CN1119725C - 传输时间信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是传输几乎可全球接收的时间信号(14)的方法和装置，它可实现用适当的接收机(8)自动将时钟(9)调整到本地时间。本发明使用了一种位于低轨道空间站或人造卫星(3)上的时间信号发射机(6)，所述卫星的轨道具有高倾斜角或大轨道倾角。这样可在运行时间内飞越几乎所有地球表面。由于飞行高度低，所以不仅发射功率小，而且不会影响其他卫星的工作，并在地面上产生足够高的接收场强，从而使手表也能接收。所述时间信号发射机(6)不仅发射实际时间，而且还发射附加数据，如其实际位置、飞行方向和将来的无线接触时间。为此地球表面被划分成若干编号区域(17)，它可使接收信号的时钟无需很大的计算开销，其本身的当地时间根据发射的数据确定。

Description

传输时间信号的方法和装置

本发明所涉及的是如权利要求1的前序部分所述的一种发射时间信号的方法，以及如权利要求21的前序部分所述的一种接收时间信号的方法。

一种地面时间信号发射机，例如位于美因河畔法兰克福的联邦物理技术局(PTB)的DCF-77发射机，发射长波频带内的时间信号，从而实现大的传播范围。尽管发射功率很大，其传播范围仅能达到1200至2000公里。此外该时间信号只是针对一个本国时间的，而且使用一个特定的发射频率和内在编码，所以接收机在外国使用时必须适用于若干种不同的时间信号，否则将无法读取信号。在远离海岸的海洋上使用时则根本无法实现接收。虽然利用人造卫星定位系统(GPS)可以设置时间，但是由于缺少附加信息，例如夏令时、闰秒等，所以必须进行繁琐的半手动调整，以便保持实际的本地时间。

还有一种所谓多重无线控制时钟也是公知的，它允许接收不同国家的时间信号，并对其处理。但是它必须要求用户对时钟进行调整，使得时钟能识别其所处的地点。这种多重无线控制时钟也无法在所有国家工作。

在美国专利说明书US-A-5 408 444中公开了一种确定接收机位置的方法。为在该接收机上正确调整时间，必须根据至少三颗GPS卫星系统中的卫星测定其位置。位置一旦确定，便可根据为该位置而预设的修正值进行时间调整，所述修正值存储在接收机的一个数据库中。

在美国专利说明书US-A-5 574 660中也公开了一种方案，通过地面时间信号发射机的缺点，由于从一个空间站或人造卫星上的发射机发送时间信号，所以可实现几乎世界范围(纬度范围±70-80度)的接收。

一个接收机根据所收到的由时间信号发射机发出的信号，自动测定其本身在地面的地理位置，并且从中确定实际的本地时间，无需使用者做任何事情。对于这种时间信号不应考虑使用普通的人造卫星，因为或者由于所要求的寿命，人造卫星的飞行高度过高，从而无法达到所要求的接收场强，或者轨道的倾角过小，因而无法覆盖整个地球表面。具有大轨道倾角的低轨道(高度例如为200公里至400公里)飞行的人造卫星或空间站是可以覆盖纬度范围±70-80度的地球表面的。用大轨道倾角可以在人造卫星或空间站的运行时间内飞过所有地球表面。

本发明所述装置通过一种特定的几何形状天线，可以使地球表面被覆盖的范围尽量扩大，从而延伸到除两极以外的所有地方。

地面的无线控制时钟通常在一天内仅进行一次同步，以便节省电池。所述同步通常发生在夜间，因为夏令时和冬季时的切换通常也在夜间进行。对于一个支持世界时的无线控制时钟而言，实现以上功能并不容易，因为发射机在预定的时刻必须在接收范围内逗留。所以本发明所述时间信号发射机除了发射正式的时间信息外，还附加传输补充数据，该数据涉及某个特定地区的下一次飞越时间，所以接收机预先便可得知接收的接触时间。当时钟第一次打开或者失去了接触时间时，接收机仅会短促打开，以便确认是否需要接收时间信号。然后插入一个静止间歇，该间歇短于接收时间窗口，所以不会错过可能的接触。只要建立了第一个接收接触，则时钟便过渡到正常的开机循环。

发射机对某个特定地点的接收范围可以延伸若干个时区。所以接收机必须确定，为计算所发射的数据，当时地面上的即时地点距离本身的地理位置有多远。对此规定了两种可能：

1.人造卫星或空间站在相对较近的距离飞越接收机时，由于发射机高速运动所产生的所接收频率的多普勒频移非常强，所以根据频率跃变和该跃变的形状即可确定飞越的时刻，从而确定所述距离。

