分類號(hào)分類號(hào) 密級(jí)密級(jí) UDC 編號(hào)編號(hào) 博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞誤差研究衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞誤差研究 武文俊武文俊 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 李志剛李志剛 研究員研究員 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 理學(xué)博士理學(xué)博士 學(xué)科專業(yè)名稱學(xué)科專業(yè)名稱 天體測(cè)量與天體力學(xué)天體測(cè)量與天體力學(xué) 論文提交日期論文提交日期 2012.04 論文答辯日期論文答辯日期 2012.05 培培 養(yǎng)養(yǎng) 單單 位位 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心 學(xué)位授予單位學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席答辯委員會(huì)主席 博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞誤差研究衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞誤差研究 博士研究生：博士研究生： 武文俊武文俊 指指 導(dǎo)導(dǎo) 老老 師：師： 李志剛李志剛 研究員研究員 專專 業(yè)業(yè) 名名 稱：稱： 天體測(cè)量與天體力學(xué)天體測(cè)量與天體力學(xué) 研研 究究 方方 向：向： 高精度時(shí)間比對(duì)與技術(shù)高精度時(shí)間比對(duì)與技術(shù) 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心 2012 年年 05 月月 Research on Two-way Satellite Time and Frequency Transfer Errors A dissertation submitted to Graduate University of the Chinese Academy of Sciences in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy By Wu Wenjun Supervised by Prof. Li Zhigang National Time Service Center Chinese Academy of Sciences Xian, 710600, P.R. China May, 2012 摘要 I 摘要摘要 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞（TWSTFT）是目前世界上最準(zhǔn)確的遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì) 技術(shù)之一， 其時(shí)間比對(duì)準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度分別優(yōu)于 1ns 和 10-14（1 天） 。 從 1999 年開始， TWSTFT 經(jīng) ITU 推薦被正式用于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的計(jì)算。目前它 已廣泛應(yīng)用于時(shí)頻，電信和衛(wèi)星導(dǎo)航等諸多個(gè)領(lǐng)域。由于傳播信號(hào)路徑的近似對(duì) 稱性，TWSTFT 原則上使電離層改正、對(duì)流層改正、幾何路徑改正等路徑時(shí)延 誤差的影響大部分被抵消，這是 TWSTFT 方法本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是能獲得高 精度時(shí)間比對(duì)的原因。 隨著 TWSTFT 技術(shù)發(fā)展及觀測(cè)頻度加密， 發(fā)現(xiàn)在 TWSTFT 結(jié)果中仍存在 13ns 左右的周日變化的剩余系統(tǒng)誤差。本文利用中科院轉(zhuǎn)發(fā)式 測(cè)軌網(wǎng)及國(guó)際 TWSTFT 鏈路數(shù)據(jù)， 深入研究了 TWSTFT 中各項(xiàng)誤差的影響：（1） 大氣時(shí)延誤差：為了避免信號(hào)間的相互干擾，雙向通信鏈路的上下頻率不同引起 了 TWSTFT 中的大氣影響。大氣對(duì) TWSTFT 的影響，主要包括兩個(gè)方面：對(duì)流 層和電離層。對(duì)流層影響較小，主要用模型來修正，在精度要求不高的情況下， 可以忽略，但隨著技術(shù)的發(fā)展，必須進(jìn)行詳細(xì)的研究；電離層影響較大，對(duì)于后 處理的 TWSTFT 技術(shù)，可以使用 IGS 提供的電離層產(chǎn)品等來修正。在 KU 波段 電離層和 C 波段電離層影響分別約 00.05ns 和 00.7ns，并且具有周日變化特 征。 （2）地面設(shè)備時(shí)延在 TWSTFT 中的影響：利用轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)軌網(wǎng)數(shù)據(jù)，研究了 溫度對(duì)地面設(shè)備時(shí)延的影響，結(jié)果顯示二者基本呈線性變化關(guān)系，室外部分時(shí)延 隨自然環(huán)境溫度變化具有周日波動(dòng)的特征。 調(diào)制解調(diào)器是 TWSTFT 的主要設(shè)備， 利用各種地面設(shè)備研究了 TWSTFT 中與調(diào)制解調(diào)器相關(guān)的各種誤差影響因素， 對(duì)某些方面提出了相應(yīng)的解決方案。 （3）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的影響：通過國(guó)際 TWSTFT 鏈路數(shù)據(jù)研究了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)雙向時(shí)間比對(duì)的影響，分析表明：不同的轉(zhuǎn)發(fā)器大 大增大了 TWSTFT 周日效應(yīng)的幅度，轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延是引起雙向周日變化剩余系統(tǒng) 誤差的主要原因。在 TWSTFT 中采用函數(shù)擬合法可以基本消除該項(xiàng)的影響。 （4） 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì) TWSTFT 的影響：地球靜止衛(wèi)星相對(duì)于地面做小幅度的周日運(yùn)動(dòng)。 在常規(guī)的 TWSTFT 計(jì)算中，認(rèn)為衛(wèi)星靜止不動(dòng)，Sagnac 效應(yīng)是常數(shù)。本文利用 轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)軌網(wǎng)的精密軌道數(shù)據(jù)，深入分析了衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì) Sangnac 效應(yīng)的影響。在 TWSTFT 過程中，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)使得信號(hào)的幾何上下行距離不相等，引起了幾 何路徑抵消誤差。該項(xiàng)誤差主要由衛(wèi)星速度和兩站到達(dá)信號(hào)的時(shí)刻差有關(guān)。利用 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 II TWSTFT 觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用歷元間偽距差分計(jì)算出衛(wèi)星與兩站視方向的速度和與 信號(hào)到達(dá)時(shí)刻差相乘即可修正衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的幾何路徑時(shí)延誤差。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì) Sagnac 效應(yīng)和上下行幾何距離不等的誤差影響雙向的周日波動(dòng)范圍分別約 0.1ns 和 0.05ns。