（信号与信息处理专业论文）卫星双向时间频率比对系统的建立.pdf

j 摘要 独创性声明 洲rr l lr l li i ii l li ii iij 17 8 9 0 8 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 明是最适用 率不确定度 能相应达到1x1 01 5 量级。在建立卫星双向时间频率比对系统的过程中，本课题主要完成了 三方面内容：一、建立了卫星地面站；二、调试地面站完成比对试验；三、处理比对数据。 课题完成后，卫星双向比对技术将用于时间频率基准铯原子喷泉钟和原子守时实验室参加国 际原子时合作。论文由以下五部分组成： 第1 章对本文的课题背景、国内外研究现状进行简单介绍。 第2 章介绍卫星双向比对的基本原理。 第3 章介绍卫星双向比对中误差的来源，主要包括电离层延迟、对流程延迟、本地延 迟，以及如何对误差进行评估。 第4 章介绍卫星地面站的搭建及其设置。 第5 章介绍i t u rt f 1 1 5 3 建议的有关内容以及依据此建议编写的数据交换文件生成 程序和数据交换文件处理程序。 关键词：时间频率；卫星双向时间频率比对系统 a b s t r a c t t w o w a y s a t e l l i t et i m ea n d f r e q u e n c yt r a n s f e r ( t w s t f t ) u s i n gg e o - s t a t i o n a r y t e l e c o m m u n i c a t i o ns a t e l l i t e sh a sb e e np r o v e nt ob et h em o s ta p p r o p r i a t em e a n so fc o m p a r i n gt i m e s c a l e sa n da t o m i cf r e q u e n c ys t a n d a r d sw i t ha nu n c e r t a i n t yi nt i m eo fl e s st h a ni n sa n dw i t h r e l a t i v eu n c e r t a i n t yf o rf r e q u e n c yo fa b o u t1p a r ti n10 1 5a ta v e r a g i n gt i m e so fo n ed a y i np r o c e s s o fe s t a b l i s h i n gt w s t f ts y s t e m ，t h r e ew o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i sp r o j e c t ：t h ef i r s tw o r ki st o e s t a b l i s hs a t e l l i t eg r o u n ds t a t i o n ；t h es e c o n di st od e b u gt h eg r o u n ds t a t i o na n df i n i s ht w s t f t t e s t ；t h et h i r di st of i n i s hd a t ap r o c e s s i n g t w s t f ts y s t e mw i l lb eu s e dt os u p p o r tt i m ek e e p i n g a n dp r i m a r yf r e q u e n c ys t a n d a r di nn i mt ot a k ep a r ti ni n t e r n a t i n a ia t o m i ct i m ec o o p e r a t i o n t h e d i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da sf i v ep a r t s ： c h a p t e r1s i m p l e l yi n t r o d u c e sb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dl e a d i n ge d g e c h a p t e r2i n t r o d u c e st w s t f tf u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s c h a p t e r3 i n t r o d u c e se r r o rs o u r c e si nt w s t f t - i n c l