衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)

許昭霞，時(shí)　鑫, 陳文靜, 左大偉

1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京,100094;2.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京,100038;3.華北計(jì)算技術(shù)研究所, 北京,100083

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衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)

許昭霞1，時(shí)鑫1, 陳文靜2, 左大偉3

1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京,100094;2.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京,100038;3.華北計(jì)算技術(shù)研究所, 北京,100083

衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法(TWSTT)涉及設(shè)備時(shí)延修正、電離層改正、對(duì)流層改正、Sagnac效應(yīng)改正、相對(duì)論周期改正和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延改正。在北京和國(guó)家授時(shí)中心之間進(jìn)行了衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度站間時(shí)間同步，路徑時(shí)延被充分地抵消，站鐘計(jì)算結(jié)果幾乎不受路徑時(shí)延誤差的影響。因此，衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法是一種高精度的鐘差獲取方法。

衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)；相對(duì)論；設(shè)備時(shí)延；電離層；對(duì)流層

1　引　言

高精度時(shí)間同步技術(shù)是建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，是提高導(dǎo)航定位精度的關(guān)鍵技術(shù)。人造衛(wèi)星上天后，人們開始把目光轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞上，衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)法得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。本文給出了衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)法的原理，并利用北京站和國(guó)家授時(shí)中心的雙向比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

2　衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)法原理

衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法的基本原理可以用下面兩站之間的觀測(cè)來(lái)說(shuō)明：地面站A、B分別在自己鐘面時(shí)互發(fā)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，分別被對(duì)方站B、A接收，從而測(cè)得兩個(gè)時(shí)延值。兩站之間的相對(duì)鐘差可由兩個(gè)時(shí)延值之差計(jì)算得到，如公式(1)所示，

(1)

式中，ΔTAB為兩站間相對(duì)鐘差，RA和RB分別為A、B兩站的時(shí)延觀測(cè)值，tAS、tSB、tBS和tSA分別為兩站與衛(wèi)星間信號(hào)傳播時(shí)延。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得地心非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的計(jì)算公式，如式(2)所示：

(2)

3　改正項(xiàng)分析

3.1設(shè)備時(shí)延修正

3.2電離層改正

由雙頻觀測(cè)偽距給出的電離層改正值為：

(3)

(4)

上式中，ρL1、ρL2為輸入的第一頻率f1和第二頻率f2偽距觀測(cè)值。

3.3對(duì)流層改正

ΔρT=Δρd+Δρw

(5)

(6)

(7)

其中，

lc=0.1667-(0.076+0.15×10-3T)exp(-0.3E)，

hd=148.72×[(T+273.13)-3.245]，

hw=1100000，

(8)

式(8)中，E為衛(wèi)星信號(hào)的高度角，Re為測(cè)站的地心距，T為測(cè)站的地面絕對(duì)溫度，P為大氣壓，e為相對(duì)濕度。

3.4Sagnac效應(yīng)改正

Sagnac效應(yīng)是信號(hào)傳輸時(shí)間內(nèi)由于地球自轉(zhuǎn)引入的一種相對(duì)論誤差[3]，它是由地球相對(duì)于慣性坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)引起的。當(dāng)一個(gè)時(shí)間信號(hào)從地面站A傳遞到衛(wèi)星，A站信號(hào)發(fā)射到衛(wèi)星經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，此時(shí)衛(wèi)星并不在A站信號(hào)發(fā)射時(shí)的位置，卻到達(dá)了新的位置，衛(wèi)星位置的變化引起衛(wèi)星的地面站之間的距離變化。因此必須剔除相對(duì)論效應(yīng)的影響，否則影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測(cè)站A與衛(wèi)星之間單條路徑Sagnac效應(yīng)計(jì)算公式如下：

(9)

式中，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，c為光速，(XA,YA)和(XS,YS)分別為地面站A和衛(wèi)星S的坐標(biāo)。

3.5相對(duì)論周期改正

相對(duì)論周期改正可以采用下式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(10)

