卫星双向时间频率传递误差研究-天体测量与天体力学博士论文)

分类号分类号 密级密级 UDC 编号编号 博士学位论文博士学位论文 卫星双向时间频率传递误差研究卫星双向时间频率传递误差研究 武文俊武文俊 指导教师指导教师 李志刚李志刚 研究员研究员 中国科学院国家授时中心中国科学院国家授时中心 申请学位级别申请学位级别 理学博士理学博士 学科专业名称学科专业名称 天体测量与天体力学天体测量与天体力学 论文提交日期论文提交日期 2012.04 论文答辩日期论文答辩日期 2012.05 培培 养养 单单 位位 中国科学院国家授时中心中国科学院国家授时中心 学位授予单位学位授予单位 中国科学院研究生院中国科学院研究生院 答辩委员会主席答辩委员会主席 博士学位论文博士学位论文 卫星双向时间频率传递误差研究卫星双向时间频率传递误差研究 博士研究生：博士研究生： 武文俊武文俊 指指 导导 老老 师：师： 李志刚李志刚 研究员研究员 专专 业业 名名 称：称： 天体测量与天体力学天体测量与天体力学 研研 究究 方方 向：向： 高精度时间比对与技术高精度时间比对与技术 中国科学院国家授时中心中国科学院国家授时中心 2012 年年 05 月月 Research on Two-way Satellite Time and Frequency Transfer Errors A dissertation submitted to Graduate University of the Chinese Academy of Sciences in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy By Wu Wenjun Supervised by Prof. Li Zhigang National Time Service Center Chinese Academy of Sciences Xian, 710600, P.R. China May, 2012 摘要 I 摘要摘要 卫星双向时间频率传递（TWSTFT）是目前世界上最准确的远距离时间比对 技术之一， 其时间比对准确度和频率稳定度分别优于 1ns 和 10-14（1 天） 。 从 1999 年开始， TWSTFT 经 ITU 推荐被正式用于协调世界时（UTC）的计算。目前它 已广泛应用于时频，电信和卫星导航等诸多个领域。由于传播信号路径的近似对 称性，TWSTFT 原则上使电离层改正、对流层改正、几何路径改正等路径时延 误差的影响大部分被抵消，这是 TWSTFT 方法本身的技术优势，也是能获得高 精度时间比对的原因。 随着 TWSTFT 技术发展及观测频度加密， 发现在 TWSTFT 结果中仍存在 13ns 左右的周日变化的剩余系统误差。本文利用中科院转发式 测轨网及国际 TWSTFT 链路数据， 深入研究了 TWSTFT 中各项误差的影响：（1） 大气时延误差：为了避免信号间的相互干扰，双向通信链路的上下频率不同引起 了 TWSTFT 中的大气影响。大气对 TWSTFT 的影响，主要包括两个方面：对流 层和电离层。对流层影响较小，主要用模型来修正，在精度要求不高的情况下， 可以忽略，但随着技术的发展，必须进行详细的研究；电离层影响较大，对于后 处理的 TWSTFT 技术，可以使用 IGS 提供的电离层产品等来修正。在 KU 波段 电离层和 C 波段电离层影响分别约 00.05ns 和 00.7ns，并且具有周日变化特 征。 （2）地面设备时延在 TWSTFT 中的影响：利用转发式测轨网数据，研究了 温度对地面设备时延的影响，结果显示二者基本呈线性变化关系，室外部分时延 随自然环境温度变化具有周日波动的特征。 调制解调器是 TWSTFT 的主要设备， 利用各种地面设备研究了 TWSTFT 中与调制解调器相关的各种误差影响因素， 对某些方面提出了相应的解决方案。 （3）卫星转发器的影响：通过国际 TWSTFT 链路数据研究了卫星转发器对双向时间比对的影响，分析表明：不同的转发器大 大增大了 TWSTFT 周日效应的幅度，转发器时延是引起双向周日变化剩余系统 误差的主要原因。在 TWSTFT 中采用函数拟合法可以基本消除该项的影响。 （4） 卫星运动对 TWSTFT 的影响：地球静止卫星相对于地面做小幅度的周日运动。 在常规的 TWSTFT 计算中，认为卫星静止不动，Sagnac 效应是常数。本文利用 转发式测轨网的精密轨道数据，深入分析了卫星运动对 Sangnac 效应的影响。在 TWSTFT 过程中，由于卫星运动使得信号的几何上下行距离不相等，引起了几 何路径抵消误差。该项误差主要由卫星速度和两站到达信号的时刻差有关。利用 卫星双向时间频率传递及其应用研究 II TWSTFT 观测数据，使用历元间伪距差分计算出卫星与两站视方向的速度和与 信号到达时刻差相乘即可修正卫星运动引起的几何路径时延误差。卫星运动对 Sagnac 效应和上下行几何距离不等的误差影响双向的周日波动范围分别约 0.1ns 和 0.05ns。TWSTFT 中的周日变化误差还可以采用 TWSTFT 与 GNSS 时间传递 数据融合处理技术改善。 GNSS 时间传递是世界上主要时间传递技术之一。 GNSS 具有很好的短期稳定性。卫星双向时间频率传递具有良好的长期稳定性。 