基于卫星双向法的时间比对系统构建与分析

来源:用户上传      作者: 叶玲玲 石明华 楼杨

　　 摘 要：为了实现高精度时间同步，采用了卫星双向法，对时间比对系统进行了构建，并对影响比对系统不确定度的因素进行了分析。卫星双向法即两个台站同步发送和接收时间信号，可消除传递路径引起的误差,如:卫星位置引起的误差、电离层和对流层修正误差、卫星转发器误差。分析表明：在所有不确定度影响因素中，发射与接收设备时延的不稳定性是最大影响分量，系统对时精度可控制在4 ns以内。系统的构建为高精度时间同步提供了可操作的方法。
　　 关键词：时间同步； 卫星双向法； 钟差； 不确定度
　　 中图分类号：TN98-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0141-03
　　
　　Establishment and Analysis on Time Synchronization Comparison System by Two-way Satellite
　　
　　YE Ling-ling, SHI Ming-hua, LOU Yang
　　
　　(China Satellite Maritime Tracking ＆ Controlling Department, Jiangyin 214431, China)
　　 Abstract： For the high-accuracy time synchronization, the two-way satellite (TWSIT) is adopted, the time synchronization comparison system is built, and the major facts of affecting the system uncertainty are analyzed. TWSIT means that the timing synchronizes transmission and reception of the two stations. It can eliminate the errors (such as satellite position error, ionospheric delay error, troposphere delay error and satellite transponder error) caused by transmission routes. The analysis shows that in all influence factors of uncertainty, the delay instability of transmission and reception devices is a major influence component, and the time synchronization accuracy can be controlled by the system within 4 ns. The system provides an operable method for the high-accuracy time synchronization.
　　 Keywords： time synchronization; TWSIT; clock difference; uncertainty
　　
　　0 引 言
　　 在卫星导航定位系统中，定轨和定位的前提是各观测量的时间同步，因此，高精度时间基准的建立、维持和时间同步技术是建立卫星导航定位系统的重要技术之一。没有高精度的时间同步技术就不能使不同位置的地面站、空间飞行器和用户终端时间保持同步并提供导航服务［1］。
　　 利用卫星转发时间信号进行双向法时间比对，是目前国际上远距离时间同步和校准准确度最高的手段。它的精度比用GPS方法进行时间比对高一个数量级，比用长波Loran-c方法高3个数量级［2］，目前只有少数几个先进的时频标准实验室才具备这种手段。这种传递与比对方法要求实验室必须建立一套完整的卫星双向法时间比对系统，即所谓的TWSIT系统［3］。
　　 1 基于卫星双向法的时间比对系统构建
　　 1.1 卫星双向法比对原理
　　 卫星双向法比对［4-6］的原理可用图1说明。
　　 参加卫星双向法时间比对的A站和B站分别利用各自的 TWSIT系统向卫星发送定时信号，并接收经卫星转发的来自对方的定时信号。设A站测量的A站钟定时信号与接收B站定时信号的时差为T1，其定时信号由发射天线到卫星的传播时延为τ1，由卫星到接收天线的传播时延为τ1′，发射设备和接收设备的时延分别为τa和τa′；设B站测量的B站钟定时信号与接收的A站定时信号的时差为T2,其定时信号由发射天线到卫星的传播时延为τ2，由卫星到接收天线的传播时延为τ2′，发射设备和接收设备的延时分别为τb和τb′；设卫星转发器的时延为τ0；设A站和B站两地钟的钟差为Δt，由图1可得：T1=Δt+(τb+τ2)+τ0+τ1′+τa′
　　T2=－Δt+(τa+τ1)+τ0+τ2′+τb′ 设对同一站的TWSIT系统，发射与接收的传播时延相同，即τ1=τ1′，τ2=τ2′，则有：T1－T2=2Δt+(τb－τa)+(τa′－τb′)
　　Δt=12［(T1－T2)］+(τa－τb)+(τb′－τa′)］ A站和B站通过交换测量数据T1和T2，发射设备和接收设备时延差(τa－τb)和(τb′－τa′)可预先测定。两站的钟差Δt就可计算得到，多次测量可由钟差的累积变化量导出两钟相对钟速率，进而得到两钟的相对频率偏差。
　　
　　1.2 系统构建
　　 进行卫星双向法比对的各站建立的TWSIT系统，其组成框图见图2。
　　
　　图2 卫星双向法时间比对系统卫星双向法时间比对系统包括上行通道和下行通道，参加时间比对的原子钟提供标准频率信号和时间信号1 pps，通过调制器调制形成伪随机编码信号，由发射机及其天线发出。被接收的信号经天线和接收机送入解调器解调，得到接收到的时间信号1 pps，利用测试仪（时间间隔计数器）测量2个秒脉冲的时差T，全部过程由工控计算机控制。
　　 1.3 时间比对系统设备的选择
　　 参加比对测量的两个实验室最好选用同类型的比对测量设备。
　　 1.3.1 天线
　　 天线可选择专用抛物面天线，也可以选择通用抛物面天线，天线直径在2 m左右，通信频段可选C波段，也可选Ku波段。
　　 1.3.2 调制解调器
　　 调制解调器可选择Mitex 2500型或Mitex 2500A型产品，工作在C波段。调制解调器也可选择美国AOA公司的TWT-100型产品，工作在Ku波段。
　　 1.3.3 测时仪
　　 时差测量的时间间隔测量仪应选择分辨力在1 ns以内的测时仪，如美国SRS公司生产的SR620计数器，分辨力可达25 ps。
　　 1.3.4 卫星选择
　　 卫星双向法时间比对利用的卫星，原则上可采用具有转发功能的各种通信卫星［7-8］。