TWSTFT 中的周日變化誤差還可以采用 TWSTFT 與 GNSS 時(shí)間傳遞 數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)改善。 GNSS 時(shí)間傳遞是世界上主要時(shí)間傳遞技術(shù)之一。 GNSS 具有很好的短期穩(wěn)定性。衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 TWSTFT 由于造價(jià)昂貴，觀測(cè)時(shí)間段少，而 GNSS 由于造價(jià)相對(duì)較低，設(shè)備簡(jiǎn) 單可以全天時(shí)觀測(cè)。將二者進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，通過使用 Vondrak-Cepek 濾波組 合可以很好的改善 TWSTFT 過程中的周日效應(yīng)。TWSTFT 的應(yīng)用越來越廣泛， 它的深入研究對(duì)諸多領(lǐng)域都有重要的意義。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：TWSTFT，大氣修正，硬件時(shí)延，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，GNSS 時(shí)間傳遞 ABSTRACT I Research on Two-way Satellite Time and Frequency Transfer and Its Application Wu Wenjun (Astrometry and Celestial Mechanics) Directed by Research Professor Li Zhigang Abstract Two-way satellite time and frequency transfer（TWSTFT）is the most accurate mean for remote clock comparison with an uncertainty in time of less then 1ns and with relative uncertainty for frequency of about 1 part in 1014 at averaging times of one day. It has been used to calculate the Coordinated Universal Time （UTC） through ITUs recommendation by 1999. TWSTFT is widely used in time and frequency community，telecommunication administration and satellite navigation system. It has the important significant to many fields for studying the TWSTFT. The signal in TWSTFT is almost symmetrical. It is mostly canceled out for ionosphere delay, troposphere delay and geometrical delay and so on in principal. It is the advantage of TWSTFT and the reason for high accuracy. Along with the development of TWSTFT and the denseness of observation，it is showed that some diurnal variation systematic errors in TWSTFT. It is studied for each error effect in detailed through the data of Transfer Satellite Orbit Determination Net and international TWSTFT links. 1. The atmosphere effect in TWSTFT For avoiding the disturbing, the frequencies are different for up link and down link signals. It results to the atmosphere effect in TWSTFT. This includes ionosphere and troposphere effects. The troposphere effect is very small. It can be modified by troposphere models. If the time comparison accuracy is not high， it can be ignore. The ionosphere effect is obvious. It can used the ionosphere product of IGS to modify the error for after-processing technology. 2. The equipment time delay in TWSTFT The equipment time delay is the major error source. The equipments delay is closely relation with temperature variation. It is showed that the equipment delay 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 II variety with temperature is linear in the normal temperature. The modem is the major equipment in TWSTFT. It is studied for each error effect related with modem. The resolution is proposed. 3. The satellite transfer effect It is studied in detailed for the satellite transponder by the data of international TWSTFT links. It is analysis that different satellite transponder can highly increase the amplitude of diurnal variation. 4. The satellite motion effect in TWSTFT The geostationary satellite is not absolutely stationary，but it dose the diurnal motion that the amplitude is small. It is regarded as stationary for geostationary satellite and the Sagnac effect is constant in conventional method. It is studied the effect of satellite motion to TWSTFT in detailed through the data of Transfer Satellite Orbit Determination Net. Satellite motion is a kind of the incomplete reciprocity and can result that the uplink geometry paths arent equal to the downlink geometry paths. Satellite motions correction depends on the sum satellite velocity at sight direction and time difference between the signal from two stations arrive at the satellite. It is corrected the effect by the pseudorange difference between the epochs method. 