TWSTFT 由于造价昂贵，观测时间段少，而 GNSS 由于造价相对较低，设备简 单可以全天时观测。将二者进行数据融合处理，通过使用 Vondrak-Cepek 滤波组 合可以很好的改善 TWSTFT 过程中的周日效应。TWSTFT 的应用越来越广泛， 它的深入研究对诸多领域都有重要的意义。 关键词：关键词：TWSTFT，大气修正，硬件时延，卫星运动，GNSS 时间传递 ABSTRACT I Research on Two-way Satellite Time and Frequency Transfer and Its Application Wu Wenjun (Astrometry and Celestial Mechanics) Directed by Research Professor Li Zhigang Abstract Two-way satellite time and frequency transfer（TWSTFT）is the most accurate mean for remote clock comparison with an uncertainty in time of less then 1ns and with relative uncertainty for frequency of about 1 part in 1014 at averaging times of one day. It has been used to calculate the Coordinated Universal Time （UTC） through ITUs recommendation by 1999. TWSTFT is widely used in time and frequency community，telecommunication administration and satellite navigation system. It has the important significant to many fields for studying the TWSTFT. The signal in TWSTFT is almost symmetrical. It is mostly canceled out for ionosphere delay, troposphere delay and geometrical delay and so on in principal. It is the advantage of TWSTFT and the reason for high accuracy. Along with the development of TWSTFT and the denseness of observation，it is showed that some diurnal variation systematic errors in TWSTFT. It is studied for each error effect in detailed through the data of Transfer Satellite Orbit Determination Net and international TWSTFT links. 1. The atmosphere effect in TWSTFT For avoiding the disturbing, the frequencies are different for up link and down link signals. It results to the atmosphere effect in TWSTFT. This includes ionosphere and troposphere effects. The troposphere effect is very small. It can be modified by troposphere models. If the time comparison accuracy is not high， it can be ignore. The ionosphere effect is obvious. It can used the ionosphere product of IGS to modify the error for after-processing technology. 2. The equipment time delay in TWSTFT The equipment time delay is the major error source. The equipments delay is closely relation with temperature variation. It is showed that the equipment delay 卫星双向时间频率传递及其应用研究 II variety with temperature is linear in the normal temperature. The modem is the major equipment in TWSTFT. It is studied for each error effect related with modem. The resolution is proposed. 