广播系统标准频率和标准时间的基准源的选择

1 可供选择的时间、频率基准源
　　将系统或网络内各种设备或计算机的时间信息(年月日分秒)统一于一个标准时间，或使它们的时间信息与一个基准时间的偏差限定在一个足够小的范围内，这样的技术叫时间同步。很多行业领域如金融、广播电视、交通等的网络系统都极需要在大范围内保持系统内的计算机和设备的时间同步和时间准确才能有效地工作。
　　广播系统中电视或广播等同步广播网工作时，都需要有一个高稳定的基准频率来锁定广播网内所有发射机的工作频率，这个基准频率是实现同步广播的基础，其好坏关系到整个同步广播网的工作质量。
　　当前广电系统正向数字化转变，一方面从节目制作、播出到办公正逐步完成网络化；另一方面有线电视网络正进行传输速度快的SDH网络改造，并实现与互联网连网、网际互连；开路的无线同步广播、电视/FM同步广播在向数字化转化。在这一过程中，标准时间和标准频率基准源的选择就显得尤为重要。
　　随着科技和时代的发展，现代社会对时间、频率的标准化、准确性方面的要求越来越高，标准时间、标准频率的发布和利用在当今社会有着举足轻重的地位，衡量着一个国家的科技发展水平。目前在我国，已逐步形成了一套完备的标准时间、标准频率发布体系，当前广播系统可资选择利用的基准时间、基准频率源主要有：
　　(1)BPL-—长波授时系统(LORAN或长河二号系统)；
　　(2)BPM-—短波授时系统；
　　(3)超短波-—CCTV电视信号场逆程播发的标准时间、标准频率；
　　(4)卫星定位(授时)系统；
　　(5)网络IRIG-B时码及电话授时系统(ACTS)。
　　当今世界上，正被广泛使用的几个著名的卫星定位系统都采用多轨多星技术，有效地解决了不同接收点因信号传输距离不同对基准时间、基准频率形成的误差。其原理如图1所示。
　　若甲、乙两台同时接收一颗卫星(假设为A星)的基准信号，因甲、乙两台距A星接收信号路径的不同，有AO < AO’，使卫星信号到达甲台的时间t1小于到达乙台的时间t2，两者的时间差：t2-t1=Δt使甲、乙两台所接收到的基准时间出现误差、基准频率间出现相位差ΔΦ，这些误差将给两台的时间或频率同步带来问题。若甲、乙两台同时接收A和B两颗卫星的基准信号情况就不一样了，虽然甲台比乙台距A星近，有AO < AO’；但甲台比乙台距B星远，又有BO > BO’。若每个台将所收到各星的信号相互均衡，将会使两个台收到的基准信
　　号趋向一致。也就是说系统内各点能接收到的卫星信号越多，各个点接收到的基准信号的时间、相位就越一致，同步也就准确。
　　世界上最广泛使用的卫星定位系统——GPS系统，在地球视角为1800的任一接收点任一时间都可以接收到至少8颗以上卫星的信号；在山脚下或高大建筑物旁、视角为900恶劣接收点至少可以接收到4颗以上卫星的信号，这样就能够有效地解决因接收路径不同而产生的时间、频率误差。同时又由于卫星信号接收方便、受干扰少，不受地形地貌和地理位置的限制(只要接收当面上空不受遮挡即行)等优点，因此现在各行各业绝大多数系统都采用卫星定位系统发射的授时信号和标频信号作为标准时间和标准频率的基准源。
　　2 世界上主要卫星定位系统
　　2.1全球定位系统(GPS)
　　由美国于1994年全部建成投入使用，空间系统由24颗卫星组成，其中21颗卫星均匀分布于6个轨道面工作、3颗在轨备用，地面高度20000km、轨道倾角55°、轨道偏心率约为0，运行周期约12h，这种布局对中低纬度的用户较有利(我国属此类地区)，它能确保在地球上任一地点任一时刻都能够收到至少4颗以上的卫星信号。定位、导航、星历时间等信息分别由1575.75 MHz和1227.6MHz两个载波频率向地面播发，载波频率由装备在每颗卫星上精度很高的两个钕原子钟和两个铯原子钟产生，采用CDMA区分各星的信号；能在全球范围内向任意多的用户提供高精度、连续、实时的三维测速、三维定位及授时服务，现已发展成为目前世界上应用范围最广的主流卫星定位导航系统。
