接收點(diǎn)雙頻/多頻信號(hào)的時(shí)延差：

選擇的不同頻點(diǎn)按照頻率的大小分別用f1、f2、f3、…fn表示，fn的頻率最高，以fn頻點(diǎn)的信號(hào)為計(jì)數(shù)器的開(kāi)門信號(hào)，其他頻點(diǎn)信號(hào)為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，測(cè)得的兩個(gè)頻點(diǎn)的時(shí)延差表示為ni,n＝sfi-sfn；

式中，ni,n為雙頻信號(hào)的時(shí)延差(i＝1，2，3，…，n-1)，sfi與sfn分別為兩個(gè)頻率的信號(hào)由發(fā)播臺(tái)傳播到接收點(diǎn)的二次時(shí)延。

3)將二次時(shí)延視為傳播路徑的函數(shù)，理論計(jì)算所有頻點(diǎn)的信號(hào)在不同傳播距離上的二次時(shí)延值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)延差：

n′i，n(d)＝sfi(d)-sfn(d)

式中，wi(d，fi，σ，ε)是頻率為fi的信號(hào)在傳播路徑上的衰減函數(shù)，i＝1，2，3，…，ωi＝2πfi是信號(hào)的圓頻率，d為傳播路徑的距離，σ和ε分別為傳播路徑上的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。n′i，n(d)(i＝1，2，3，…，n-1)為不同頻率間的時(shí)延差，是距離d的函數(shù)。

4)利用時(shí)延差計(jì)算傳播距離d：比較測(cè)量的時(shí)延差與理論計(jì)算的時(shí)延差的關(guān)系，從理論計(jì)算的結(jié)果n′i，n(d)中尋找與測(cè)量值ni,n相同時(shí)的傳播距離d。

5)利用4)中計(jì)算的傳播距離預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的一次時(shí)延和二次時(shí)延：

式中，d的單位為km，c＝0.299792458km/us，為真空中的光速。ns為地面的大氣折射指數(shù)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣規(guī)定ns＝1.000315。

6)利用5)中計(jì)算的結(jié)果預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的總延時(shí)toai＝pf+sfi。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例給出了雙頻情況下時(shí)延預(yù)測(cè)的方法。以海水為例，傳播界面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為70和5(s/m)，假設(shè)雙頻信號(hào)的頻率分別為50khz和100khz，傳播路徑的真實(shí)距離為300km，基于雙頻時(shí)延差測(cè)量的長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)的步驟如下：

1)通過(guò)信號(hào)接收點(diǎn)的高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量接收點(diǎn)雙頻/多頻信號(hào)的時(shí)延差：

選擇的頻點(diǎn)f1＝50khz，f2＝100khz，以f2頻點(diǎn)的信號(hào)為計(jì)數(shù)器的開(kāi)門信號(hào)，f1頻點(diǎn)信號(hào)為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，測(cè)得的兩個(gè)頻點(diǎn)的時(shí)延差表示為：

n1,2＝sf1-sf2＝0.150618094155691μs

式中，n1，2為雙頻信號(hào)的時(shí)延差，sf1與sf2分別為兩個(gè)頻率的信號(hào)由發(fā)播臺(tái)傳播到接收點(diǎn)的二次時(shí)延。

2)將二次時(shí)延視為傳播路徑的函數(shù)，理論計(jì)算所有頻點(diǎn)的信號(hào)在不同傳播距離上的二次時(shí)延值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)延差：

3)利用時(shí)延差計(jì)算傳播距離d：比較測(cè)量的時(shí)延差與理論計(jì)算的時(shí)延差的關(guān)系，從理論計(jì)算的結(jié)果n′1，2(d)中尋找與測(cè)量值n1，2相同時(shí)的傳播距離，可以得出：d＝300km。

4)利用步驟3)中計(jì)算的傳播距離預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的一次時(shí)延和二次時(shí)延：