3. The satellite transfer effect It is studied in detailed for the satellite transponder by the data of international TWSTFT links. It is analysis that different satellite transponder can highly increase the amplitude of diurnal variation. 4. The satellite motion effect in TWSTFT The geostationary satellite is not absolutely stationary，but it dose the diurnal motion that the amplitude is small. It is regarded as stationary for geostationary satellite and the Sagnac effect is constant in conventional method. It is studied the effect of satellite motion to TWSTFT in detailed through the data of Transfer Satellite Orbit Determination Net. Satellite motion is a kind of the incomplete reciprocity and can result that the uplink geometry paths arent equal to the downlink geometry paths. Satellite motions correction depends on the sum satellite velocity at sight direction and time difference between the signal from two stations arrive at the satellite. It is corrected the effect by the pseudorange difference between the epochs method. 5. The combination of GNSS time transfer and TWSTFT The GNSS has been the major time transfer technology form 1980s. The short-term stability of GNSS is better than TWSTFT，but the long-term stability of TWSTFT is better than the GNSS. The TWSTFT equipment is very expensive and the observation data is fewer than GNSS，but the GNSS equipment is cheap and the observation data is more than the TWSTFT. It can decrease the amplitude of diurnal variation through the method of combination of GNSS time transfer and TWSTFT using Vondrak-Cepek filter. keywords: TWSTFT，atmosphere delay，equipment delay，satellite motion，GNSS time transfer，TWSTFT application 目录 I 目录目录 第一章 绪论.1 1.1 引言.1 1.1.1 时间的概念1 1.1.2 远距离时间频率传递2 1.2 TWSTFT 的发展及其国内外现状4 1.3 研究目的与意义.6 1.4 本文主要研究内容7 第二章 卫星双向时间频率传递原理.9 2.1 时间频率传递技术.9 2.2 ITU 有关卫星双向时间频率传递的决议9 2.3 卫星双向时间频率传递基本原理.10 2.4 卫星双向时间频率传递中的系统误差源.12 2.5 国际卫星双向时间频率传递网.13 2.5.1 欧洲 TWSTFT 网络链路.13 2.5.2 亚太地区 TWSTFT 网络链路14 2.5.3 北美洲 TWSTFT 网络链路14 2.6 地球静止轨道卫星15 2.6.1 地球静止轨道轨道卫星的通信功能.15 2.6.2 地球静止轨道轨道卫星的运动特征.15 2.7 卫星业务的频率分配.16 2.8 本章小结.17 第三章卫星双向时间频率传递的系统构成.18 3.1 卫星双向时间频率传递的基本系统.18 3.2 原子钟.19 3.3 甚小口径天线终端.19 3.3.1 结构组成.20 