　　2.2全球导航卫星系统(GLONASS)
　　由前苏联为了与美国GPS系统竞争而组建的，1996年整体建成。其空间系统也由24颗卫星组成，其中在轨备用卫星3颗，工作卫星21颗、均匀分布于3个轨道面、每个轨道等距分布8颗卫星,轨道面互成12 0°夹角，轨道高度19100 km、轨道倾角64.8°、轨道偏心率约为0.01，运行周期11h15min，这种布局较适合高纬度的用户。其设计也要求保证在地球上任一地点任一时刻都至少收到4颗以上卫星信号，但实际因工作寿命到期的卫星更换等诸多原因已无法全部实现。和GPS所有卫星都采用同一载波频率不同，GLONASS播发两个载波频段：F1 =1602＋0.5625N(MHz); F1 =1246＋0.4375N(MHz);N=1～24为每颗卫星编号，各星的载波频率各不一样，用FDMA区分各星的信号。
　　2.3 北斗一号卫星导航定位系统
　　我国自行建立、完善的卫星导航定位系统。于2000年发射第一颗卫星开始运行，迄今有3颗在轨卫星组成一完整的导航定位系统全天候、全天时地提供区域导航定位授时服务。卫星位于36000 km高的地球同步轨道，具有简短的数字报文通信功能。北斗一号服务范围只限于中国及周边地区，因而采用了一种用星少、经济独特的定位方式。GPS和GOLNASS都是全球定位，都属三维单向系统，地面用户要求接收4个卫星的位置信息，自行解算出其三维座标。北斗一号本身是两维系统，地面用户应同时向两颗卫星发出定位信号，两星都转发给地面控制中心，由地面控制中心据此解算出其座标位置，再经卫星转发回用户，也就是说系统具备一定的双向通信功能。
　　2.4 伽利略全球导航卫星系统(GNSS)
　　是由欧盟正在研发构建的、具有最高精度和技术水准的全球导航卫星系统。“伽利略计划”1999年提出，后因美国多方阻饶反对，直至2003年方才正式启动，计划2008年整个系统全部建成正式运营。我国在2003年受邀签约加盟了“伽利略计划”，现该计划已经在华实施。
　　伽利略空间系统由30颗卫星组成，其中工作卫星27颗、冗余备份3颗，卫星定位于3个圆形中轨道平面，高度15000英里、轨道倾角56°。伽利略系统建成后，将比现行的GPS系统有更大的优越性，不仅全球的覆盖面更全面，并且定位精度要比GPS提高10倍以上。
　　根据欧盟与美、俄有关方面的协议，伽利略系统要与GPS和GLONASS系统相兼容，届时GPS和GLONASS的设备可以平移过来接收伽利略信号，用户投资得以保护。伽利略系统还有一个优越之处是，它不像GPS和GLONASS系统那样由一国的国防部门掌控，将是由跨国民用组织控制管理，政治方面的使用风险小。
　　3 GPS和GLONASS几种卫星定位系统的比较
　　3.1 GPS系统的优缺点
　　GPS是世界上最早建成的全球卫星定位系统，因吸取了Internet的经验，一开始即采取军民两用政策，注重民用市场开发，多年下来得到几乎所有世界著名技术服务公司和器件生产厂商的支持和追捧，各类技术支持和各种
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性价比高的芯片，应用软件、硬件随处可得；加之多年来系统维护得不错，一直能保持运行稳定可靠；再加上其技术指标领先，很多地方独此一家等天时地利的条件，因此囊括了全球90%以上的市场，其在卫星定位领域的地位如同Intel的芯片在CPU领域、微软的Windows 窗体顶端
窗体底端操作系统在家用电脑领域一样，几乎不可撼动，GPS一词俨然成了整个卫星定位导航系统的代称。
