利用GEO衛星進行轉發式授時的性能分析

史豐豐,李兆南

(北京衛星導航中心,北京 100094)

利用GEO衛星進行轉發式授時的性能分析

史豐豐,李兆南

(北京衛星導航中心,北京 100094)

摘要：利用GEO衛星進行轉發式授時的原理,將監測得到的授時偏差結果與衛星廣播的星歷信息進行比對分析,對衛星的解算星歷和廣播星歷進行分析,分析結果說明:當衛星運動到赤道上方時,z方向的運動加速度最小,速度最大,星歷預報誤差最大,衛星徑向距離偏差最大,此時授時偏差最大;衛星從赤道上方運動到南北兩端過程中,z方向的運動加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預報誤差逐漸變小,衛星運動到南北兩端時,z方向的運動加速度最大,速度最小,星歷預報誤差最小,衛星徑向距離偏差最小,此時授時偏差最小。

關鍵詞：GEO;轉發式授時;廣播星歷;解算星歷

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.004

中圖分類號：TN967.1

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0017-04

收稿日期：2015-03-21

作者簡介

Abstract:This paper introduces the principle of using GEO satellite to execute the repeater time service, compare and analysis between the time service error result and the satellite broadcast ephemeris information,analysis the satellite’s solver ephemeris and broadcast ephemeris.The result illustrates that when the satellite moves to the top of the equator,it has the minimum motion acceleration in the z direction,the maximum speed,the maximum ephemeris prediction error and the maximum deviation of radial distance,so it has the maximum time serves error at this time.When the satellite motions from above the equator to the north and south ends,its motion acceleration in the z direction has gradually increases,the speed has gradually decreases,the ephemeris prediction error has gradually decreases.When the satellite moves to the north and south ends,it has the maximum motion acceleration in the z direction, the minimum speed,the minimum ephemeris prediction error and the minimum deviation of radial distance,so it has the minimum time service error at this time.

0引言

授時是指確定、保持某種時間尺度,并通過一定方式將代表這種尺度的時間信息傳送給使用者的一系列工作[1]。高精度的授時在諸如3G、4G移動通信網絡、電力系統網絡等有著廣泛的應用。目前,大多數授時方法都以某種類型的無線電發播為基礎。根據授時手段的不同分為短波授時、長波授時、衛星授時、互聯網授時和電話授時等。其中,衛星授時由于精度高、成本低,具有廣闊的發展前景。

GEO衛星是位于赤道上空,距離地面高度約36 000 m的地球同步軌道衛星,在某導航系統中有重要的應用,除具有定位、導航、短報文通信等功能外,還可提供高精度的轉發式授時[2]。

本文闡述了在某導航系統中利用GEO衛星進行轉發式授時的原理;通過搭建測試平臺,監測了利用GEO衛星進行轉發式授時的授時結果,發現其精度可以達到50 ns,但具有周期性波動現象,波動周期為日,通過對授時結果與星歷信息的比對,并利用衛星精密星歷計算星歷偏差,找到授時結果周期性波動現象的規律及星歷偏差對授時結果周期性波動現象的影響。

1授時原理

利用GEO衛星進行轉發式授時首先由地面原子鐘控制并產生衛星導航信號的頻率、編碼速率、相位、導航電文,由發射設備經天線發送到GEO衛星,衛星轉發器將授時信號下行傳遞到用戶接收終端,用戶終端的時間間隔計數器以本地鐘秒信號1 PPS作為開門脈沖,以調制解調器檢測出的第n幀信號的參考時標作為關門脈沖,可得測量的時間間隔。根據已知用戶坐標、上行時延、衛星坐標和電離層等參數,可計算出信號傳播時延。通過信號傳播時延以及時間間隔可計算得到用戶本地鐘與地面中心標準時間鐘的鐘差,然后調整本地鐘與標準時間信號對齊,從而完成GEO衛星授時過程。圖1為授時流程示意圖,圖2為授時原理圖。

圖1　授時流程示意圖

圖2　授時原理

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聯系人： 李兆南 E-mail: lizhaonan0127@gmail.com

如圖2所示,Δt=t-k·Δτ-τ,式中Δτ為1幀所對應的時間間隔,是已知量,τ為信號的正向傳播時延(地面站-衛星-用戶),τ=t設備單+tR0+tRu, t設備單是指用戶終端由天線接收到信號輸出的內部時延,作為已知量存儲在用戶終端中,tR0為地面站到GEO衛星的距離時延以及該路徑上對流層和電離層修正值,tRu為用戶到GEO衛星的時延及該路徑上對流層和電離層修正值。