3.3.2 天线口径.21 3.4 调制解调器.21 3.4.1 MITREX2500 22 3.4.2 SATRE Modem23 3.4.3 其他调制解调器.24 3.5 链路计算24 3.6 本章小结27 第四章 大气误差修正.28 4.1 对流层.28 4.1.1 大气毫米波传播模型.29 4.1.2 Marini 模型31 4.2 电离层误差.31 4.2.1 IGS 电离层总电子含量图 32 4.2.2 双频电离层改正.35 卫星双向时间频率传递及其应用研究 II 4.3 本章小结38 第五章 仪器误差对 TWSTFT 的影响.39 5.1 温度对设备时延的影响.39 5.1.1 室内部分的设备时延温度变化.39 5.1.2 室外部分的设备时延温度变化.41 5.2 与调制解调器相关的误差.43 5.2.1 不同码速率的影响.43 5.2.2 不同码之间的干扰.46 5.2.3 迟早锁相环跟踪误差.49 5.2.4 载噪比对时间比对的影响.50 5.2.5 信号频率对时延的影响.51 5.3 卫星转发器不稳定的影响.52 5.4 本章小结.57 第六章 地面站设备时延的校准.58 6.1 卫星模拟器.58 6.2 移动标校站.63 6.3 GNSS 校准64 6.4 本章小结.64 第七章 地面站及其卫星运动误差修正.66 7.1 Sagnac 效应66 7.1.1 Sagnac 效应产生的原因.66 7.1.2 Sagnac 效应算法及其在 TWSTFT 中的修正67 7.1.3 静止轨道卫星的运动.70 7.1.4 Sagnac 效应实际计算分析.71 7.2 卫星运动的影响.73 7.2.1 卫星运动的影响的原理.73 7.2.2 卫星运动影响的消除.74 7.3 卫星机动对 TWSTFT 的影响76 7.4 非静止轨道卫星的双向时间比对.77 7.5 运动中的双向时间比对.78 7.6 本章小结.79 第八章 GNSS 时间传递及其与 TWSTFT 融合处理方法.80 8.1 GNSS 单向授时80 8.2 GNSS 共视法与全视法82 8.3 GPS 精密单点定位时间比对.85 8.4 GNSS 与 TWFTFT 的融合处理88 8.5 本章小结.94 第九章 总结与展望.95 9.1 本文的主要工作与创新点.95 9.2 进一步工作展望.96 参考文献.98 攻读博士学位期间完成的主要工作.104 致 谢 106 图表目录 I 图表目录图表目录 图 1.1 时刻与时间段的关系示意图.1 图 1.2 UTC 产生示意图2 图 1.3 世界上主要的卫星双向时间比对链路6 图 2.1 卫星双向时间频率传递原理图11 图 3.1 TWSTFT 主要设备组成图 .18 图 3.3 MITREX2500 设计框图 .23 图 3.4 带有下变频器的单通道 SATRE 设计框图.24 图 3.5 SATRE 抖动随信噪比的变化图26 图 4.1 MPM 模型对流层延迟随频率的变化图.30 图 4.2 总电子含量示意图.32 图 4.3 IGS 给出的一幅全球电离层总电子含量图 33 图 4.4 电离层穿刺点四点网格内插图34 图 4.9 IGS 电离层修正 KU 波段昆明西安 TWSTFT 链路电离层时延误差结果 .35 图 4.6 IGS 电离层修正 C 波段长春西安 TWSTFT 链路电离层时延误差结果.36 图 4.7 IGS 电离层修正 C 波段昆明西安 TWSTFT 链路电离层时延误差结果.36 图 4.8 IGS 电离层修正 C 波段乌鲁木齐西安 TWSTFT 链路电离层时延误差.36 图 4.10 2011 年 11 月 11 日双频修正 C 波段电离层时延误差结果.38 图 4.11 2011 年 11 月 12 日双频修正 C 波段电离层时延误差结果38 图 5.1 Modem 对 Modem 直连结构图39 图 5.2 单台 SATRE 发射通道时延随温度的变化.40 图 5.3 单台 SATRE 接收通道时延随温度的变化.40 图 5.4 地面 A 站发射通道与接收通道时延总和与温度随时间的变化.42 图 5.5 地面 B 站发射通道与接收通道时延总和与温度随时间的变化.42 图 5.6 地面 C 站发射通道与接收通道时延总和与温度随时间的变化.42 图 5.7 地面 A 站发射通道与接收通道时延总和随温度的变化关系.43 图 5.8 地面 B 站发射通道与接收通道时延总和随温度的变化关系.43 图 5.9 20MHz 码速率转发式测轨网主站与 A 副站时间比对精度.44 图 5.10 20MHz 码速率转发式测轨网主站与 B 副站时间比对精度.44 图 5.11 2.5MHz 码速率 NICT 与 PTB 时间比对精度.45 图 5.12 2.5MHz 码速率 USNO 与 PTB 时间比对精度.45 图 5.13 不同码速率地面站设备时延.46 图 5.14 地面站测量精度随码速率的变化关系图46 图 5.15 码序列长度相同结构不同地面站时延测量结果47 图 5.16 5MHz 码速率时 7、10、20 和 30 号短码对 6 号短码产生的干扰.47 图 5.17 20MHz 码速率时 6、7、8 和 8 号长码对 3 号长码产生的干扰.48 图 5.18 不同频偏对各长度相同序列结构不同码之间的干扰.49 