(11)

(12)

(13)

3.6衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延改正

假如我們采用固定的頻率，兩個(gè)地面站的衛(wèi)星接收天線轉(zhuǎn)發(fā)均使用同一轉(zhuǎn)發(fā)器，則時(shí)延差為零；如果采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)器，則需要進(jìn)行該項(xiàng)改正。不同轉(zhuǎn)發(fā)器的時(shí)延可以采用數(shù)據(jù)處理方法精確結(jié)算得到，并作為常值使用。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法計(jì)算站鐘的比對(duì)精度，利用北京站和國(guó)家授時(shí)中心的站間時(shí)間同步設(shè)備，通過(guò)GEO衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)。取UTC2011年7月1日00:27:35～7月3日12:17:27時(shí)間段內(nèi)，北京和國(guó)家授時(shí)中心的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)計(jì)算，得到北京和國(guó)家授時(shí)中心的站間鐘差結(jié)果和一階、二階擬合殘差結(jié)果，分別如圖1、圖2所示。

圖1　UTC2011年7月1日00:27:35～7月3日12:17:27北京-國(guó)家授時(shí)中心站鐘一階擬合結(jié)果

圖2　UTC2011年7月1日00:27:35～7月3日12:17:27北京-國(guó)家授時(shí)中心站鐘二階擬合結(jié)果

北京和國(guó)家授時(shí)中心之間站間時(shí)間比對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所示：

北京-國(guó)家授時(shí)中心間時(shí)間比對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

時(shí)間段擬合方式a0(ns)a1(s/s)a2(s/s2)Sigma(ns)7月1日00:27:35～7月3日12:17:27一階擬合-1415.5-1.12e-130.739二階擬合-1415.2-1.19e-133.44e-200.728

根據(jù)上述時(shí)間比對(duì)結(jié)果，得出北京和國(guó)家授時(shí)中心的站間鐘差結(jié)果擬合誤差均不超過(guò)0.8ns。由此看出，雙向時(shí)間比對(duì)方法的比對(duì)精度很高。

5　結(jié)　論

北京和國(guó)家授時(shí)中心之間的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)果表明：衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度站間時(shí)間同步[5]，計(jì)算過(guò)程中路徑時(shí)延被充分地抵消，站鐘計(jì)算結(jié)果幾乎不受路徑時(shí)延誤差的影響。

[1]Weiss M A. Weighting and Smoothing of Data in GPS Common View Time Transfer [C]. Proceedings of Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting, USA, 1985.

[2]Plumb J. Carrier Phase Time Transfer Using Global Positioning System [M].Colorado: University of Colorado, 2003.

[3]J.A. Davis, etc. European two - Way satellite time transfer experiments using the INTELSAT(VA - F13) Satellite at 307°E [J]. IEEE Transactions on instrumentation and Measurement, 1995, 44(2)：90-93.

[4]劉利. 相對(duì)論時(shí)間比對(duì)與高精度時(shí)間同步技術(shù)[D]. 鄭州: 信息工程大學(xué), 2004.

[5]許其鳳. 空間大地測(cè)量學(xué)——衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位[M]. 北京: 解放軍出版社, 2001.

TWSTT Experiment

Xu Zhaoxia1, Shi Xin1, Chen Wenjing2, Zuo Dawei3

1.Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China 2.People’s Republic Security of China ,Beijing 100038, China 3.The North China Institute of Technology, Beijing 100083, China

TWSTT involves the factors such as device delay correction, ionosphere delay, troposphere delay, Sagnac correction, relativity period correction and satellite transmitter delay in computing the clock offset between stations. TWSTT experiment was made between Beijing station and National Timing Center. The experimental results show that TWSTT can achieve high-precision synchronization between stations because the path delay is fully counteracted, which has almost no influences on the station clock result. Therefore TWSTT is a method to get high precision clock difference between stations.

TWSTT; theory of relativity; device delay; ionosphere; troposphere

2015-03-16。

許昭霞(1974—)，女，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

P228

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