u d i n gi o n o s p h e r i cd e l a y , t r o p o s p h e r i c d e l a y , l o c a ld e l a y , a n dh o wt oe s t i m a t et h e s ee r r o r s c h a p t e r 4i n t r o d u c e st h ee s t a b l i s h m e n to ft h es a t e l l i t eg r o u n ds t a t i o na n di t ss e t u p c h a p t e r5 i n t r o d u c e st h ec o n t e n ta b o u ti t u - rt el15 3a n dp r o g r a m m i n gf o rg e n e r a t i n g e x c h a n g ed a t af i l ea n df o rp r o c e s s i n ge x c h a n g ed a t a f i l e k e y w o r d s ：t i m ea n df r e q u e n c y ；t w s t f t go i 一i i i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 卫星双向比对国内外研究现状1 1 2 1 国际研究现状1 1 2 2 国内研究现状3 1 3 课题来源及课题意义3 1 3 1 课题来源3 1 3 2 课题意义3 1 4 本文主要研究内容一4 第2 章卫星双向比对的基本原理5 2 1 卫星双向比对的优点5 2 2 卫星双向比对的原理6 2 2t w s t f t 调制解调器”7 2 2 1 信号流程8 2 2 2 调制解调器9 2 3 小结1 0 第3 章误差分析1 1 3 1 设备时延误差1 1 3 2 误差分析1 l 3 2 1 设备时延误差1 1 3 3 卫星和地面站运动引起的误差1 6 3 3 1 两站到卫星的距离不等引起的误差1 6 3 3 2 两站钟面时4 i 同步引起的误差1 7 3 3 3s a g n a c 效应误差一1 8 3 3 4 具体计算( 以静止同步卫星为例) 2 1 3 4 小结2 3 第4 章卫星双向比对系统的硬件安装和配置2 4 4 1 设备简介2 4 4 2 安装卫星地面站2 5 4 3 卫星双向比对系统的配置2 7 4 4 小结3 0 第5 章卫星双向数据处理软件3 1 5 1m o d e m 中有关数据保存的设置和数据下载3 1 5 1 1 数据文件3 2 5 1 2 数据下载3 6 5 2 数据交换文件生成程序3 6 5 2 1 数据文件应记录的信息3 6 5 2 2 数据文件中的数据格式3 8 5 2 _ 3 数据的提取和处理3 9 5 3 数据交换文件处理程序4 1 5 3 1t w s t f t 及其传递信号“4 1 5 _ 3 2 由非对称凶素引入t w s t f t 的系统不确定度4 4 5 3 3t w s t f t 测量数据与本地测量数据的结合”4 4 5 3 4 软件编写4 5 结论4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 2 致谢5 3 一 i v 1 1 课题背景 第1 章绪论 使用地球同步通讯卫星进行的卫星双向时间频率传递 1 1 ( t v v s t f t ， t w o w a ys a t e l l i t et i m ea n df r e q u e n c yt r a n s f e r ) 已经被证明是最适用于时标和原 子频率基准比对的方法，它的时间不确定度小于i n s ，一天的相对频率不确定度 能相应达到l x l o 1 5 量级【2 5 】。这也是t w s t f ，i 被世界各地守时实验室广泛使用的原 因。位于法国巴黎的国际计量局( b i p m ，b u r e a ui n t e r n a t i o n a ld e sp o i d se t m e s u r e s ) 大量使用通过t w s t f t 网络测量的数据计算国际原子时【3 】( t a i ， i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e ) 和世界协调时( u t c ，c o o r d i n a t e du n i v e r s a it i m e ) 。 t w s t f ，i 的理论稳定度能提高到l o p s ，并可能在今后实现【4 】。最新的报告显示，通 过t v v s t f t 方法测量的数据占到t a l 计算数据总量的7 0 6 , 7 】。 