一种低频时码授时信号载波频率优选方法及系统

1.本发明属于无线电通信技术及电波传播技术领域，特别涉及一种低频时码授时信号载波频率优选方法及系统。


背景技术：

2.低频频段电波的范围为30～300khz，约占整个频谱资源的千亿分之一。相较于其它频段，低频电波传播特性具有一些独特的特点，低频无线电波的传播主要依靠地波和电离层反射(天波信号)；其中，地波传播信道可以看作一个线性匹配网络，信号经过信道后，场强的衰减和相位的变化非常缓慢；通过电离层反射形成的天波信号可以在很远的距离(示例性的，≥2000km)上接收到低频信号。正是由于低频无线电波具有传输稳定、有效覆盖范围广、渗透能力强等特点，低频频段电波已经被世界各国成功应用于低频时码信号的传播上，并日益受到更为广泛的重视。
3.目前，国际上各低频时码台站使用的频点包括40khz、60khz、68.5khz和77.5khz等；发播频率为低频时码授时系统的核心参数之一，发播频率的选择直接影响到发播系统的设计，同时影响时码信号的空间传播特性和接收机接收特性。因此，在低频时码授时台建设的前期，需要形成一套系统性的低频频段频率优选方法，为台站的建设提供技术支撑。
4.如今，在新建多个低频时码台时，需要考虑重新选择新台站的载波频率；由于这些年来各类电子设备，尤其是充电装置、电源等设备的快速发展，会产生低频段电磁波，这使得电磁环境变得愈加复杂；加之新台站一般会扩展信息量，进一步提升授时精度，这些因素都会对低频时码信号发播质量提出了更为严格的要求，进而对载波频率这个关键参数也提出了更高的要求，以前依据工程经验和技术讨论的方式已经不能适用于目前的低频时码授时信号载波频率选择。示例性的，2007年在建设bpc低频时码台时，将载波频率选定为68.5khz，该频点的选择主要依据为工程经验和技术讨论。
5.由于目前频点的选择需要考虑地理参数及人口分布，综合季节变化、频率合成等多重因素，还需要避开台站附近已存在的低频段发播台频点；另外，目前对低频频率优选的研究工作尚未形成体系，技术上存在较大的空白。综上，提供一种新的低频时码信号频率优选的方法是极其必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种低频时码授时信号载波频率优选方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的方法，能够选择出满足预设要求的低频时码授时信号载波频率。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明的一种低频时码授时信号载波频率优选方法，包括以下步骤：
9.基于预设天线有效辐射功率阈值进行频点第一次筛选，获得第一次筛选结果；
10.基于带内干扰因素进行频点第二次筛选，获得第二次筛选结果；
11.基于天地波干涉特性因素进行频点第三次筛选，获得第三次筛选结果；
12.基于所述第一次筛选结果、第二次筛选结果和第三次筛选结果，根据频率产生因素进行筛选获得最终的筛选结果，完成低频时码授时信号载波频率优选。
13.本发明的进一步改进在于，所述基于预设天线有效辐射功率阈值进行频点第一次筛选，获得第一次筛选结果的步骤具体包括：
14.基于预设天线有效辐射功率阈值，根据经验公式计算获得频率的最小值；
15.其中，所述经验公式的表达式为，
[0016][0017]
式中，pr为辐射功率；v
t
为天线有效顶帽的电压；c为电容；he为天线有效高度；f为发播频率。
[0018]
本发明的进一步改进在于，所述基于带内干扰因素进行频点第二次筛选，获得第二次筛选结果的步骤具体包括：
[0019]
排除预设已知的低频台频点；
[0020]
确定测试点，对所述测试点的预设距离区域进行大气噪声测试，排除测试场强结果大于预设阈值的频点。
[0021]
本发明的进一步改进在于，所述基于天地波干涉特性因素进行频点第三次筛选，获得第三次筛选结果的步骤具体包括：
[0022]
根据天地波干涉分布估算模型计算出不同频点的天地波场强分布特性，获得低频天地波干涉场强的估算结果；
[0023]
基于所述低频天地波干涉场强的估算结果，结合场强衰落因素、季节变化因素、人口覆盖因素进行低频频点筛选，获得第三次筛选结果。
[0024]
本发明的进一步改进在于，所述根据天地波干涉分布估算模型计算出不同频点的天地波场强分布特性，获得低频天地波干涉场强的估算结果的步骤具体包括：
[0025]
地波信号的传播场强表示为，e(db)＝109.54+20lgw-20lgd+10lgp
σ
；
[0026]
式中，d—为收、发两点间的大圆距离；w—地波衰减参量；p
σ
—发射天线辐射功率；
[0027]
天地波相位差表示为，
[0028]
式中，fix()代表取整；t为发播电磁波周期；一次跳跃天波传播时间与地表传播时差为，t0＝(s-d)/c；一跳天波的传播路径为s＝2s1；
[0029]
s1＝r2+(r+h)
2-2r(r+h)cosα；式中，r为地球半径；h为电离层高度；
[0030]
d《1000km时：e
总
