一種轉發(fā)式衛(wèi)星授時新方法*

杜曉輝，施滸立，張麗榮，劉 成

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100012;2.中國科學院研究生院，北京 100049)

時間是物質存在和運動的基本特征之一，時間信息是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾蛩亍５藗冊谌粘；顒訒r關心的是日常意義下的時間信息，對精度要求很低，這時時間的獲取和標校手段比較多樣。最近幾十年來，衛(wèi)星授時作為一種嶄新的授時技術，在時間傳遞精度、覆蓋范圍、使用方便等方面均超過了傳統(tǒng)的授時技術。

全球定位系統(tǒng)是被大規(guī)模應用的衛(wèi)星測距導航定位系統(tǒng)，是全球無源三維衛(wèi)星定位系統(tǒng)的典范。全球定位系統(tǒng)能進行精確定位的基礎是它精密的時間體系，這種時間體系是由整個系統(tǒng)里的星上原子鐘的同步保證的。全球定位系統(tǒng)接收機通過接收若干顆衛(wèi)星的信號，建立相應數(shù)量的距離方程，不僅能夠解算出觀察點所在的位置坐標，而且能夠算出接收機時間與全球定位系統(tǒng)時間之間的偏差。通過修正這一偏差就能使接收機時鐘與全球定位系統(tǒng)時鐘同步運行，這就是全球定位系統(tǒng)實現(xiàn)授時的時間傳遞原理。GLONASS和GALILEO系統(tǒng)類似于全球定位系統(tǒng)，所以同樣可以實現(xiàn)高精度授時。

由我國自主研發(fā)的中國區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS(China Area Positioning System)轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)也同樣具有導航授時功能，只不過它是利用地面高穩(wěn)定度原子鐘作為時鐘基準，其時頻基準的位置和性能有別于全球定位系統(tǒng)類衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

1 轉發(fā)式授時原理

中國區(qū)域定位系統(tǒng)是同樣具有定位、測速和授時功能的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。轉發(fā)式衛(wèi)星授時是轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)［1－3］的一項重要功能。因為轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)擁有了高性能的時頻基準，并解決了偽距的精密測量、用戶的高精度定位和衛(wèi)星的定軌問題［4－5］。為此可以利用上述條件，以及導航源信號中的時間刻度和導航電文中的各項誤差修正參數(shù)實現(xiàn)精密授時。

轉發(fā)式衛(wèi)星授時就是利用轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)中導航中心站發(fā)出的信號中的高精度時間信號去校準終端的時頻基準。由于導航中心地面站裝有銫原子鐘或氫原子鐘，并溯源到協(xié)調世界時(NTSC)，所以其時間信號不但穩(wěn)定度好，而且準確度也很好。當時間信號與用戶信號作比對校正時，還必須解決載波信號從地面導航站發(fā)射，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)至終端接收的這段傳輸距離上的傳輸時間τ的精確計量［6－8］，只有考慮這段傳遞時間，才能準確地完成授時和校時。

轉發(fā)式衛(wèi)星授時根據(jù)采用的授時衛(wèi)星的數(shù)量不同，可分為多星授時和單星授時兩類。

1.1 多星授時

若用戶的位置坐標未知，則必須觀測4顆衛(wèi)星，先精確測定接收機天線所在位置的坐標、速度以及用戶鐘相對中國區(qū)域定位系統(tǒng)時間的精確鐘差，這樣能夠從這些數(shù)據(jù)中，計算得到精確的時間信息。轉發(fā)式衛(wèi)星導航仍然是一種空基衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，系統(tǒng)的導航定位原理仍然采用傳統(tǒng)測量學中的偽距交會法，基本原理如圖 1［1，3－4］。

圖1 中國區(qū)域定位系統(tǒng)多星授時Fig.1 Multiple-satellite time service of the CAPS

設用戶坐標為(xu，yu，zu)，衛(wèi)星坐標為(xj，yj，zj)，導航中心站天線相位中心坐標為(xg，yg，zg)，用戶鐘與導航中心站原子鐘偏差為Δtu，把Δtu作為未知量，那么，只要利用4段經(jīng)過4顆衛(wèi)星轉發(fā)的偽距(pi，i=1，2，3，4)，便可以列出測量方程:

解方程(1)，便可得到用戶位置坐標(xu，yu，zu)和用戶鐘相對中國區(qū)域定位系統(tǒng)時間的時間偏差Δtu。從式(1)可知，轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行定位時，同樣需要獲得空間衛(wèi)星基準點的精確位置，并由接收機提供準確的測量偽距值。它與現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)類衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不同之處主要是高精度原子鐘不設置在衛(wèi)星上，而設置在地面上。這樣它把衛(wèi)星導航中，以衛(wèi)星為空間位置基準和時間計時基準這一點作了些改變，就是在轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)中雖然衛(wèi)星仍然是空間位置基準，但已不是真正的時間計時基準了，因為高精度原子鐘已設置在地面基準站里，時延度量是從地面基準站開始，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)，最后至用戶為止的時延［1，3，6，9］。

1.2 單星授時

對已知精密位置坐標的固定用戶，只要觀測一顆衛(wèi)星，就可以實現(xiàn)精密的時間測量或同步，原理圖見圖2。

圖3給出了中國區(qū)域定位系統(tǒng)時間測量原理。圖中Δtu為用戶鐘相對中國區(qū)域定位系統(tǒng)時間的偏差，即:

圖2 中國區(qū)域定位系統(tǒng)單星授時Fig.2 Single-satellite time service of the CAPS

圖3 中國區(qū)域定位系統(tǒng)時間測量原理示意圖Fig.3 Illustration of the temopral measurement of the CAPS

因為Δtg很小，可以忽略不計，為此:

式(4)代入式(5)得:

而理論傳輸時間應為r/c，其中距離r為衛(wèi)星至用戶的真實距離。

式(4)代入式(8)得:

由式(6)和(9)得:

式(10)中，最后一項ΔτΣ中的各項時延誤差可以從導航電文提供的數(shù)據(jù)中直接獲取或計算后獲得。得到用戶鐘與時間基準的時鐘偏差以后，可以修正用戶鐘的時間，即:

2 轉發(fā)式授時精度分析

對于衛(wèi)星定時接收機，導航電文帶來的誤差會影響授時精度，這就意味著定時過程中出現(xiàn)的誤差將會傳遞到定時過程的傳輸時延值中。這時，定時接收機的主要誤差來源有以下幾個方面:

(1)導航中心站發(fā)射設備自身時延誤差，主要是原子鐘偏差和發(fā)射機噪聲;

(2)傳播路徑誤差，主要是指信號傳播中產(chǎn)生的誤差，如對流層傳播延遲、電離層傳播延遲、多徑效應和衛(wèi)星轉發(fā)器時延和噪聲等;

(3)用戶接收機誤差，主要有測量誤差、計算誤差和器件噪聲誤差等。

上述誤差按性質可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。對系統(tǒng)誤差主要通過分析，研究其規(guī)律，予以消除或減弱。對于隨機誤差只能采用統(tǒng)計處理方法，求出最佳估計值［10－11］。

衛(wèi)星授時精度取決于定位精度和時間信號的傳輸時延的準確性。中國區(qū)域定位系統(tǒng)由赤道上空的商用同步衛(wèi)星和退役同步衛(wèi)星形成的小傾角傾斜軌道衛(wèi)星組成的混合星座，精度衰減因子(Dilution of Precision)值較差。時間、衛(wèi)星參數(shù)等信息由地面中心站發(fā)射經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)再廣播至用戶接收機。因為傳播路徑變長，偽距誤差的環(huán)節(jié)增多，都會影響偽距測量精度，這些都是不利的地方。轉發(fā)式衛(wèi)星授時的長處有地面中心站的原子鐘穩(wěn)定度高，可高達10－14至10－15量級。由于轉發(fā)式系統(tǒng)時頻基準源穩(wěn)定度高，測距精度高，所以在轉發(fā)式衛(wèi)星授時系統(tǒng)中只要能精確扣除時延誤差值，同樣可以實現(xiàn)偽距的高精度測量，因此授時精度較高。粗碼的授時精度可以達到20ns，短精碼的授時精度可達8～12 ns。

3 結論

中國區(qū)域定位系統(tǒng)可以從多星授時和單星授時兩方面實現(xiàn)遠距離、高精度的授時服務，可以滿足國民經(jīng)濟和國防建設對高精度時間同步技術的需求。雖然現(xiàn)在使用全球定位系統(tǒng)的授時系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步和頻率校正已成為一種趨勢，但是由于國家重大命脈產(chǎn)業(yè)完全依賴國外的系統(tǒng)，存在著極大的政治風險。而中國區(qū)域定位系統(tǒng)是我國具有自主知識產(chǎn)權的定位系統(tǒng)，利用中國區(qū)域定位系統(tǒng)實現(xiàn)轉發(fā)式授時具有組建靈活方便、授時精度高等特點。

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