1 2 卫星双向比对国内外研究现状 1 2 1 国际研究现状 现代高精度的时间比对技术是随着技术的进步和时间服务精度的不断提高 而逐步发展起来的。1 9 0 5 年美国首先实现了无线电授时，解决了大范围时间覆 盖的问题，其时间比对精度为毫秒量级。短波无线电授时持续了约半个多世纪。 1 9 5 8 年，罗兰c ( l o r a n c ) 导航台链开始工作8 ，它的时间同步精度达到微 秒量级。但是，该系统覆盖范围有限，精度远远满足不了现代科学研究和航天发 展的需要。自人造卫星上天之后，利用卫星传输时间频率信号进行时间比对得到 了广泛重视，人们开始把目光注意到卫星时间频率传递上。1 9 6 0 年，首次采用 e c h oi 卫星做单向时间传递试验，因时延无法准确测定，结果很不理想。1 9 6 2 年美国海军天文台( u s n o ) 和n r l ( 现n p l ，n a t i o n a lp h y s i c a ll a b o r a t o r y ) 用 t e l s t a r 卫星做了跨大西洋的时间比对试验；1 9 6 5 年u s n o 和r r l ( 现c r l ， c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 用r e l a yi i 卫星做了跨太平洋的时间比 对试验，当时的比对精度达到0 1 1 n s 。随着扩频技术和伪随机码技术的应用， 时间比对精度大大提高，现在卫星双向时间比对的精度已达到几百皮秒。与 g p s 共视法相比，1 、，s t f t 的比对精度高约1 个数量级，并且需要的观测时间短； 但是它的自动化程度低，操作比较麻烦，而且设备昂贵，因此很难得到广泛应用。 目前欧 秒l i 8 个和美国2 个时间实验室租用国际通信卫星_ ( i n t e l s a t7 0 6 ) ，每 周一、三、五u t c1 4h 开始进行时间比对，其中3 0m i n 用于欧洲内部实验室之 间的比对，再3 0m i n 用于欧洲和美国实验室之间的比对，每个时段比对2m i n ， 间隔1h 【1 0 ，1 1 1 。亚太地区则租用i n t e l s a t l 7 7 ( c r l 与n m l ，即n a t i o n a l m e a s u r e m e n tl a b o r a t o r y 之间) 和j c s a t - - 3 - p _ 星( c r l 与中国科学院国家授时中 一c , i i p n t s c 、c r l 与日本国家计量研究所即n r m l 之间) 进行时间比对【1 2 1 。现在已 有1 2 条卫星双向链正式参加国际原子时( t a i ) 的计算，伺期的g p s 共视法资料作 为备用。根据国际计量周j ( b i p m ) 的建议，在现有g p s 共视法的基础上，希望有 条件的国家和地区建立全球的卫星双向比对链。因此，今后将有更多的双向比对 链参加t a i 的计算，1 、s t f t 也将成为最主要的时间比对方法之一。t v v s t f t 校准是这项技术的难点之一，u s n o 在这方面的开展了很多研究【1 4 - 1 7 1 ，从2 0 0 2 年起，一系列校准实验在u s n o $ 1 p t b 之间展开【1 3 】。最近几年，欧洲t v v s t f t 链路中的实验室也开展了校准实验【1 8 之1 1 。 2 1 2 2 国内研究现状 现在欧美已建立了多条t v v s t f t 链路进行时间实验室的原子钟之间的比 对。在亚太地区以日本通信综台研究所( n i c t ) 为主节点建立了和日本计量院 ( n r l j ) 、澳大利亚国家计量实验室( n m l ) 、台湾电信实验室( t l ) 、新加坡国家计 量院( p s b ) 和中国科学院国家授时中心( n t s c ) 之间的链路【2 2 3 1 1 ，其中1 9 9 8 年建 立7 c r l 和n t s c 之间的链路。国家授时中一i 二, ( n t s c ) 从1 9 9 8 年开始与日本通信 实验室( c r l ) 进行双向卫星时间传递( t v v s t f t ) 实验，实验设备采用t w t - 1 0 0 型 m o d e m ，v s a t 卫星天线，其中卫星链路上行为1 4 g h z ，下行为1 2 g h z ，中频 为7 0 m h z ，载频为2 5 m h z ，伪随机码采用4 0 9 5 位，码速率为2 4 8 9 7 6 m h z ，数 字调制则采用b p s k 调制，输出的数据率为5 0 字符秒，字符用a s c i i 码表示， 传输中的比特率为6 0 8 b i t s s e e ，为保证高精度的测量，在m o d e m 中使用了 高精度计数器，分辨率d , - 于lo o p s ，这样比对结果就可达到纳秒级【2 3 1 。 