(d)＝|e
地波
(d)+512
·
sin(θ+90)|；
[0031]
d≥1000km时：e
总
(d)＝|e
地波
(d)+e
地波
sin(θ+90)|；
[0032]
式中，e
总
表示天地波叠加场强估算值，e
地波
表示地波场强估算值。
[0033]
本发明的进一步改进在于，所述基于所述低频天地波干涉场强的估算结果，结合场强衰落因素、季节变化因素、人口覆盖因素进行低频频点筛选，获得第三次筛选结果的步骤具体包括：
[0034]
①
结合场强衰落因素时，设定最低场强阈值e
min
和低于e
min
所对应衰落区的距离范围阈值
△
d，筛选保留距离范围低于
△
d的频点；
[0035]
②
结合季节变化因素时，计算获得冬夏两季各频点的场强随距离的分布，比较获得的分布在冬季和夏季的差异性；基于所述差异性，设定相关性阈值，筛选保留相关性大于所述相关性阈值的频点；
[0036]
③
结合人口覆盖因素时，根据台站预设用户群需求设置衰落区人口估计值阈值，筛选保留衰落区人口估计值低于所述衰落区人口估计值阈值的频点。
[0037]
本发明的进一步改进在于，所述基于所述第一次筛选结果、第二次筛选结果和第三次筛选结果，根据频率产生因素进行筛选获得最终的筛选结果，完成低频时码授时信号载波频率优选的步骤具体包括：
[0038]
基于所述第一次筛选结果、第二次筛选结果和第三次筛选结果，采用原子钟产生的基准频率在低频段的整数分频作为筛选结果。
[0039]
本发明的一种低频时码授时信号载波频率优选系统，包括：
[0040]
第一筛选模块，用于基于预设天线有效辐射功率阈值进行频点第一次筛选，获得第一次筛选结果；
[0041]
第二筛选模块，用于基于带内干扰因素进行频点第二次筛选，获得第二次筛选结果；
[0042]
第三筛选模块，用于基于天地波干涉特性因素进行频点第三次筛选，获得第三次筛选结果；
[0043]
结果获取模块，用于基于所述第一次筛选结果、第二次筛选结果和第三次筛选结果，根据频率产生因素进行筛选获得最终的筛选结果，完成低频时码授时信号载波频率优选。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
本发明的方法，能够选择出满足预设要求的低频时码授时信号载波频率。
[0046]
本发明公开的方法中，从信号发播、信号传输和信号接收三个角度进行分析，并综合地理环境、大气参数及人口分布等多方面因素，提出了具体的低频时码授时信号频率优选方法。具体的，本发明针对低频时码发播系统而设立，提供一种低频时码授时信号的频率优选方法，该方法从低频时码信号的产生、发播、传播和接收四个方面对频率选择问题进行分析，综合考虑信号产生、发射天线有效辐射功率、近场干扰、场强衰落、季节变化对低频电波传播的影响、人口覆盖和频率干扰多种因素，具备理论与实测结合、综合全面的优势。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本发明实施例的一种低频时码授时信号载波频率优选方法的流程示意图；
[0049]
图2是本发明实施例中，天地波相位差估算的示意图。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0051]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0053]
本发明实施例的一种低频时码授时信号载波频率优选方法，具体包括以下步骤：
[0054]
(1)第一次筛选：根据设定天线有效辐射功率阈值筛选频点。
[0055]
(2)第二次筛选：考虑发播台附近带内干扰进行筛选，在本次筛选中，除了需要排除已知的低频台频点之外，还需要对发播台附近展开大气噪声测试，排除测试场强结果较大的频点；
[0056]
(3)第三次筛选：考虑天地波干涉特性因素进行频点筛选。其中，首先根据天地波干涉分布估算模型计算出不同频点的天地波场强分布特性；再根据上述模型，结合场强衰落因素、季节变化因素、人口覆盖因素进行低频频点筛选。
[0057]
(4)第四次筛选：考虑频率产生因素。在前三步筛选出的频点集合中，建议采用原子钟产生的常用基准频率在低频段的整数分频作为待选频点。
[0058]
本发明实施例提供的方法，能够选择出满足预设要求的低频时码授时信号载波频率。具体的，本发明公开的方法中，从信号发播、信号传输和信号接收三个角度进行分析，并综合地理环境、大气参数及人口分布等多方面因素，提出了具体的低频时码授时信号频率优选方法。
[0059]
请参阅图1，本发明实施例的一种低频时码授时信号载波频率优选方法，低频时码授时信号频率选择问题需要综合整个通信链路进行考虑，包括低频信号的产生与发播、低频信号的传播和用户接收等几个方面，具体包括以下步骤：
[0060]
(1)第一次筛选，考虑天线有效辐射功率因素
[0061]
从低频信号发播的角度，频率优选需要考虑频率和天线辐射功率的关系；显然，若单考虑此因素，希望在天线其它参数不变的情况下，天线辐射功率越强越好。
[0062]
有顶负载的单极天线辐射功率有如下经验公式：