　　对GPS系统最大的诟病是美国政府采取对自家军用优先的做法。GPS播发两种独立信号：C/A码和P码。P码用于精密服务，可实现纳秒级的时间同步，仅给军方或授权的用户使用；C/A码用于普通服务，实现的是微秒级的时间同步，供一般用户使用。更有甚者，美国为降低C/A码的应用精度，又在卫星中添加了SA措施，SA(Selection Adaptive)选择适用性措施，人为降低C/A码的定位、定时精度。不过，最近在人们的强烈反对下，GLONASS、北斗等系统奋起直追，印度、日本加速发展自己本国的卫星定位系统，特别是在伽利略计划出现的巨大压力下，美国已被迫放松和允诺取消SA措施。
　　3.2 GLONASS系统的情况
　　前苏联组建GLONASS系统时是纯为军用设计的，后来俄罗斯改取军民合用、不加密的开放政策。GLONASS卫星同时播发S码和P码，P码为精码、用于俄军方和科研用的高精度定位；S码是粗码、用于向民用提供标准定位，不采取任何人为降低定位精度的措施。
　　苏联解体出现的经济困难造成GLONASS发展的倒退，使用寿命到期卫星(平均设计寿命仅3～5年，本来就比GPS短)未及时补发，设备无法更新，维护不善，技术指标下滑，前几年能正常使用的在轨卫星只剩下9～10颗，不能独立组网。近年随着俄罗斯经济的复苏，俄决定振兴GLONASS系统，用4年时间将其更新，向全世界推广，到2006年整个系统已恢复到 17颗卫星运行。但这一转变可能为时已晚，制约其发展的主要因素有：(1)投入运行相对晚，没有广泛优良的技术服务做后盾(现在网上连有关中文技术资料都查不到)，相关产品和器件品种少、缺乏 窗体顶端
窗体底端竞争力，很难有后续厂商再愿意投入较大的资金和技术力量来开发相应软硬件为其作技术支持；(2)认知度差，由于GLONASS系统发展一波三折，加上系统运行记录表明其稳定性、可靠性不尽人意，市场对其缺乏信心；(3)在现有GPS占有优势地位，两年后又有伽利略系统同时投入运行，中印日致力发展本国系统的局面下，GLONASS系统发展的空间很有限。鉴于以上情况，该系统发展的前景不容乐观，GLONASS系统除了在原苏联范围内的一些国家还有市场，或作为GPS系统的替补备份外，可能难以有大的作为。
　　3.3 几种授时系统时钟精度的比较
　　对已经服务使用了一段时间的几种主要授时系统，我们只考虑其时钟或标频的准确性，不关心其定位、导航等其它参量的精度，现将它们的同步时钟精度比较如下。
　　表1 几种主要授时系统同步时钟精度比较
　　系统 同步时钟误差 使用特点
　　LORAN(BPL) 1～3 μs 接收天线尺寸大
　　OMEGS 2 ms 误差大
　　GOES 0.1～0.3 ms 不稳定
　　GPS 1 μs 接收容易、稳定性好
　　GLONASS 10 μs 技术支持不够
　　4 关于双系统工作的问题
　　标准时间和频率基准源的稳定性或不间断性是人们需要考虑的一个重要方面，像广播系统这样非常强调停播率的应用尤其如此。由于卫星信号要通过电离层传输，受电离层复杂多变的影响，信号传输质量将受到影响甚至可能中断。为此有人提出了双系统工作方案，即同时采用两个卫星授时系统作为时间和频率的基准源工作，市场也推出了一些双系统OEM板，最流行的是GPS＋GLONASS双系统。我单位以前推出的同步广播激励器也采取过这种双系统兼容激励工作方式，但是我们的实践证明，双系统工作方案在广播系统网现今的工作模式中并无太大的实用价值，试分析如下。
　　4.1 双系统工作的实际意义
　　若对单GPS系统，地平线以上可视的卫星数一般为8～11颗，在山脚下或高大建筑物旁、可视度只有900收视角的恶劣环境下能确保在任一时刻都能够收到至少4颗以上的卫星信号。若对GPS＋GLONASS双系统，则地平线以上可视卫星数可以达到14～20颗，但在小于900收视角的情况下可视卫星数只可适当增加1～2颗。