1 3 课题来源及课题意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于中国计量科学研究院立项项目，旨在建立一套完整的卫星双 向时间比对系统，通过数据分析比对，估算数据通信过程中造成的各种延迟，减 少对数据精度的影响，用于国家时间频率基准铯原子喷泉钟【矧和原子守时实验 室参加国际原子时合作。 1 3 2 课题意义 随着原子频标性能的快速提高对远程时间比对技术的要求也愈来愈高。卫 3 星双向比对方法是目前比对精度最高的一种比对手段，它的精度可达n o 1 n s 。 与g p s - - c v 方法相比，比对精度提高了一个数量级，与l o r a n - - c 相比高三个数 量级。为了进一步的提高比对精度，就需要对卫星双向比对系统的稳定性做详细 的研究。从卫星双向时间传递的原理出发，分析影响比对精度的诸多因素，包括 外界环境的影响、卫星运动的影响、电离层、对流层以及算法等的影响。另外需 要对误差( 路径时延、设备时延等) 有更精确的估计，所以对卫星双向比对系统 的稳定性研究就显得非常重要。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究内容为：一、建立了卫星地面站；二、调试地面站进行比对 试验；三、处理比对数据。分为以下几部分内容介绍： 第1 章对本文的课题背景、国内外研究现状以及课题意义进行简单介绍。 第2 章主要介绍卫星双向比对的基本思想。 第3 章介绍卫星双向比对中误差的来源，主要包括电离层延迟、对流程延迟、 本地延迟，以及如何对误差进行评估，减少误差对时间比对数据的影响。 第4 章主要介绍卫星地面站的建立，调试，以及比对试验的进行。 第5 章主要介绍了数据处理部分，包括数据提取和比对应用软件的设计与编 制，包括数据的提取和预处理，数据比对以及生成比对图。 4 第2 章卫星双向比对的基本原理 2 1 卫星双向比对的优点 双向卫星时间传递作为有巨大潜力的高精度时间传递方法，其基本原理是 用户之间通过卫星同时交换时间信息，若两信号经过的路径对称或者准对称的 话，就可以抵消传播时延。其最大的优势在于不需要非常精确的知道地面站和卫 星的位宣【2 7 1 ，就能很准确的计算出s a g n a c 效应【2 6 】。主要的不利之处在于，系统 需要参与时间传递的地面站同时发射和接收信号。 相较于其它的时间传递方式，双向卫星时间传递有以下一些优势： 。毒 ( 1 ) 由于系统中卫星只是作为转发，所以空间部分不需要特殊的硬件，可租 用其它的卫星信道：并且不需要卫星星历，一般来说，要得到精确的卫星星历是 非常困难的。 ( 2 ) 由于时间传递双方信号的传播几乎是同时进行的，路径时延基本相同， 这样能把电离层和对流层的影响降到纳秒以下。 ( 3 ) 对地面站的位置精度要求不是很高。在处理s g a n a c 效应时，由于位置不 精确所带来的时间误差是非常小的。 ( 4 ) 地面站设备的绝对时延可以通过一个可移动的标准接收机进行校正。 ( 5 ) 通过地面站之间数据交换，可以得到多个基站之间的时间差，并计算出 各地面站到卫星之间的传播时延。由于采取了很多消除误差的方法，时间比对的 效果好，能够达到纳秒以下的精度。 5 2 2 卫星双向比对的原理 c l o c k c l o c kb 图2 1双同时间比对原理图 双向卫星时间传递技术的基本原理f 2 5 】( 不考虑卫星) 如图2 1 所示，主要由时 钟a 、时钟b 和两个时间间隔计数器( t i m e i n t e v r a l c o u n t e r ，t i c ) 组成。左边的t i c 用来测量时钟a 的i p p s ( o n e p u l s e p e r s e e o n d ) 与经过电缆时延呱后的时钟b 的1 p p s 之间的差值，用r ( a ) 表示。同样，右边的t i c 的值用r ( b ) 表示。这里假设连接时 钟和t i c 之间的电缆延时很小或者为零，则两者的钟差兀一几可由两个t i c 的读数 表示，如式( 2 - i ) 所示。 l 一瓦= r ( x ) 一r ( b ) 1 2 + ( d 爿占一d 翩) 1 2 ( 2 1 ) 如果路径对称，也就是说双方电缆的延时是相等的，即d 仰= d 删，此时， 两者的钟差就为t i c 差值的一半，可以表示为： l 一= r ( x ) 一r ( b ) 2 ( 2 2 ) 如果两个时钟分布在距离较远的地方时，这种用电缆跨接的方法就行不通 了，需要借助于通信卫星所提供的通信信道来实现。图2 2 为其示意图，由发射 机、天线、上行链路、卫星转发通路、下行链路、天线和接收机替代了图2 1 中 6 的电缆。 