2.发射机在相对较远的距离飞越时，对不同频率穿过地球电离层时的运行时间分散度，即波动的传播速度与波长或频率之间的相关性进行计算。大气中的上层气体(电离层)的电导性可根据所发射的不同信号的频率，以不同的强度阻止无线电波的传播。其后果是，同时发射的具有不同频率的信号会在不同的时间到达接收机。如果电离层的电导性是已知的，则可根据这种时间偏移确定发射机和接收机之间的距离。电离层的实际特性数据可由一个地面站确定，或者时间信号发射机通过对测量信号的回波进行计算来自行持续测量电离层。

此外，能够测定自己所处位置的接收机必须确定，时间信号发射机的瞬时飞行方向是位于接收机本身的地理位置的左侧还是右侧。为此所发射的信号不是均匀地向下发出的，而是循环构成一个旋转的波瓣。这种旋转或者是通过机械运动的天线实现的，或者是通过合适的电子手段产生的。所述循环运动的波瓣可根据发射的角度位置以适当的方式加以变化，使得从所收到的信号中可确定瞬时发射角。这例如可通过一个辅助频率实现，使得每个角度位置或每个从0至360度之间的角度范围都具有一个可定义的辅助频率。在最大接近值的时刻，角度是90度或270度即可定义飞越处在哪一侧。

在本发明的另一个有利的方案中，为节省接收机内的存储器和计算器的能耗，将地球表面划分成若干编号的区域。发射机除了反射时间信号外，还发射当前区域的号码以及上述附加信息。该数据将被存储在接收机内。所以发射机可对轨道的修正和时间的切换进行预先计算，并且将其通知给接收机。通过将地球划分成适当的、不必和国际时区吻合的区域，可使接收机能够对时间信号发射机反射的时间信息进行简单的补偿增加或补偿减少，从而计算出接收机所处位置的实际时间。

发射机连续且重复地反射实际时间以及附加信息。所以接收机不必等待一个已经开始的数据包的完整时间，在数据流中嵌入易于分辨的同步信号，使得计算也可从数据包的中间开始。这样可减少接收机的激活时间，从而减少时钟的电耗。

按照国际上的规定，人造卫星或空间站上的发射机不得超过一定的发射功率(功率通量密度)，以免干扰其他系统。为满足该边界条件，在本发明所述方法中使用了所谓的扩展频谱技术，即进行分离式编码和调制。发射信号然后以特定的频率和特定的频移周期性地在发射频率上偏移(扫描)。这种扫描和发射信号的其他所有改变相对于时间信号发射机上的时间基准是同步进行的，而且以相位固定方式耦合，所以根据瞬时扫描频率和扫描相位可确定所接收的时间，其分辨率可达微秒级。

为了调整时间信号发射机上的时间，一方面可使用来自地面站或控制站的控制信号，另一方面时间信号发射机本身可在飞过本国时间发射站时对其时间信号进行解码，并自动实现同步。

下面对照附图所示的实施例，对本发明作进一步的说明。附图为：

图1表示一个基于外层空间的全球时间信号系统的示意图；

图2表示地球的示意图；

图3表示地球上的一个典型接收范围；

图4表示多普勒频移曲线图。

图1表示的是一个基于外层空间的全球时间信号系统1，它用于在几乎是全球的范围内发布要求接收的时间信号14，从而将时钟自动调整到时钟所在位置对应的本地时间。所述时间信号系统1具有一个飞行体2，其形式是一个人造卫星3，还具有一个接收单元4，一个时间信号发生器5和一个备有天线10.1的地面站10.2。

所述人造卫星3具有一个时间信号发射机6，它用于发布或发射时间信号14和其他附加信息。所述时间信号14如图1所示，是用半圆形电波符号表示的，所以并不代表时间信号14和附加信息的传播方向。为表示清楚起见，所述人造卫星3具有的必要的功能，例如能源供应和飞行控制并没有用标号表示出来。

位于地球7上的接收机4具有一个时间信号接收机8和一个时钟9。该时钟9最好是一个手表，并与所述时间信号接收机8经连接导线12连在一起，从而自时间信号接收机8向时钟9传输同步信息。

所述时间信号发生器5用于产生一个时间基准，例如采用原子钟。时间信号发生器5经传输导线11与同时作为控制站的地面站10.2相连。所述地面站10.2连同其天线10.1用于反射图1中用箭头15表示的信号，并且用于与人造卫星3上的机载时间同步。