图 5.19 SATRE 延迟锁定环结构图49 图 5.20 三种 DLL 的理论鉴相 S 曲线.50 图 5.21 信号接收功率与信噪比的关系.51 图 5.22 SATRE 时延与频率随时间的变化.51 卫星双向时间频率传递及其应用研究 II 图 5.22 地面站时延与频率随时间的变化51 图 5.23 SATRE 时延随频率的变化.52 图 5.24 地面站时延随频率的变化52 图 5.26 五个时频实验室地理位置分布53 图 5.27 NTSC 与 PTB 卫星双向时间比对结果.54 图 5.28 NICT 与 PTB 卫星双向时间比对结果.54 图 5.28 NICT 与 PTB 卫星双向时间比对结果.55 图 5.30 欧亚两链路分别与 PTB 双向时间比对残差图.55 图 5.29 USNO 与 PTB 卫星双向时间比对结果.56 图 5.30 NICT 与 PTB 卫星双向时间比对结果56 图 5.31 TL 与 NICT 卫星双向时间比对结果57 图 6.1 使用卫星模拟器测量地面站发射和接收通道时延和58 图 6.2 使用卫星模拟器测量地面站接收通道和校准设备时延和60 图 6.3 测量地面站发射通道和校准设备时延和61 图 6.4 测量接收62 图 6.5 奥地利 TUG 移动站校准结果.63 图 6.6 GPS 校准 TWSTFT 地面设备时延64 图 7.1 地面站向卫星发射信号.66 图 7.2 卫星向地面站发射信号.67 图 7.3 Sagnac 的基本公式68 图 7.4 鑫诺一号卫星星下点轨迹图.70 图 7.5 亚太一号卫星星下点轨迹图.70 图 7.6 利用鑫诺一号进行上海与喀什双向时间比对时的 Sagnac 效应校正结果71 图 7.7 利用鑫诺一号实现长春与三亚双向时间比对时的 Sagnac 效应校正结果72 图 7.8 利用亚太一号进行上海与喀什双向时间比对时的 Sagnac 效应校正结果72 图 7.9 利用亚太一号实现长春与三亚双向时间比对时的 Sagnac 效应校正结果72 图 7.10 卫星运动产生误差原理73 图 7.11 利用鑫诺一号进行西安上海 TWSTFT 比对时卫星运动引起的误差.75 图 7.12 利用鑫诺一号进行西安乌鲁木齐 TWSTFT 比对时卫星运动引起的误差.75 图 7.13 动力统计学与历元间伪距差分速度解算比较.76 图 7.14 卫星机动对卫星到两站视方向速度和的影响.76 图 7.14 卫星机动对 TWSTFT 的影响.77 图 7.15 亚太 1 号卫星与西安和乌鲁木齐两站的视向速度和78 图 8.1 位置地面位置单向授时观测原理图81 图 8.2 共视时间传递原理图82 图 8.3 GPST 与 IGST 中的误差演进示意图.84 图 8.4 全视观测原理图85 图 8.5 精密单点定位解算的 PTB 钟差87 图 8.6 精密单点定位解算的 PTB 钟差.87 图 8.7 精密单点定位解算的 NIST 钟差87 图 8.8 精密单点定位解算的 USNO 钟差88 图 8.9 PPP 解算 PTB 与 USNO 的钟差.88 图 8.10 PPP 解算 PTB 与 NIST 的钟差.88 图 8.11 2011 年 2 月 18 日 TWSTFT 与 PPP 分别解算的 USNU 与 PTB 的钟差89 图表目录 III 图 8.12 TWSTFT 与 PPP 分别解算的 USNU 与 PTB 的钟差.89 图 8.14 TWSTFT 与 PPP 融合结果图93 图 8.15 PPP 钟差变化率与 TWSTFT 融合结果图.93 表 2.1 ITU 无线电频谱划分.16 表 2.2 卫星常用频段划分.16 表 4.1 大气毫米波传播模型输入参量表.30 表 5.1 三种延迟锁定环性能.49 表 5.2 TWSTFT 中各误差项的周日变化幅度 55 表 7.1 两站上行信号各种误差源对到达卫星时刻差的影响.74 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 1.1 引言 1.1.1 时间的概念时间的概念 时间是国际基本单位制中七个基本单位之一， 时间单位的定义和测量是历史 最悠久、情况最复杂、测量精度最高的一个基本单位（漆贯荣，2006） 。 时间概念的产生经历了一个漫长的阶段。世界上一切事物的产生、发展和消 亡，都是和时间紧密联系在一起的，没有任何一种事物能够与时间毫无关系。人 们通常所谈到的时间，一般有两种含义：一种是时刻的含义，即它所表示的是某 一事件发生的瞬间。有了这种概念，人们就可以根据时刻区分两件事件发生的前 后次序。时间的另一种含义是时间间隔。它所表示的是发生在不同时刻的两件事 之间的时间间域或某一过程持续时间的长短，如图 1.1 所示为时刻与时间间隔关 系。人们一直寻找稳定并可以重复的运动来作为计时的工具。计时学的发展主要 经历了三个阶段：原始测量阶段、天文测量阶段和电子测量阶段。原始测量阶段 主要是依靠简单的自然现象或事件来进行时间的计量， 比如人类依靠日升日落形 图 1.1 时刻与时间段的关系示意图 成了天的概念，日出而作，日落而息，这是最直观的时间概念，人们还可以在墙 上或其它什么地方每天划一道痕迹的办法来计算天数， 也可能利用在绳上打结的 方法来记日期；天文测量阶段人们主要根据日月星辰运动规律来计量时间，比如 依据地球的自转定义的真太阳时以及平太阳时和依据地球公转定义的历书时等； 电子测量阶段人们主要依据精密的电子仪器来计量时间， 比如依据压电效应产生 的晶体振荡器和依据原子能级间跃迁产生的原子钟等。 