图2 2 双向时间传递原理图 与方程( 2 i ) 有相似的形式，在加入了一些新的延时项后，得到时钟a 和时钟 b 的钟差如式( 2 3 ) 所示。 l 一瓦= r ( 彳) 一r ( b ) 】2 一( d r b 一) 2 + ( 以s 一氏) 2 ( 2 3 ) 一婶b s d s 8 ) 2 + ( d s a b ds j b ) 2 2 w a c | 2 2t w s t f t 调制解调器 如前所述，扩频测距调制解调器的发展对双向卫星时间传递是极为重要的。 码分多址允许多个用户共享有限的卫星带宽，不同的用户使用正交的扩频码来调 制同一载波时，由于这些码字具有十分优越的互相关特性，相互之间不会产生干 扰。同时，码分多址的方式能很好的满足双向卫星时间传递中路径延时相等的假 设，因此双向卫星时间传递都采用扩频的多址方式。 系统中采用的扩频码为1 4 位反馈移位寄存器的截断序列，其周期长度的选 取考虑的因素有：在截断后能保持良好的自相关和互相关特性：选取的长度为 1 0 或的2 的倍数便于标准逻辑单元的处理：时间同步的捕获过程是p n 码周期长 7 度的函数，从这方面来说，序列越短越好，但是从抗噪声性能上说，要增加序列 的长度，同时，要考虑最终时间传递结果的精度与码片长度成正比，与时钟速率 成反比。因此系统中选用的长度为1 0 0 0 0 ，码片时钟速率为2 5 m h z 。 2 2 1 信号流程 t v v s t f t 地面站的主要部分如图2 3 所示。地面站由天线、上，下变频器、调 制解调器和计数器组成。天线部分和实验室部分通过一根r f ( r a d i o f r q e u e n c y ) 电缆连接：秒信号由本地时钟以i p p s 的形式给出：扩频信号在地面站进行上变频 和下变频变换到合适的频率：计数器用来测量本地发送1p p s 时刻和接收到1p p s 时刻之间的时间间隔：在时间传递过程中有时候使用计算机来进行自动控制和收 集时间间隔计数器的数据。 双向卫星时间传递系统中，信号流程如下：本地产生的1p p s 信号启动本地计 数器，通过调制解调器编码并采用d s b p s k 的方式调制到7 0 m 中频：然后信号通 过一根电缆到达天线部分。在本地地面站a ，7 0 m 的信号被上变频至u 1 4 - 1 4 5 g 范围的上行频率。卫星接收机接收并将此信号转换到k u 波段( 1 1 7 1 2 2 g ) l 拘下 行频率，并向地面广播此信号。远程的地面站b 接收卫星转发的信号，并将其下 变频到7 0 m h z ：同样的，经过一根电缆到达地面站b 的解调器。在这里，从a 站来 的信号中解调出1 p p s 信号，用此信号来停止b 站的计数器。b 站时钟产生的1 p p s 信号也经过相同的过程到达a 站，用来停止a 站的计数器。 8 2 2 2 调制解调器 图2 - 3t w s t f t 系统地面站的组成 在整个系统中，中频调制解调器( m o d e m ) 为核心部分，它完成双向卫星时 问传递中数据的处理。其发射部分对本地1p p s 信号和时间信息进行调制，完成 扩频和中频b p s k 调制。其接收部分对接收到的中频信号进行解扩解调，恢复出 1p p s 信号和时间信息。主要包括p n 码产生与扩频单元，b p s k 调制单元，下变 频单元，n p 码捕获与跟踪单元和控制单元。m 10 0 的调制解调器的结构框图 如图2 4 所示。 调制解调器的接收部分的信号处理流程为：7 0 m 的中频信号通过n d 变换器 变换成为数字信号后，与本地产生的载波进行正交混频，在滤除高频分量后，得 到同相和正交两路信号：再与本地产生的伪码进行相关运算，其结果送到数字信 号处理器( d i g i a t l s i n g a l p o r e c s s ，o r d s p ) _ 里面进行处理；d s p 完成相关的控制，如 伪码捕获、载波同步等，将计算和判决的结果通过d s p 总线反馈到载波发生器， 用来控制本地载波的频率和相位，达到载波同步，同时在伪码的捕获和跟踪阶段， 9 d s p 对相关结果进行处理判决，以调整伪码时钟的频率和相位，达到本地伪码和 接收信号的伪码同步：最后通过d s p 对解扩解调后的数据进行处理，恢复出1p p s 信号，用来终止计数器的计数，同时将得到的时间间隔，传输到计算机。 m o d e m 的发射部分的处理流程为：当检测到外部有1 p p s 时，启动计数器， 同时对本地发射码时钟单元进行复位，以产生本地码的时钟，时钟频率由d s p 通过总线送到码时钟单元，同时本地码产生单元从d s p 总线上获得n p 码的生成 多项式和需要传递的时间信息，完成扩频。最后在b p s k 调制单元完成从基带到 中频的调制，通过d a 变换，送至射频进行发射。 