所述人造卫星3的飞行轨道在图1中是用箭头13表示的。另一个箭头16表示时间信号14的信号流的方向，它从时间信号发射机6流向时间信号接收机8。

图2表示地球7的示意图，地球被分成若干个部分或区域17。两个相邻的区域17之间由区域界线18分开，所述区域界线平行于地球7的经度或纬度，所以所述区域17大致构成正方形或者矩形。区域17的选择应当尽可能与地球7上已有的时区大致重合；但是这只能以近似的方式实现，因为地球7上的时区分隔线很少有直线的。图2中的区域17是示意性画出的，并不表示其实际的大小；在实践中，区域17的大小的选取方式是，它要小于接收范围。人造卫星3连同其飞行轨道19在图2中是示意性画出的，以便将其表示完整。正确的飞行轨迹或正确的飞行轨道19翔实在图3中，下面对其加以说明。

图3表示的是人造卫星3在地球7上的接收范围20的地球7展开图。通过较高的倾斜角或较大的轨道偏角，使人造卫星3的轨道19近似于正弦形状。通过人造卫星3多次环绕地球7运行，可产生覆盖地面的近乎遍及全球的接收区20。在图3中，人造卫星3的接收区20的画法是，投影在地球7表面上的接收圆锥21此刻位于欧洲上面。从图3可明显看出投影在地球7表面上的接收圆锥21在地球7上构成一个椭圆形状，它完全覆盖了整个欧洲，即跨越了若干个实际的时区。

图4表示的是一个多普勒频移频率曲线25的曲线图22的实例，它是在时间信号接收机8的方面所接收的。图4中的曲线22被表示在时间横轴线23和频率纵轴线24之间。一根垂直的虚线26表示飞越时刻t₀，在该时刻时间信号接收机8与时间信号发射机6之间的距离最小。虚线26左边的范围表示时间信号发射机6正在接近时间信号接收机8，而虚线26右边的范围则表示时间信号发射机6正在远离时间信号接收机8。时间信号发射机6向时间信号接收机8方向的速度分量越大，人造卫星3飞越时间信号接收机8的距离就越近，其被挤压的程度就越大，也就是说，越是接近飞越时刻t₀的范围，频率偏移越大。所以，根据频率曲线25，可测定时间信号接收机8和时间信号发射机6之间的距离。

Claims (23)

1.发射时间信号的方法，其中：

为实现时间信号的全球接收，由一个相对于地球表面某个点移动的飞行体(2)以一个特定的或若干个频率发射时间信号，所述飞行体沿具有大轨道倾角的飞行轨道(19)运动，

通过机械驱动的天线，或者通过适当的电子设备，使所述时间信号在发射机(6)的一个可预定的轨道上循环，构成一个波瓣形状，

所述循环的发射波瓣包括用于确定发射机(6)的方向的角度信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述时间信号是飞越地点的实际本地时间。

3.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，接收机(8)独立测定其地理位置，从而分配一个特定的地理时区，最好是编号时区(17)。

4.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述时间信号(14)以静态或动态方式发射。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述波瓣以时分或时续方式循环。

6.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述发射机(6)使用辅助载频。

7.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，使用分别的具有相位控制的天线或旋转天线来发射时间信号(14)。

8.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，地球表面被划分成合适的若干编号时区(17)。

9.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，将附加信息附加到时间信号(14)上发射。

10.如权利要求9所述的方法，其特征是，所述附加信息包括发射机的星历表，飞行方向，发射机(6)下一次飞越的坐标和/或时间。

11.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，通过所发送的不同频率的信号穿过电离层的运行时间，由所述接收机测定发射机(6)和接收机(8)之间的距离。

12.如权利要求11所述的方法，其特征是，所述发射机(6)自行执行电离层修正或得到由一个控制站(10.2)传输的电离层修正。

13.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述发射机(6)的信号通过频率和/或相位调制扩展。

14.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述发射机(6)的时间信号(14)的调制和编码分开进行。

15.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述编码和发射同步进行。

16.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，产生一个所述发射频率的同步偏移。

17.如权利要求16所述的方法，其特征是，从所述偏移频率中实现时间分辨率的提高。

18.如权利要求16或17所述的方法，其特征是，从所述偏移相位位置中得到时间信号(14)附加的时间分辨率。

19.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所发射的数据包包含有插入的同步信号。

20.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，飞越地球上某国的一个地面时间发射机时，自动对所述飞行体(2)上机载的一个时钟进行调整。

21.接收时间信号的方法，其中：

接收机根据所接收的时间信号自行测定其在地球上的地理位置，并且从中确定实际本地时间，其中所述接收机根据以一个或若干个频率从发射机发出的时间信号的多普勒频移测定其地理位置和/或根据时间信号的运行时间分散度测定至发射机的距离，并且

所述接收机根据以循环波瓣方式发射的时间信号测定反射角。

22.如权利要求21所述的方法，其特征是，为测定所述发射机(8)的位置，对接收频率的多普勒频移进行计算。

23.如权利要求21所述的方法，其特征是，由一个时钟(9)，最好是手表接收时间信号。

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