衛(wèi)星共視高精度時間比對與傳遞

1、衛(wèi)星共視法高精度時間頻率比對與傳遞系統(tǒng)目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1概述 32衛(wèi)星共視時間比對與傳遞系統(tǒng)組成及工作原理 42.1 衛(wèi)星共視時間比對與傳遞工作原理 4 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2.2 時間比對和傳遞系統(tǒng)設(shè)備配置及連接 73經(jīng)費預(yù)算 錯誤！未定義書簽。1概述時間是物理學(xué)的基本參量之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度的時 間和頻率在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位日趨重要，諸如通信、電力、交通、 高速數(shù)字網(wǎng)同步等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是我國國防建

2、設(shè) 和空間技術(shù)領(lǐng)域，如空間目標(biāo)探測與攔截（類似于美國愛國者導(dǎo)彈防御 系統(tǒng)）、我國第二代戰(zhàn)略武器試驗、載人航天工程和擬建中的二代衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)對時間和頻率的精度提出了更高的要求。二十世紀(jì)末，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相繼 問世，授時具有了全方位性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天 候、連續(xù)性和實時性，并提供了高精度的授時覆蓋和服務(wù)?！皶r間統(tǒng)一 系統(tǒng)”為精密時間產(chǎn)生、傳遞、恢復(fù)和保持、科學(xué)研究、科學(xué)實驗和工 程技術(shù)及一切動力學(xué)系統(tǒng)和時序過程的測量和定量研究提供了必不可 少的時間基準(zhǔn)和依據(jù)。就高精度時間傳遞與比對系統(tǒng)而言，可以應(yīng)用于工程項目的主要包 括以下幾種：1 RNSS

3、衛(wèi)星共視時間比對與傳遞；2 RNSS 衛(wèi)星載波相位時間同步；3 衛(wèi)星雙向時間比對與傳遞；4 搬運鐘時間比對與傳遞。在以上幾種方法中，衛(wèi)星共視時間比對與傳遞是一種較為優(yōu)秀的高 精度時間比對與傳遞系統(tǒng)。2衛(wèi)星共視時間比對與傳遞系統(tǒng)組成及工作原理2.1 衛(wèi)星共視時間比對與傳遞工作原理所謂“共視”(Common View)就是位于兩個不同位置的觀測者，在同一時刻對同一顆衛(wèi)星進行觀測，其原理如下圖所示。GPS衛(wèi)星圖 1 GPS 共視法高精度時間同步原理圖圖 1 給出了一個單收系統(tǒng)示意圖，在每個比對點，本地鐘均按自己 的速率運行。根據(jù)比對需求，利用衛(wèi)星所發(fā)射的1PPS秒信號、或其它固 定速率發(fā)射的時鐘脈沖

4、信號。在每個測站，利用本地鐘的 1PPS 信號打開時間間隔計數(shù)器閘門， 再用從共視接收機所輸出的 1PPS 秒信號關(guān)閉時間間隔計數(shù)器的閘門。 這樣，我們可以得到以下的時間關(guān)系(圖 2)：在鐘 1 處：接收時間t二T +T接收 衛(wèi) 1計數(shù)器讀數(shù)T = T - (T +T )d 11 衛(wèi) 1在鐘2 處：接收時間t二T +T接收 衛(wèi) 2計數(shù)器讀數(shù)T = T - (T +T )d 2 2 衛(wèi) 2式中，T和T為路徑延遲，它等于衛(wèi)星發(fā)射時間到接收設(shè)備時延。12解由(1)和(2)聯(lián)立的方程組可得T - T = T - T + (T -T )1 2d1d 21 2圖 2 GPS 共視時間比對示意圖由此我們可以

5、求得t二T時鐘1和時鐘2的鐘面值之差。發(fā)射 1式表示了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間T發(fā)射時刻，時鐘1和時鐘2的鐘面時 刻差，利用共視接收機獲得的星歷表和對流層、對流層等改正模型參量， 求得T和T (此項在共視接收機中已經(jīng)作了自動改正)。所以12R - R = T - T = T - T(4)1 2 1 2 d1 d 2由此，要獲得兩地之間的鐘差，只需要知道參加比對雙方各自時間 間隔計數(shù)器的讀數(shù)。與衛(wèi)星雙向時間同步相類似，在兩個相距很遠的不同觀測者在同一 時刻觀測同一顆 GPS 衛(wèi)星，得到兩地觀測的差值后，利用衛(wèi)星信道以數(shù) 字編碼的形式和通過互聯(lián)網(wǎng)實時相互傳遞雙方各自時間間隔計數(shù)器的 讀數(shù)。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處

6、理，就可以得到這兩地之間時鐘的差。根據(jù)處 理結(jié)果對各自的鐘差進行改正，即可實現(xiàn)兩地之間的時間同步。GPS 共視比對的優(yōu)點是能將可能出現(xiàn)的某些誤差減到最小。衛(wèi)星時 鐘誤差會被全部消除，原因是兩地接收機的這一誤差是共同的。早在1984年，東京天文觀測站（TAO）和美國海軍天文臺（USNO）之 間進行了一次共視比對試驗。在這個研究試驗中，華盛頓與東京之間約 有兩個小時的同視時間。觀測是在兩地的晨昏線時進行的。圖3 給出了 1984 年 2 月 15 日在兩地獲得的數(shù)據(jù)。橫軸以小時為單位表示時間，縱 軸則以納秒為單位表示東京天文觀測站（現(xiàn)在是日本國家光學(xué)觀測站）均方帳：22ns|夜何_白夭夜上一夜間*