[0063][0064]
其中，pr为辐射功率；v
t
为天线有效顶帽的电压(单位：v)；c为电容(单位：f)；he为天线有效高度(单位：m)；f为发播频率(单位：hz)。
[0065]
从上式中可以看出，在其它条件不变的情况下，发播频率越高，辐射功率越大。
[0066]
经过上述分析可知，可根据台站建设实际辐射功率需求，根据上式，计算频率的最小值。
[0067]
(2)第二次筛选，考虑发播台附近带内干扰因素
[0068]
在选择低频时码工作频率时，需要考虑同频或相近频带干扰的问题。示例性的，首先应该避免一些已知的低频台频点，例如高频段需避开我国海军长河二号导航系统保护频率范围，即80～120khz，低频段需避开商丘台的68.5khz和日本低频时码jjy所处频点，即40khz和60khz。考虑到二次谐波的影响，为了避免干扰长河二号信号，需避开50khz(由于长河二号的中心频率为100khz)。
[0069]
除上述频点外，台站附近可能存在其他干扰频点，因此需要提前对发播台址附近的电磁环境进行测试，统计低频段场强较大的频点，在低频时码发播台频率选择中，应设法避开这些频点。
[0070]
本实施例具体示例性的，电磁环境测试的参考步骤如下：
[0071]
①
确定测试点：以发播台站为大圆圆心，200km为大圆半径，在东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向上每5km为步进量选择测试点。
[0072]
②
大气噪声测试：扫描低频段各频点，记录各频点的场强大小。
[0073]
(3)第三次筛选，考虑电波传播因素
[0074]
低频时码信号采用连续波的方式在空间中传播，空间中天波信号和地波信号同时存在。具体而言，250～350km范围内，地波比天波强得多，地波占优势；350km～2000km范围内，天地波同时存在，形成干涉区；2000km以外，低频信号以天波为主。
[0075]
在天地波形成的干涉区内，天地波信号很难分离；同时，由于天地波干涉，会造成的部分区域信号的衰落，进而造成接收端信噪比较低的情况。因此，必须仔细研究天地波干涉区的范围和信号衰落的特性，建立电波传播理论模型，并据此推演出低频段内各个频点场强随距离的分布，将场强衰落较小的频点作为推荐频点。
[0076]
本发明实施例中，低频天地波干涉场强的估算方法主要分为地波场强估算、天地波相位差估算和天地波叠加场强计算三个主要步骤。下面给出场强分布计算方法：
[0077]
第一步：地波场强估算，地波信号的传播场强可表示为：
[0078]
e(db)＝109.54+20lgw-20lgd+10lgp
σ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0079]
其中：d为收、发两点间的大圆距离，单位：km；w—地波衰减参量；p
σ
—发射天线辐射功率，单位千瓦；
[0080]
从(1)式中路径距离d、p
σ
均可视为已知量，因此，下文介绍地波衰减参量w的求法。
[0081]
当辐射源为置于地面上的垂直单极电振子且接收点也在地面上，地波衰减参量w可以表示为下列形式：
[0082][0083]
其中，称为相位常数或传播因子，又称波数；λ为空气中电磁波波长(米)；d为收、发两点间的大圆距离，这里以米为单位。
[0084]
分为两种情况进行计算：
[0085]
1、当收、发两点距离小于20km时，将地面视作光滑均匀平面，这时计算f的公式称为平地面模公式，程序中采用收敛函数的形式。引入参量—数字距离p，表示如下：
[0086][0087]
其中，εr＝ε-j60λσ为土地的相对复介电常数(ε为大地相对介电常数，σ为路径电导率)。
[0088]
f＝ref+jimf用收敛级数的形式表示为：
[0089][0090][0091][0092]
仿真程序中级数求和部分取前100项之和。
[0093]
2、当收、发两点距离大于20km时，将地面视为光滑球面，地表附近的大气取为标准大气。
[0094]
这时f用福克的绕射公式求解：
[0095][0096]
式中：式中：式中：(标准大气情况下)，为等效地球半径；a＝6371.12km为实际地球半径。
[0097]
n为一个足够大的整数，根据级数求和的计算精度而定。由于级数的收敛性，距离越大，级数收敛愈快，需要的n愈小。保证和近距离计算结果光滑连续，通常取n＝100。
[0098]
ts为微分方程的第s个复数根。
[0099]
第二步：天地波相位差估算
[0100]
请参阅图2，设地球半径为r，电离层高度为h，对于距离发射台d的某点，与发射台、地心三点构成的扇形区域圆心角的一半为(单位为弧度)；根据余弦定理，
[0101]
s1＝r2+(r+h)
2-2r(r+h)cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0102]
因此，一跳天波的传播路径为s＝2s1，一次跳跃天波传播时间与地表传播时差为：
[0103]