目前所用的标准时间是协 调世界时（Coordinated Universal Time，UTC） ，它是电子测量技术与天文测量技 术的融合，具有原子时与世界时的共同优点，原由国际时间局（BIH）发布，自 从 1998 年由位于法国巴黎附近的国际权度局（BIPM）发布。它产生的具体过程 卫星双向时间频率传递及其应用研究 2 是首先由位于世界各地时频实验室的商品原子钟计算出自由原子时（EAL） ，然 后使用某些实验室性能更好的的基准频标（PFS）对 EAL 进行校准，产生国际 原子时（TAI） ，TAI 与由地球自转服务（IERS）公布的和天文有关的世界时 （Universal Time，UT1）相结合，用闰秒的方式最后产生 UTC，UTC 由 BIPM 对外公布，其形成过程如图 1.2 所示。 图 1.2 UTC 产生示意图 1.1.2 远距离时间频率传递远距离时间频率传递 计时进入电子测量阶段后，计时工具是不同的物理实体，不同的钟具有不同 的属性。随着生产的发展和科学的进步，人们对时间的准确度以及各钟之间的时 间同步精度要求越来越高。远距离时间同步的技术主要有搬运钟、GNSS 时间传 递和卫星双向时间比对等手段。除此之外，还有光纤时间传递和激光时间传递等 其他手段。 （1）搬运钟：搬运钟时间比对的目的是对 A、B 两台钟的时间进行比对， 选取搬运钟 M 作为媒介进行。该方法的实施程序为：首先将搬运钟 M 与 A 钟进 行本地时间比对，然后将搬运钟 M 搬运至 B 处与 B 钟进行本地时间比对，为了 检验实验的可靠性，搬运钟 M 在 B 处时间比对实验完成后再搬回 A 处，与 A 钟 进行闭环的比对实验，若搬运钟 M 与 A 钟前后两次的实验误差范围可以接受， 认为实验成功可靠，最后将钟 A、B 分别与搬运钟 M 时间比对的实验的结果相 减，直接得到 A、B 两钟的钟差。在钟的搬运过程中，要保持搬运钟不断电并持 第一章 绪 论 3 续工作。运输工具可以是汽车，也可以是飞机。1967 年，美国惠普公司和史密 松天文台进行了国际上的第一次搬运钟实验。1971 年美国海军天文台进行了第 一次环球飞机搬运钟实验。1984 年，我国中国科学院国家授时中心（原陕西天 文台） 和美国海军天文台以及其他国家级时间实验室之间进行了搬运铯原子钟的 实验。但是，后来由于这种实验程序复杂，逐渐被其他时间传递技术所代替。 （2）GNSS 时间传递：GNSS 时间传递有多种技术途径，分别为单向法、 共视法、全视法和精密单点定位(PPP)法等。单向法是指接收机直接接收来自卫 星的导航信号来解算地面时间与 GNSS 系统时间的差值。 单向法分为地面站位置 已知和地面站未知两种情况，第一种只需要观测一颗导航卫星，第二种至少需要 观测四颗导航卫星。这种方法简单、成本低廉，快捷简便，但是由于卫星钟与系 统时间之间钟差、卫星星历误差、大气误差、接收机误差等因素，精度较低，不 能满足高精度用户的技术需求； 共视法是二个地面站共同观测同一颗导航卫星进 行单向时间传递并将单向时间传递结果相减得到两地面站之间的钟差。 由于观测 的是同一颗导航卫星， 因此卫星钟与系统时间之间钟差彻底消除， 卫星星历误差、 大气误差等部分抵消， 大大地提高了两站时间比对的精度。 这种方法自提出之后， 很快成为国家级时频实验室高精度时间传递的主要技术手段。但是，该方法实验 时两地面站必须对同一颗导航卫星可见，并且随着两站基线的增加，大气误差相 关性越来越差等因素，在某种意义上限制了该技术的推广应用；随着 IGS 组织 的发展，它可以提供 35 厘米的卫星轨道精度以及 0.10.2 纳秒的卫星钟差。 双频测地接收机的普及对于实时消除由于电离层引起的传播误差比利用模型改 正有很大程度的提高。不仅如此，其它误差修正方面也有很大程度的改进，以这 些技术为基础，全视法以及精密单点定位方法有了很大的发展，时间比对的精度 比上述两种方法有了明显的提高。从 2006 年开始全视法已经在计算 UTC/TAI 方 面替代了共视法。精密单点定位技术也已经有了广泛的应用。 （3）卫星双向时间频率传递：卫星双向时间频率传递是指两地面站同时向 卫星发射调制时间信号，经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信息，两地面 站将接收的信号互换后相减，得到两站之间高精度的时间钟差。在卫星双向时间 比对的过程中， 由于信号是相互的， 原则上传播路径引起的误差很大程度的抵消， 时间比对精度很高，它广泛的应用于时频和卫星导航等领域。 卫星双向时间频率传递及其应用研究 4 （4）其他时间传递技术：目前，其他时间传递技术主要有光纤时间传递和 激光时间传递等。自 1970 年光纤损耗方面和半导体激光器的性能方面取得重大 突破之后，光纤通信进入了使用阶段（梁双有等，2003） 。光纤传输具有容量大、 速度快，温度系数小、稳定性好、损耗低等优点。因此，光纤时间传递是一种可 行的时间传递技术手段。 