2 3 小结 图2 4t w - t 1 0 0m o d e m 结构框图 本章首先介绍了卫星双向比对系统的优点，在此基础上，介绍了双星比对 的原理和时问差。在卫星双向比对系统中，m o d e m 是重要的组成部分，本文将 对它的内部结构和功能进行了介绍。为此，根据卫星双向比对系统的原理，下一 章对各项误差对比对结果的影响进行详细的介绍。 l o 下面逐一加以分析。 3 1 设备时延误差 部分： ( 1 ) 起的误差。 = i ( r b a - r a b ) + 1 - 日u + 砰) 一( 掣+ 喈) 】+ ( 3 一1 ) 三( 矿一巧b ) + 争( 巧+ 砰) 一( 巧+ 磴) 】+ 其中，z u 和z d 为( i - a 或b ) 为第i 站的上行和下行信号时延，z r 和z 只( i _ a 或b ) 为第i 站的发射和接受时延，矿和矿为两条链路的卫星转发器时延， 。- 碟和碟为两条链路s a g n a c 效应引起的时延3 0 1 。 在( 3 1 ) 中式包含了所有引起时延不对称的因素。其中，右边第1 项为两云一：一 站测得的时差之差，第2 项为卫星上行和下行信号时延之差，第3 项为两条链路 的卫星转发器时延之差，第4 项为两站设备的发射和接收时延之差，最后一项为 s a g n a c 效应引起的时延改正。 3 2 误差分析 3 2 1 设备时延误差 设备时延误差对应于( 2 ) 式中的第1 项、第3 项和第4 项，主要包括地面站计 数器测量误差、调制解调器误差、卫星转发器时延误差和地面站设备发射与接收 1 1 时延误差。 ( 1 ) 计数器测量误差 地面站之间的时差一般由高精度的计数器测量得到。对于通常的计数器， 其测量误差约为0 1r s ，而现代高精度计数器的测量精度已经达到几十p s 。因 此，该项误差对于纳秒级的精度可以忽略，但对于0 1n s 级的精度不能忽略。 ( 2 ) 调制解调器误差 对于t v v s t f t 的时间基准秒脉冲( 1p p s ) 经调$ 1 j 变成中频7 0m h z ，再由发射 天线变成发射频率后传送至卫星，卫星转发器把信号变成下行频率送至b 站，b 站接收天线接收后将信号变频为中频7 0m h z ，经终端调制解调器( m o d e m ) 解调 后得到本地时间基准与站秒脉冲的时刻差。可见，信号经调制和解调都会产生误 差，因此内部m o d e m 的发射和接收时延差也必须进行准确标定，具体方法如下： m o d e m 发射时延的测量平台如图1 所示，使用双通道示波器，示波器的频 率锁定到原子钟的1 0 m h z 频率测量分两步： 第一步，如图1 ( a ) 所示，通道1 接入原子钟输出的1p p s 信号，通道2 接入 m o d e m 输出的1p p s 信号，测量出两者的时差：( t v a l u 。，) ，口。l = o l 艄，。o d 。) + f 2 ) 一o i 班，咖础) + f 1 ) ( 3 2 ) 式中， 伊，删删为m o d e m 内部产生的1 p p s 到达输出口的时刻；t l 胖，删为 原子钟输出的1 p p s 至u 达原子钟输出口的时刻，f 。为示波器通道1 与通道1 上连接 电缆的时延；f ：为示波器通道2 与通道2 上连接电缆的时延。 1 2 1 图3 - 1 ( a ) m 。c l c ! m 1p 曲输出口中频信号输出口 原7 0 , m 子 1 卯昂 一一1 钟 t i 通道1通道2 1 不般裙 0m 图3 - 1 ( b ) 第二步，如图1 ( b ) 所示，保持1 通道信号不变，将2 通道接) , , m o d e m 输出 的7 0m h z 中频信号， 测量出两者的时差( t v a l u e 2 ) t v a l u e 2 = 0 7 0 朋抛脚。+ f 2 ) 一( 艄，c f o 吐+ f 1 ) ( 3 3 ) 式中，r ，o 凇 舭。为m o d e m 内部产生的7 0 m h z 调制信号到达输出口的时刻。 m o d e m 的发射时延为，础2 一f 毗胪 在测量过程中，注意连接通道2 的应该为同一根电缆，这样，才能消除示波 器不同通道和电缆的时延差在图1 ( b ) 的测量中，关键是如何寻找b p s k 中频调 制信号的调制点 1 3 m o d e m 输出调制信号是b p s k 调制信号，从理论上说，正弦波应该在调制 信号变化时刻相位变化，在调制前和调制后正弦波是等幅的。 但是，实际测量过程中，并不能观察到上面的理想波形，示波器上的信号 会出现调幅的情况，可以发现，幅度调制信号有一个明显的零点( 幅度最小点) 存 在。 可以证明，b p s k 信号的调制时刻就是幅度调制的包络零点幅度调制现象 是由滤波器的有限带宽引起的，因为在调制时刻，信号相位翻转，这一点的频带 宽是很大的，但滤波器把大部分信号都过滤掉，调制时刻信号频率最宽，由滤波 器有限带宽引起的能量衰减最大，出现幅度调制零点在调制时刻以前出现的幅 度调制是由于滤波器的群时延引起的因此，只需测量出1p p s 信号到包络零点 的时延即可。 