　　可视卫星数增加的主要好处是：(1)可以提高观测结果的可靠性和精度。前面我们提到过卫星系统测量定位的可靠性主要取决于定位计算的卫星颗数，卫星颗数多当然可靠性和精度增大；(2)减少了卫星信号劣化和中断的概率。传输不好的卫星信号可能由另一个系统其它轨位的卫星信号弥补；在定位导航时，特别当移动目标进入障碍物遮挡部分卫星视线的区域时，单系统有时无法工作；(3)提高效率。GPS测量所需的时间取决于求解载波相位整周模糊度所需的时间；快速定位、实时动态测量或后处理动态测量时，可观测到的卫星增加的越多，求解载波相位整周模糊度所需的时间就缩短的越多。由此可见，双系统工作方案主要在可视度大于900收视角的良好接收环境下，对那些不允许信号瞬间丢失、快速移动目标的定位导航、精密无线电测量等应用场合有较大的实用价值。
　　4.2 单GPS系统足以满足现今广播系统同步工作模式的要求
　　在现今广播系统中，不管是有线网络还是无线同步广播网，其工作模式一般是标准频率或标准时间的利用点固定，一般不移动；在要求同步的各点接收到卫星信号时，将调制在载波上的信息去掉恢复出载波，经分频处理或DDS得到所要求的10MHz或所希望的其它标频作为锁定其时间或频率的基准。也就是说现时同步模式只要求利用卫星定位系统最简单的功能——接收到足以消除各点时间相位差的几个卫星信号即可(甚至可以少于GPS定位精度要求的4颗卫星信号)。GPS的卫星载频是由高稳原子钟所产生，各卫星采用一样的载频且相互同步，利用其作为同步广播网的基准源是很理想的。
　　由于现行广播网的同步系统末利用卫星系统上的定位导航等信息，连卫星上的授时信号大多数情况下也未利用，(目前网络时间同步是用从GPS得到的标频或PPS脉冲来锁定或校正各同步点本身的时钟形成电路来实现统一的时间精度)，所以无须关心其解调和其它处理过程，对卫星信号接收的要求相对不高。从实际工作中看，在可视度良好的固定接收点因GPS信号中断或劣化至不能利用的情况极少发生，双系统中只需一个系统工作，另一个系统的绝大部分时间不工作，基本成为摆设。
　　4.3 双系统工作时出现的同步切换问题不好解决
　　双系统工作的另一个大问题是同步切换的问题。同步网工作不像单个目标的定位导航，系统内有很多个台站或服务器异地同时工作，各点相距少则几百米、多则几百公里，信号接收环境相差很大，不少时候是甲点GPS信号好、乙点GLONASS信号强，不可避免地会出现甲点切换于GPS系统、乙点切换于GLONASS系统工作。若甲乙两点切换于不同的系统工作，虽然可以将不同系统产生的标频频率统一起来，但因GPS和GLONASS两系统原本卫星载频不一样，形成的标频初始相位不同，加上两者稳定性指标也不同，将使两点的标频间形成一周期循环的相位差，这是消除不掉的，将使广播网处于非精密同步的失锁状态。
　　为解决GPS信号可能中断的问题，我们设想可以在同步点设置一取样保持电路来解决。取样保持电路把GPS正常工作一日或多日时的平均值取样保存下来，在GPS信号瞬间中断的时候取出以维持PLL正常工作。
　　5 建议
　　综上所述，试提出以下建议。
　　(1)当前，广播系统网络的标准时间和标准频率基准源以采用卫星定位系统发射的信号为宜。在北斗系统成熟和伽利略系统开通前的这一段时间内，若不强调政治使用风险，从技术指标、经济成本、运行、维护等诸方面因素考虑，卫星定位系统选GPS系统应是最佳选择；
　　(2)考虑到卫星定位系统的发展变化，广播同步网的激励系统宜采取积木式结构，将基准源部分和性能功能部分分成两个相互独立的单元，改变、升级灵活。任何一部分的改变都不会相互影响；
　　(3)双系统工作方案对目前广播同步网而言实际上是一个价格昂贵而实际效果有限的解决方案；
　　(4)强烈建议国家有关部门开展相关标准时间和标准频率方面的研究，及早拿出相关行业指导性意见，在此基础上制定相应的标准和法律法规，改变目前在标准时间和标准频率的选择、使用方面各行其是、各自为政的无序状态，以免将来在这方面产生混乱、造成不必要的损失.