t0＝(s-d)/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0104]
设发播电磁波周期为t，则相位差为
[0105][0106]
其中，fix()代表取整。
[0107]
第三步：天地波合成干涉场场强估算
[0108]
天波场强的计算分为两类情况：距离小于1000km和距离大于1000km。
[0109]
1、d《1000km时：
[0110]
天波场强值都按1000公里处的地波场强值计算；1000公里处地波场强是512uv(h＝68km,p＝60kw)。因此：
[0111]e总
(d)＝|e
地波
(d)+512
·
sin(θ+90)|
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0112]
2、d≥1000km时：
[0113]
天波场强值按对应距离的地波场强的大小来计算，即1000公里处的天波值等于1000公里处的地波值；1200公里处的天波值等于1200公里处的地波场强值。因此：
[0114]e总
(d)＝|e
地波
(d)+e
地波
sin(θ+90)|
ꢀꢀ
(14)
[0115]
式中，e
总
表示天地波叠加场强估算值，e
地波
表示地波场强估算值。
[0116]
天地波干涉场强计算完毕之后，即可根据估算结果，结合场强衰落因素、季节变化因素、人口分布因素对待选频点集合进行进一步筛选。
[0117]
本发明实施例中具体的，
[0118]
①
场强衰落因素，经过理论推算可知，低频信号在距发射台站700km～1000km的区间内，天地波相互抵消的情况相对而言较为明显，即场强随距离分布在该区间内可能会达到一个局部最小值。为了保障在该区域内的接收终端的接收效果，通过设定最低场强阈值e
min
和低于阈值e
min
所对应衰落区的距离范围阈值
△
d，仅保留距离范围低于阈值
△
d的频点。
[0119]
②
季节变化因素
[0120]
由于天波的传播指低频信号通过电离层反射这种方式传播而形成的波，因此电离层高度对天波的传播特性具有直接的影响，进而影响天地波干涉场强分布结果。季节变化对电离层高度会产生较为明显的影响，因此会影响到低频信号的分布特性。具体而言，冬夏两季电离层高度变化最为显著，因此可以根据上述理论模型计算出冬夏两季各频点的场强随距离分布，再比较该分布在冬季和夏季的差异性。设定相关性阈值，保留相关性大于该阈值的频点。
[0121]
③
人口覆盖因素
[0122]
从低频时码信号的接收的角度，希望场强分布的衰落区尽量避开人口较为稠密的城市区，以实现最多低频信号接收人数的最大化。具体可建立全国范围的地级市及以上的人口分布样本空间，根据场强理论计算结果，统计不同季节衰落区设计人口的估计值，并根据台站实际用户群需求设置衰落区人口估计值阈值，筛选保留衰落区估算人口低于该阈值的频点。
[0123]
(4)第四次筛选—频率产生因素
[0124]
低频信号的产生方面，为了提高产生的载波信号精度，同时提高接收精度，应该考虑选择频率合成较为容易的频点。因此在前三步筛选出的频点集合中，建议采用原子钟产生的常用基准频率，如10mhz、5mhz、10.23mhz和2.048mhz等在低频段的整数分频作为待选频点。
[0125]
综上所述，本发明针对低频时码发播系统而设立，提供一种低频时码授时信号的频率优选方法，该方法从低频时码信号的产生、发播、传播和接收四个方面对频率选择问题进行分析，综合考虑信号产生、发射天线有效辐射功率、近场干扰、场强衰落、季节变化对低
频电波传播的影响、人口覆盖和频率干扰多种因素，具备理论与实测结合、综合全面的优势。
[0126]
下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。
[0127]
本发明实施例的一种低频时码授时信号载波频率优选系统，包括：
[0128]
第一筛选模块，用于基于预设天线有效辐射功率阈值进行频点第一次筛选，获得第一次筛选结果；
[0129]
第二筛选模块，用于基于带内干扰因素进行频点第二次筛选，获得第二次筛选结果；
[0130]
第三筛选模块，用于基于天地波干涉特性因素进行频点第三次筛选，获得第三次筛选结果；
[0131]
结果获取模块，用于基于所述第一次筛选结果、第二次筛选结果和第三次筛选结果，根据频率产生因素进行筛选获得最终的筛选结果，完成低频时码授时信号载波频率优选。
[0132]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0133]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0134]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0135]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0136]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。