2授時監測

2.1　監測方法

授時接收機的天線接收衛星信號,并以授時模式對衛星信號進行解調,一路將解調出的衛星廣播電文等信息通過USB接口傳送至監控臺,另一路將解調出的1 PPS秒脈沖信號與本地氫原子鐘(SOHM-4)輸出的1 PPS脈沖信號接至測量設備(計數器SR620),測量兩路1 PPS的時差值,并將時差值送至監控臺,完成單向授時結果的監測，如圖3所示。

圖3　單向授時監測設備連接圖

2.2　授時結果

對授時數據進行監測,圖4示出了某GEO衛星7日的授時曲線,發現其授時精度可以達到50 ns,但是存在明顯的周期性波動現象,波動的周期為日。

圖4　某GEO衛星7日授時曲線

圖5示出了某GEO衛星南北軌道保持期間的單向授時曲線,軌道保持是指GEO衛星在隨時間運動過程中,會出現逐漸偏離其相對地球的固定點位的情況,這種偏離達到一定程度的時候,需要進行軌道保持使其回到固定點位附近?？梢钥吹?衛星在南北方向軌道保持后,授時結果的波動幅度明顯變小。

圖5　某GEO衛星南北軌道控制期間的授時曲線

圖6示出了GEO衛星7日在CGCS2000坐標系下的運動軌跡,可以看出,該星并不是嚴格與地球同步,而是以地球赤道上空某固定點位為中心,相對于地球做以日為周期的運動。

圖6　某GEO衛星7日運動軌跡

3授時結果分析

3.1　授時結果與廣播信息對比

根據授時原理,授時結果由四個因素決定:地面站信號發射時刻、信號上行時延、信號下行時延和用戶設備、大氣層時延等其他時延修正。其中,信號上行時延和下行時延是由GEO衛星的廣播電文信息中的星歷信息與地面站及用戶位置計算得到。圖7示出了t時刻授時結果分別與廣播電文信息中GEO衛星的星歷x、y、z方向的位置及速度變化情況進行對比。

圖7　授時結果分別與x、y、z方向位置及速度對比

3.2　解算星歷與發播星歷對比

星歷指衛星軌道,即衛星在某坐標系下的位置,星歷誤差指同一時刻由衛星星歷給出的衛星在空間中的位置與衛星的實際位置之差。衛星的實際位置無法確切知道,但是可以用精密星歷代替,精密星歷通過多個坐標精確已知的地面基站根據測距值后期解算得到,一般來說,精密星歷的誤差在5 cm之內。圖8示出了t時刻衛星的解算星歷與發播星歷在x方向、y方向和z方向的偏差結

圖8　衛星解算星歷與廣播星歷在各方向差值

果,可以看出,衛星在z方向上偏差越大,授時誤差越大。圖9示出了t時刻衛星的解算星歷與發播星歷與地面用戶之間的徑向距離之差。對比圖9和圖7中的授時結果,并結合圖7所示的衛星位置及速度情況,可以得出:當衛星運動到赤道上方時,z方向的運動加速度最小,速度最大,星歷預報誤差最大,衛星徑向距離偏差最大,此時授時偏差最大;衛星從赤道上方運動到南北兩端過程中,z方向的運動加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預

圖9　衛星解算星歷與廣播星歷與地面用戶之間的徑向距離之差

報誤差逐漸變小,衛星運動到南北兩端時,z方向的運動加速度最大,速度最小,星歷預報誤差最小,衛星徑向距離偏差最小,此時授時偏差最小。

4結束語

本文通過測試某導航系統中利用GEO衛星進行轉發式授時的結果,其精度可以達到50 ns,發現其具有周期性波動現象,波動周期為日,并進一步發現該波動現象與星歷信息具有較大關聯:當衛星運動到赤道上方時,z方向的運動加速度最小,速度最大,星歷預報誤差最大,衛星徑向距離偏差最大,此時授時偏差最大;衛星從赤道上方運動到南北兩端過程中,z方向的運動加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預報誤差逐漸變小,衛星運動到南北兩端時,z方向的運動加速度最大,速度最小,星歷預報誤差最小,衛星徑向距離偏差最小,此時授時偏差最小。對GEO衛星進行轉發式授時結果中周期性波動現象的消減是下一步研究的方向。

參考文獻

[1]吳海濤,李孝輝,華宇,等.衛星導航系統時間基礎[M].北京:科學出版社, 2011.

[2]漆貫榮.時間科學基礎[M].北京:高等教育出版社,2006.

史豐豐(1976-),男,高級工程師,主要從事衛星導航、時間頻率工作。

李兆南(1982-),男,工程師,主要從事衛星導航、時間頻率工作。

The Performance Analysis of Using GEO Satellite to

Execute the Repeater Time Service

SHI Fengfeng,LI Zhaonan

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Key words: GEO; repeater time service; broadcast ephemeris; solver ephemeris