激光时间传递技术是通过激光脉冲在空间的传播来实现 地面与卫星时钟或地球上远距离两地时钟的同步，它具有很高的准确度和稳定 度。一些国家已经成功进行了激光时间传递实验，结果证明利用激光进行时钟之 间的同步是行之有效的（李鑫等，2004） 。目前，激光时间比对的精度为几十皮 秒的量级。激光时间传递的缺点是受天气条件限制，不能全天候工作。 1.2 TWSTFT 的发展及其国内外现状 1.2 TWSTFT 的发展及其国内外现状 从 1957 年苏联第一颗人造卫星上天，人们就注意到用人造卫星进行时间传 递的可能性。显然，用人造卫星作为媒介特别适用于远距离时间传递。1960 年 8 月，美国海军天文台（USNO）用回声 1 号（ECHO1）首次进行单向法时间比对， 由于卫星单向法时间比对受到多种路径时延的影响， 无法准确计算从观测站到卫 星之间的路径时延，最终的单向法时间比对观测结果很不理想，但是，这次单向 法时间比对具有及其重要的意义，它是利用卫星进行时间远距离传递的首次尝 试。1962 年，横跨大西洋的美国和英国之间使用 Telstar 卫星进行第一次卫星双 向时间频率传递实验。尽管由于实验的对称性抵消了很大一部分路径时延误差， 但是因为当时通信技术不发达、设备造价昂贵以及政策法规等问题，卫星双向时 间频率传递并没有成为常规的时间比对手段。 1949 年，联邦电信实验室的德罗萨和罗戈夫提出了兼有似噪声信号和相关 检测的通信系统并利用 10kHz 的直接序列码扩频在新泽西至加利福尼亚的通信 线上并成功的运转。接下来的几年，扩频技术在美国军方得到了很快的发展与应 用。 扩频通信的基本理论根据是信息理论中的香农信道容量公式： 2 log (1) S CB N =+ （1.1） 其中：C信道容量，单位为 b/s； B信道带宽，单位为 Hz； 第一章 绪 论 5 S信号功率，单位为 W； N噪声功率，单位为 W 。 香农公式表明了一个信道无差错传输信息的能力同存在于信道中的信噪比 以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。当信噪比一定时，信号传输时的带宽 越宽，信号的信道容量越大。扩频通信系统是将待传输信息信号的频谱用某个特 定的扩频函数（与待传输的信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号进行数据通信 的系统。码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）是由扩频理论和技 术引出的一种完全不同于频分多址 （Frequency Division Multiple Access， FDMA） 和时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的方法。 CDMA 不是企 图分配互不相同的频带资源或时间资源， 而是把所有的频率资源和时间资源全部 分配给同时接受服务的所有用户， 但把每个用户的输出功率控制在达到最低性能 要求所要保持的信噪比上。 每个用户采用一个噪声式的带宽信号并可以任意长时 间地占有整个给定的频带， 即在任意时间多个用户可以使用同一频率的信号进行 通信。扩频调制解调器是卫星双向时间频率传递中的核心设备。1983 年，德国 斯图加特大学的 Dr. Hartl 教授首次成功开发了用于卫星双向时间频率传递的扩 频调制解调器。该扩频调制解调器使用的是截断的最长序列，码速率为 2MHz。 1985 年， Dr. Hartl 教授及其团队对调制解调器进行了改进， 扩充了码序列数且将 码速率增加到 2.5MHz 提升了该设备的性能。后来，许多国家的相关时频实验室 都研究了专用于卫星双向时间频率传递的调制解调器， 德国的调制解调器也随着 通信技术的发展又进行了相应的改进。 随着微波器件、微波集成、大规模集成电路、微处理机以及数据处理技术的 发展，甚小口径终端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）于 20 世纪 80 年代 最先在美国兴起，发展速度很快，它是一种天线口径很小的卫星通信地球站，又 称微型地球站或小型地球站。另一方面，由于管理水平的不断提高，许多专业部 门和大型企业集团对通信尤其是数据通信的需求日益迫切， 要求通信系统覆盖范 围大、组网迅速灵活、具有多址接入的市场业务需求的推动，VSAT 也得到了快 速的发展与应用。VSAT 天线直径很小，具有设备结构紧凑、固体化、智能化、 价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高，且不受地面网络的限制，组网灵活 等特点。VSAT 系统由室外单元和室内单元组成。室外单元即射频设备，包括小 卫星双向时间频率传递及其应用研究 6 口径天线面、上下变频器、低噪放和功放；室内单元即中频及基带设备，包括调 制解调器、编译码器等，其具体组成因业务类型不同而略有不同。 卫星的发射、 扩频通信以及 VSAT 技术的发展是卫星双向时间频率传递实验 成为常规高精度时间传递手段的技术前提。1986 年，美国的 NIST 使用 6.1 米和 1.8 米地面天线系统进行了 KU 波段的卫星双向时间频率传递实验并取得了良好 的结果。 同年， 美国的 NIST 和 USNO 之间开始了常规的卫星双向时间频率传递。 