5)利用步驟4)中計(jì)算的結(jié)果分別預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)f1＝50khz和f2＝100khz的總延時(shí)：

toa1＝pf+sf1＝1001.562868084900μs

toa2＝pf+sf2＝1001.412249990744μs。

可以看出，利用雙頻信號(hào)時(shí)延差預(yù)測(cè)的長(zhǎng)波地波時(shí)延可以修正傳播路徑距離誤差造成的影響。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例給出了分段路徑情況下，多頻信號(hào)時(shí)延差預(yù)測(cè)長(zhǎng)波地波時(shí)延的方法。假設(shè)信號(hào)是由海洋傳輸?shù)疥懙氐亩位旌下窂剑Ｑ蟮碾妳?shù)為：相對(duì)介電常數(shù)ε＝70，大地等效電導(dǎo)率σ＝5s/m，陸地的電參數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)ε＝22，大地等效電導(dǎo)率σ＝3×10^-3s/m；驗(yàn)的三個(gè)頻點(diǎn)分別為50khz、100khz和200khz，傳播路徑的真實(shí)距離為500km，海洋與陸地的分界點(diǎn)在距離發(fā)射點(diǎn)150km處，基于雙頻時(shí)延差測(cè)量的長(zhǎng)波地波時(shí)延預(yù)測(cè)的步驟如下：

1)通過(guò)信號(hào)接收點(diǎn)的高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量接收點(diǎn)雙頻/多頻信號(hào)的時(shí)延差：

選擇的頻點(diǎn)f1＝50khz，f2＝100khz，f3＝200khz，以f3頻點(diǎn)的信號(hào)為計(jì)數(shù)器的開(kāi)門信號(hào)，f1和f2頻點(diǎn)信號(hào)為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，測(cè)得的頻點(diǎn)間的時(shí)延差表示為：

n1，3＝sf1-sf3＝0.820012156982473μs

n2，3＝sf2-sf3＝0.454037219677781μs

式中，n1，3和n2，3為雙頻信號(hào)的時(shí)延差，sf1、sf2和sf3分別為三個(gè)頻率的信號(hào)由發(fā)播臺(tái)傳播到接收點(diǎn)的二次時(shí)延。

2)將二次時(shí)延視為傳播路徑的函數(shù)，理論計(jì)算所有頻點(diǎn)的信號(hào)在不同傳播距離上的二次時(shí)延值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)延差：

當(dāng)海洋與陸地的分界點(diǎn)距離發(fā)射臺(tái)的距離不同時(shí)，理論計(jì)算的不同頻點(diǎn)的二次時(shí)延值。

理論計(jì)算的不同分界距離上，兩兩頻點(diǎn)之間的時(shí)延差：

3)利用時(shí)延差計(jì)算傳播距離d：比較測(cè)量的時(shí)延差與理論計(jì)算的時(shí)延差的關(guān)系，從理論計(jì)算的結(jié)果n′1，3(d)、n′2，3(d)中尋找與測(cè)量值n1，3、n2，3相同時(shí)的傳播距離，可以得出：d＝500km。

4)利用步驟3)中計(jì)算的傳播距離預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi的一次時(shí)延和二次時(shí)延：

5)利用步驟4)中計(jì)算的結(jié)果分別預(yù)測(cè)傳播路徑上對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)f1＝50khz和f2＝100khz和f3＝200khz的總延時(shí)：

toa1＝pf+sf1＝1671.346640928166μs

toa2＝pf+sf2＝1670.980665990861μs

toa3＝pf+sf3＝1670.526628771183μs。

由以上實(shí)施例可以看出，對(duì)長(zhǎng)波地波時(shí)延進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，利用雙頻信號(hào)的時(shí)延差可以反推出傳播路徑上實(shí)際的傳播距離，避免了傳播路徑復(fù)雜性造成的誤差影響，改善了長(zhǎng)波地波時(shí)延的預(yù)測(cè)精度。