用上面的方法测量了m o d e m 在不同测距码速率下的与设备出厂时的测量结 果进行了比较，设备出厂时的测量结果来自于m o d e m s l 造商( 德国t i m e t e c h 公 司) ，两者的误差反映测量值的准确程度，结果见表3 1 可以看出，两者的最大误 差不超过3 5 n s 。 表3 - im o d e m 发射时延测量结果 码率m 2 01 052 510 5 测量值 5 5 1 0 18 3 9 1 62 5 7 5 1 1 2 5 8 2 7 58 4 3 8 7 01 3 8 6 9 4 8 2 出场测量值 5 8 2 8 0 8 5 2 0 02 6 0 1 0 02 5 7 7 0 0 8 4 2 8 0 0 1 3 8 6 0 0 误差3 7 1 9 1 2 8 4 3 1 8 4 - 0 5 7 5 - i 0 6 9- 0 9 4 8 ( 3 ) 卫星转发器时延误差 在两站间进行时间信号比对时，都需要先将自己的时间信号发送给卫星， 经卫星转发器转发后再传送到对方比对站。卫星转发器时延主要包括收发天线时 1 4 延和转发通道时延，一般约为2 0n s 。当卫星收发天线和转发通道对两站的信号 完全相同时，两站间的卫星转发器时延相等。但是，当卫星对每个地面站采用不 同的收发频率、不同的转发通道或不同的天线波束时，两站间的卫星转发器时延 并不相等，例如使用大西洋上的i n t e l s a t 时就是这样。在这种情况下，应该在 卫星发射前对b 和a 或者两者的差值a b 进行测量，或者采用其他更精确的时间 比对方法加以测量和标定。当然，卫星转发器时延经两条路径相减能够较好地消 除或削弱，其误差一般不会超过8 0 p s 。 ( 4 ) 地面站设备发射与接收时延误差 地面站设备发射与接收时延主要包括电缆时延、发射和接收系统随气象( 主 要是温度) 的变化误差等。 随着t v v s t f t 精度的不断提高，其误差已经与地面站的设备时延误差达到 同一量级，也就是说，地面站的设备时延误差已经成为限制t v v s t f t 精度进一步 提高的最大障碍。而且，地面站设备时延误差的产生机制还没有完全弄清，很多 学者倾向于将其归结为设备受温度影响的误差，但真正原因还有待进一步研究。 因此，该问题受到国内外很多学者的重视，他们进行了大量的研究和实验 【1 1 1 4 。 为了精确测定各项设备的时延值，h a c k m a n 等人提出了共钟方法。采用该 方法测得：仅有计数器时，设备时延误差约为5 0p s ；加上调制解调器后，其误 差约为1 5 0p s ；再经过卫星转发后，误差约为3 3 0 p s 。 为了精确测定设备时延与气象因素的关系，很多学者做了大量的试验。中 国科学院国家授时中心孙宏伟等人研究指出，户外单元( 包括发射和接收系统) 与 温度的关系最大，一般温度系数为- - 8 5p s 。c ，整个温度系数约为( 一 1s 1 0 0 4 3 0 ) p s 。c 。美国n l s t ( n a t i o n a ii n s t i t u t e o fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 学 者们的结果是，接收时延温度系数为( 一1 5 0 4 1 0 ) p s 。c ，发射延迟温度系数为 ( - - 5 0 4 - 10 ) p s i 。c ，整个温度系数约为( 一10 0 4 3 0 ) p s p c 。该项误差可通过温 度控制和对数据的温度补偿得到降低。 地面站发射与接收系统的电缆时延能够事先测定并加以扣除，其误差一般 在0 2 0 5n s 之间，例如：b i p m 提供n i s t 与p t b ( p h y s i k a l i s c h - - t e c h n i s c h e b u n d e s a n s t a l t ) 之间在m j d 5 2 2 7 6 日的地面站延迟标准偏差为0 2n s 。 3 3 卫星和地面站运动引起的误差 卫星和地面站运动引起的误差对应于( 2 ) 式的最后一项以及第2 项中的不对 称部分，主要包括两地面站至卫星距离不同引起的误差、两地面站的钟不同步引 起的误差和s a g n a c 效应误差。 地球同步卫星在地心地固系中的运动很慢，其运动速度小于1 0m s ，下面 就在此情况下进行讨论。 3 3 1 两站到卫星的距离不等引起的误差 在t v v s t f t 的实际操作中，为了减小误差，往往要求卫星接收两站发射信 号的时间尽量相同。但是，由于卫星在地固系中的运动、相对钟差的存在以及两 站相对卫星不一定能保持对称，这一条件并不定能满足。