20 世界 90 年代，世界上越来越多的双向比对链路建立起来。从 1999 年 7 月卫 星双向时间频率传递开始正式用于 UTC/TAI 的计算。1998 年 10 月中国科学院 国家授时中心开通了中日两地间的 TWSTFT 比对；为了保持我国在时间频率传 递领域与国际先进水平接轨， 发挥 NTSC 在国际原子时和全球 TWSTFT 中的作 用，NTSC 在加入亚太地区 TWSTFT 比对链的同时，也在积极开展与欧洲的 TWSTFT 链接， NTSC与德国PTB链路被正式用于国际原子时UTC/TAI的归算。 目前，世界上的卫星双向时间频率传递主要有欧洲双向网、北美双向网与亚太双 向网三个子网组成，如图 1.3 所示。 图 1.3 世界上主要的卫星双向时间比对链路 1.3 研究目的与意义 1.3 研究目的与意义 时间频率作为一个重要的基本物理量在国民经济、 国防建设和基础科学研究 中起着越来越重要作用。时间频率是目前最准确的基本物理量，准确度已经进入 10 -15量级。许多其他物理量，例如长度的米、电学的电压都成为由时间频率导出 的导出量。近十几年来的诺贝尔物理奖有三个和时间频率标准有关。现代化的卫 星导航技术也是建立在高准确度的时间频率技术基础之上。 时间频率传递是时频 第一章 绪 论 7 领域重要的一个组成部分，它不仅用来评定不同钟的性能与可靠性，也用来同步 不同时钟频率源以满足各种技术发展的需求。 卫星双向时间频率传递被看作是目 前世界上远距离钟比对最准确的技术之一。 卫星双向时间频率传递过程中，信号的传播路径是近似对称的，很大程度上 抵消了路径时延误差引起的干扰，这是该技术本身的优势，也是能够取得高精度 时间比对的根本原因。但是，在目前的 TWSTFT 结果中发现存在着明显的周日 变化效应， 仍然有一部分系统误差需要深入研究， 以提高该技术时间比对的精度。 例如，设备时延误差一直是 TWSTFT 过程中的重要误差源，该项误差需要进一 步探讨。卫星双向时间频率传递常规上使用的是地球静止卫星，但是地球静止卫 星的精密定轨一直是一个世界性的难题。中国科学院国家授时中心在基于 TWSTFT 的基础上发展了转发式测定轨技术，大大提高了静止卫星定轨的精度。 卫星定轨精度的提高，可以更加精确的修正由于地球自转引起的 TWSTFT 过程 中的误差。由于卫星的运动，引起了 TWSTFT 过程中上下行几何距离的不相等， 这也给时间比对带来了误差影响。研究卫星运动对 TWSTFT 的影响，不仅能够 提高利用地球静止卫星进行 TWSTFT 时间比对时的精度，还能为使用非地球静 止卫星进行双向时间比对提供有益的参考。除上述因素外，还有其他方面的时延 误差需要更加详细的考虑，以提高时间比对的精度。 时间是全球卫星导航系统（GNSS）的核心，同时全球卫星导航系统也为高 精度授时和时间传递提供了可靠的手段。它与 TWSTFT 是两种完全独立的时间 比对方式，它们可以互相评估。最近新的 GNSS 时间传递技术，比如，GPS 全 视、P3 和精密单点定位时间传递以及 GLONASS 时间传递方式，都是使用 TWSTFT 来比对验证的。GNSS 的短期稳定度高，而 TWSTFT 的长期稳定度优 于 GNSS 技术。 研究两种技术的数据融合处理具有重要的意义， 能够提高时间比 对的稳定度与可靠性，这也是本文的研究内容之一。 1.4 本文主要研究内容 1.4 本文主要研究内容 本文首先深入研究了卫星双向时间频率传递技术中的各种系统误差修正方 法，然后阐述了目前卫星导航系统时间传递技术并研究其与 TWSTFT 的融合处 理，最后研究推广 TWSTFT 在某些领域的应用。具体如下所述： 卫星双向时间频率传递及其应用研究 8 第一章阐明了时频和时间传递技术概念，重点总结了 TWSTFT 的发展历史 以及国内外研究现状，说明了本文的研究目的和意义，最后介绍了论文的研究思 路与结构安排。 第二章给出了 TWSTFT 的基本原理与时间比对观测方程，讨论了 TWSTFT 过程中的主要误差源和所使用卫星的特征。介绍了目前国际电信联盟（ITU）对 TWSTFT 的相关建议和欧洲、美洲、亚洲的主要卫星双向时间比对链路。最后 给出了 ITU 的频谱分配标准。 第三章介绍了 TWSTFT 系统的组成，重点介绍了原子钟、甚小口径天线终 端、 调制解调器等设备的结构及其性能并讨论了卫星双向时间比对通信链路的技 术要求。 第四章讨论了卫星双向时间频率传递过程中的大气误差修正， 大气误差主要 包括对流层和电离层两个方面的影响。 详细分析了对流层和电离层的影响及其修 正方法。 第五章针对卫星双向时间频率传递的硬件误差时延， 研究了温度对设备时延 的影响、调制解调器相关的时延误差影响以及卫星转发器不稳定的影响。在某些 方面，提出了消除或减弱设备时延误差影响的技术途径。 第六章讨论了 TWSTFT 地面站设备时延校准技术，主要包括卫星模拟器、 地面移动标校站和 GNSS 标校等手段。 第七章利用中国科学院国家授时中心转发式卫星测定轨技术确定的精密地 球静止卫星轨道，深入研究了 Sagnac 效应对 TWSTFT 的影响，提出了利用历元 间伪距差分来修正由于卫星运动引起的 TWSTFT 过程中误差的方法，讨论了卫 星机动过程对于 TWSTFT 的影响，探讨了利用非地球静止卫星进行