7、圖3東京天文觀測站（TAO）和美國海軍天文臺（USNO）之間共視比對試驗結(jié)果與美國海軍天文臺之間的時間差，兩地的時鐘用作當(dāng)?shù)?GPS 時間變換單 位的基準(zhǔn)。當(dāng)兩地都在晚上以及一地是晚上另一地是白天時，兩個臺站 之間的數(shù)據(jù)沒有發(fā)現(xiàn)有不連續(xù)的現(xiàn)象。衛(wèi)星數(shù)量的增多，能在一天里得到足夠的數(shù)據(jù)。通過平滑兩天的間隔，GPS數(shù)據(jù)中的許多波動可降到最低。鑒于目前銣原子鐘和銫原子鐘 所能達到的性能，要將當(dāng)?shù)貢r標(biāo)的精度保持在1 x 10-13是完全可以的。到 目前為止，國際權(quán)度局(BIPM)下屬各時頻基準(zhǔn)實驗室之間的全球高精度 時間比對主要采用 GPS 共視比對。2.2 時間比對和傳遞系統(tǒng)設(shè)備配置及連接根據(jù)電網(wǎng)時

8、間統(tǒng)一系統(tǒng)方案要求和電網(wǎng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)框架，電力系統(tǒng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間比對和傳遞系統(tǒng)連接原理框圖如圖 4 所示?；鶞?zhǔn)傳遞系統(tǒng)： 衛(wèi)星共視系統(tǒng) 雙向法衛(wèi)星系統(tǒng) 光通信時間比對系統(tǒng)授時中心層網(wǎng)絡(luò)： 連接各個時間中心的通 信網(wǎng)絡(luò)，傳遞比對數(shù)據(jù)I 授時衛(wèi)星有線授時網(wǎng)絡(luò)：連接區(qū)域時間中心和時 間接收點的通信網(wǎng)絡(luò)； 授時，傳遞時間數(shù)據(jù)。時間接收點同步通訊衛(wèi)星各種衛(wèi)星系統(tǒng)： 共視比對衛(wèi)星、雙向法 通訊衛(wèi)星、授時衛(wèi)星授時網(wǎng)絡(luò)層： 區(qū)域時間中心和 直接授時的時間節(jié)點中國時間頻率基準(zhǔn)時間接收點1.光通信系統(tǒng) 時間傳遞衛(wèi)星共視 比對系統(tǒng)雙向法衛(wèi) 星系統(tǒng)衛(wèi)星接受： 用于間接授時光通信時間, 比對系統(tǒng)光通信系統(tǒng)：比對數(shù)據(jù)傳

9、遞網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星接收機： 接收時間信號電網(wǎng)時間區(qū)域中心： 高精度守時統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)范圍的基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)： 衛(wèi)星共視系統(tǒng) 雙向法衛(wèi)星系統(tǒng) 光通信時間比對系統(tǒng)授時中心層網(wǎng)絡(luò)： 連接各個時間中心的通 信網(wǎng)絡(luò)，傳遞比對數(shù)據(jù)I 授時衛(wèi)星有線授時網(wǎng)絡(luò)：連接區(qū)域時間中心和時 間接收點的通信網(wǎng)絡(luò)； 授時，傳遞時間數(shù)據(jù)。時間接收點同步通訊衛(wèi)星各種衛(wèi)星系統(tǒng)： 共視比對衛(wèi)星、雙向法 通訊衛(wèi)星、授時衛(wèi)星授時網(wǎng)絡(luò)層： 區(qū)域時間中心和 直接授時的時間節(jié)點中國時間頻率基準(zhǔn)時間接收點1.光通信系統(tǒng) 時間傳遞衛(wèi)星共視 比對系統(tǒng)雙向法衛(wèi) 星系統(tǒng)衛(wèi)星接受： 用于間接授時光通信時間, 比對系統(tǒng)光通信系統(tǒng)：比對數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星接收機： 接收時間信號電網(wǎng)時間區(qū)域中心： 高精度守時統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)范圍的電網(wǎng)時間一級中心： 獨立時間頻率基準(zhǔn) 統(tǒng)全電網(wǎng)范圍的時間共視衛(wèi)星授時中心層： 一級中心和多個 區(qū)域中心組成。圖 3 電力系統(tǒng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)組成框圖由圖可見，應(yīng)用于電力系統(tǒng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時間比對和傳遞系統(tǒng)主要包括一級中心和區(qū)域中心等若干個主要節(jié)點。圖中連線為通信鏈路，它除了擔(dān)負(fù)電力網(wǎng)的通信調(diào)度任務(wù)外，還擔(dān)負(fù)著時頻信號和時頻信息傳輸和衛(wèi)星共視比對數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。時間比對和傳遞系統(tǒng)設(shè)備連接原理方框圖如圖 4 所示。衛(wèi)星圖4 時間比對和傳遞系統(tǒng)設(shè)備連接原理方框圖應(yīng)用于電網(wǎng)一級中心/區(qū)域中心的GPS/北匕斗共視