为了减小不对称带来 的影响，地面站一般通过轻微调整发射时延( 1 7m s ) 来进行补偿。当采用该方法 后仍不能补偿时，这一影响必须加以改正。 如图3 2 所示，图中a 、b 分别为两地面站，s 为地球同步卫星，o 为地心， 1 6 d 为卫星和地心的连线与地面的交点，c 为在卫星到地面站b 的路径上截取的与 卫星到地面站距离相等的点。当两站a 和b 到卫星的距离不等时，由于卫星的运 动，卫星会在不同的位置收到信号，这将使两地面站间的两条比对路径不能完全 对称，从而在计算两站间钟差时产生误差。可以粗略地估计，若两地面站到卫星 的距离差为3 0 0k m ( 约1m s ) ，钟差计算误差最大约为3 0p s 。因此，设计两个比 对站时，应尽量使所采用的地球同步卫星处于两比对站中间( 或经调整发射时延 后处于两站中间) 。近似地，由两地面站经度与卫星经度差换算成的距离为3 0 0k m 时，该项误差最大约为3 0p s 。在当前0 。1n s 精度下，该项误差可以忽略，但是 随着比对精度的提高，要求精度为1 0p s 量级时，该项误差必须考虑。 3 2 两地面站到卫星之间的距离差 3 3 2 两站钟面时不同步引起的误差 因为两地面站的钟是不完全同步的，所以两信号的发射时间不同，这也将 导致一定的误差，但很容易用一般方法把两个钟事先粗同步在1 0us 内。对于参 加t v v s t f t 的站，它们事先已经同步到很高的精度( 一般小于1us ) ，所以，仅由 于两站间钟面时的不同步( 取为1us ) 引起的卫星位置变化约在1 0 m ，换算为时 间约在1 0 。1 4 量级，完全可以忽略。 1 7 3 3 3s a g n a c 效应误差 在惯性系下考虑卫星双向法时间传递，在电波传播期间，由于地球自转和 卫星运动【3 7 】，信号在空间传播的过程实际如图1 所示。 由于地面站和卫星的运动，在t 1 、t 2 、t 3 和t 4 共4 个时刻点上，地面站和天 线的位置分别如图1 所示。在时刻t 1 ，电波从地面站b 发出，卫星处于t 1 时刻的位 置；但当信号到达卫星上时，已经是t 2 时刻，卫星处于t 2 时刻的位置；可见由于 同步卫星绕地球自转运动，信号在地面站到卫星之间实际的传播距离( l 2 ) ，并 不是同一时刻的两点间距离( l 1 ) ，i n l l # l 2 ，两者之间存在一个差。改差值就 是s a g n a c 效应的值。 同样的道理，当卫星在t 2 时刻收到信号后，经转发器进行混频滤波等处理( 该 过程有一个时延，称为转发器时延) ，并于t 3 时刻通过星上天线将电波发出。在 t 3 时刻，地面站位于t 3 时刻的位置；但当信号到达地面站a 时，地面站已经位于 t 4 时刻的位置。下行信号实际传播距离为l 3 ，而同一时刻的两点间距离为l 4 ，二 者只差为下行过程的s a g n a c 效应。 1 8 t 4 3 - 3s a g n a c 效应产生原因 下面以静止同步卫星为例，推导s a g n a c 效应的基本计算公式。如图2 所示。 为简便起见，假定地面站位于赤道上，对于地面站在非赤道的情况，只需先在赤 道上作投影，然后再按本文公式推导) 。 下文中：令l = s o ，r = o a = o b 目的：求出s a g n a c 效应的量值，即：s a g n a c = x c = ( s b - - s a ) c 1 9 x 推导过程： 所以有： 彩培 、 o 3 4s a g n a c 效应基本公式推倒图 s a 2 = r + r 2 2 l r c o s ( a ) s b 2 = l 2 + r 2 2 l r c o s ( a + 0 ) ( 3 - 4 ) 船2 一s a 2 = ( s b + 删) ( 船一s a ) r = ( s b s z ) = s b 2 一s a 2s b 2 一s a 2 s b + s a2 s a 七x 因为x 和s a 相比，非常小，所以上式简化为： j s ! b 2 一s a 2 2 l r c o s c r 一2 l r c o s ( o r + 秒) 2 跗2 鲋 因为0 角很小，所有上式简化为： ( 3 5 ) ：竺。2sin(三型)sin(一i0)(36)sa 2 、7、 2 x 2 l r sin(口)(一三0sa )、7、 2 另外， 口= 矿出= w 詈带入上式后，进一步简化为： x - 2 x - 2 丝s i n ( 计万w s a ) s a= 一扣s i 蝌2 w c 、7、 2 c2 、 2 0 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 上式中，1 2 三尺s i n ) 为卫星、地面站与地心构成的三角形面积( 该三角形 在赤道面上) ，