　　 2 卫星双向法时间比对系统的不确定度影响因素分析
　　 利用卫星双向进行时间比对测量，得到的测量结果时差值(T1－T2)的不确定度［9］影响因素主要有: 发射与接收设备时延、卫星转发器时延、卫星信号传播路径时延、时钟时间信号的不稳定和测时仪分辨力的影响。
　　 2.1 发射与接收设备时延的不稳定性
　　 在美国NIST研究者们做过发射与接收设备时延的试验。这项误差可通过温度控制和对数据的温度补偿得到降低，该误差一般为0.5~2 ns［10］。发射机和接收机，调制解调器，天线等组成的接收系统和发射系统，时延的随机变动，可通过实测计算时延差的实验标准偏差进行A类评定，也可通过给出的产品性能指标进行B类评定。
　　 2.2 卫星转发器时延的不稳定性
　　 两站进行双向时间比对时，都需将自己的时间信号发送给卫星，经卫星转发器转发给对方地面站。由于每个地面站采用不同收发频率、不同的转发通道或者处于不同天线波束时，两地面站卫星转发器时延并不相等，测试应对两者差值进行测量。不过卫星转发器时延经两路径相减能较好地消除或者削弱，误差一般不超过100 ps，可通过给定数据进行B类评定，此项影响很小，一般可忽略不计。
　　 2.3 卫星信号传播路径时延的不稳定性
　　 信号路径除电离层和对流层外，主要为自由空间。当信号通过对流层时，信号的时延变化与频率无关，所以上、下行信号路径为对称路径。当通过电离层时，时延表达式为：tion = 40.28TECis c(1f2u-1f2d)式中：fd，fu为地面站上下行信号频率；TECis为地面站与卫星间信号传播路径的电离层总电子含量；c为真空中光速。在Ku波段，上、下行频率分别高达14 GHz和12 GHz，根据计算该时延小于0.1 ns。由于接收与发射用同一个天线，同一颗卫星，故该影响一般可忽略，需精确评定时，可对传播路径时延计算公式逐项进行B类评定，再按不确定度传递律公式进行合成。
　　 2.4 时钟时间信号的不稳定性
　　 比对用的秒脉冲信号前沿的抖动及其周期的不稳定将影响测量值T的随机变动，可通过A类评定方法估计。参加比对的原子钟选择铯钟或铷钟，输出秒脉冲的前沿抖动可小于1 ns。
　　 2.5 测时仪分辨力的影响
　　 测时仪分辨力影响按仪器性能进行B类评定。应选择分辨力高的测时仪，可减小该项影响。如选择SR620计数器时，分辨力为25 ps，该项因素可忽略不计。
　　 综上所述，发射与接收设备时延的不稳定性为系统不确定度最大影响分量，再加上时钟时间信号的不稳定性、卫星转发器时延的不稳定性、测时仪分辨力等因素影响，时间比对系统不确定度可控制在4 ns以内。
　　 3 结 语
　　 卫星双向时间比对是目前测量准确度和比对精度最高的方法。现代卫星导航定位系统对时间同步精度有了更高的要求，卫星双向法将得到更广泛的应用。尤其是我国独立发展的北斗卫星导航定位系统本身自带有双向定时功能，通过对卫星双向法时间比对系统的构建和分析，为进一步提高时间同步精度提供了应用思路。
　　
　　参 考 文 献
　　［1］ KAPLAN E.GPS原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.
　　［2］ IMAE Michito. Basic measurement techniques on time and frequency transfer [J ]. Journal of the National institute of information and communications Technology，2003, 50: 105-112.
　　［3］ International Telecommunication Union. ITU-R TF1153-2 the operational use of two-way satellite time and frequency transfer employing PN codes [S ]. [S. l. ]: ITU, 2003.
　　［4］ 李树州.卫星导航定位系统星地时间同步方法［J］.无线电工程,2002(10):60-63.
　　［5］ 李志刚，李焕信，张虹.卫星双向法时间比对的归算［J］.天文学报，2002,43(11):422-431.
　　［6］ 李志刚.卫星双向法与卫星测距 [J ].飞行器测控学报，2006（3）:1-6.
　　［7］ 吴延忠，李贵琦.地球同步卫星定位［M］.北京：解放军出版社，1992.
　　［8］ 刘利.相对论时间比对与高精度时间同步技术［D］.郑州：信息工程大学，2004.
　　［9］ 李宗扬.时间频率计量［M］.北京：原子能出版社，2002.
　　［10］ 孙宏伟，李志刚，李焕信，等.卫星双向时间比对原理及比对误差估算［J］.宇航计测技术，2001,21(2):55-57.
　　 作者简介: 叶玲玲 女，1977年出生，工程师。研究方向为时间频率及无线电计量。

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