5. The combination of GNSS time transfer and TWSTFT The GNSS has been the major time transfer technology form 1980s. The short-term stability of GNSS is better than TWSTFT，but the long-term stability of TWSTFT is better than the GNSS. The TWSTFT equipment is very expensive and the observation data is fewer than GNSS，but the GNSS equipment is cheap and the observation data is more than the TWSTFT. It can decrease the amplitude of diurnal variation through the method of combination of GNSS time transfer and TWSTFT using Vondrak-Cepek filter. keywords: TWSTFT，atmosphere delay，equipment delay，satellite motion，GNSS time transfer，TWSTFT application 目錄 I 目錄目錄 第一章 緒論.1 1.1 引言.1 1.1.1 時(shí)間的概念1 1.1.2 遠(yuǎn)距離時(shí)間頻率傳遞2 1.2 TWSTFT 的發(fā)展及其國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀4 1.3 研究目的與意義.6 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容7 第二章 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞原理.9 2.1 時(shí)間頻率傳遞技術(shù).9 2.2 ITU 有關(guān)衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的決議9 2.3 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞基本原理.10 2.4 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞中的系統(tǒng)誤差源.12 2.5 國(guó)際衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞網(wǎng).13 2.5.1 歐洲 TWSTFT 網(wǎng)絡(luò)鏈路.13 2.5.2 亞太地區(qū) TWSTFT 網(wǎng)絡(luò)鏈路14 2.5.3 北美洲 TWSTFT 網(wǎng)絡(luò)鏈路14 2.6 地球靜止軌道衛(wèi)星15 2.6.1 地球靜止軌道軌道衛(wèi)星的通信功能.15 2.6.2 地球靜止軌道軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特征.15 2.7 衛(wèi)星業(yè)務(wù)的頻率分配.16 2.8 本章小結(jié).17 第三章衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的系統(tǒng)構(gòu)成.18 3.1 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的基本系統(tǒng).18 3.2 原子鐘.19 3.3 甚小口徑天線終端.19 3.3.1 結(jié)構(gòu)組成.20 3.3.2 天線口徑.21 3.4 調(diào)制解調(diào)器.21 3.4.1 MITREX2500 22 3.4.2 SATRE Modem23 3.4.3 其他調(diào)制解調(diào)器.24 3.5 鏈路計(jì)算24 3.6 本章小結(jié)27 第四章 大氣誤差修正.28 4.1 對(duì)流層.28 4.1.1 大氣毫米波傳播模型.29 4.1.2 Marini 模型31 4.2 電離層誤差.31 4.2.1 IGS 電離層總電子含量圖 32 4.2.2 雙頻電離層改正.35 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 II 4.3 本章小結(jié)38 第五章 儀器誤差對(duì) TWSTFT 的影響.39 5.1 溫度對(duì)設(shè)備時(shí)延的影響.39 5.1.1 室內(nèi)部分的設(shè)備時(shí)延溫度變化.39 5.1.2 室外部分的設(shè)備時(shí)延溫度變化.41 5.2 與調(diào)制解調(diào)器相關(guān)的誤差.43 5.2.1 不同碼速率的影響.43 5.2.2 不同碼之間的干擾.46 5.2.3 遲早鎖相環(huán)跟蹤誤差.49 5.2.4 載噪比對(duì)時(shí)間比對(duì)的影響.50 5.2.5 信號(hào)頻率對(duì)時(shí)延的影響.51 5.3 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器不穩(wěn)定的影響.52 5.4 本章小結(jié).57 第六章 地面站設(shè)備時(shí)延的校準(zhǔn).58 6.1 衛(wèi)星模擬器.58 6.2 移動(dòng)標(biāo)校站.63 6.3 GNSS 校準(zhǔn)64 6.4 本章小結(jié).64 第七章 地面站及其衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤差修正.66 7.1 Sagnac 效應(yīng)66 7.1.1 Sagnac 效應(yīng)產(chǎn)生的原因.66 7.1.2 Sagnac 效應(yīng)算法及其在 TWSTFT 中的修正67 7.1.3 靜止軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng).70 7.1.4 Sagnac 效應(yīng)實(shí)際計(jì)算分析.71 7.2 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響.73 7.2.1 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響的原理.73 7.2.2 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)影響的消除.74 7.3 衛(wèi)星機(jī)動(dòng)對(duì) TWSTFT 的影響76 7.4 非靜止軌道衛(wèi)星的雙向時(shí)間比對(duì).77 7.5 運(yùn)動(dòng)中的雙向時(shí)間比對(duì).78 7.6 本章小結(jié).79 第八章 GNSS 時(shí)間傳遞及其與 TWSTFT 融合處理方法.80 8.1 GNSS 單向授時(shí)80 8.2 GNSS 共視法與全視法82 8.3 GPS 精密單點(diǎn)定位時(shí)間比對(duì).85 8.4 GNSS 與 TWFTFT 的融合處理88 8.5 本章小結(jié).94 第九章 總結(jié)與展望.95 9.1 本文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn).95 9.2 進(jìn)一步工作展望.96 參考文獻(xiàn).98 攻讀博士學(xué)位期間完成的主要工作.104 致 謝 106 圖表目錄 I 圖表目錄圖表目錄 圖 1.1 時(shí)刻與時(shí)間段的關(guān)系示意圖.1 圖 1.2 UTC 產(chǎn)生示意圖2 圖 1.3 世界上主要的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路6 圖 2.1 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞原理圖11 圖 3.1 TWSTFT 主要設(shè)備組成圖 .18 圖 3.3 MITREX2500 設(shè)計(jì)框圖 .23 圖 3.4 帶有下變頻器的單通道 SATRE 設(shè)計(jì)框圖.24 圖 3.5 SATRE 抖動(dòng)隨信噪比的變化圖26 圖 4.1 MPM 模型對(duì)流層延遲隨頻率的變化圖.30 圖 4.2 總電子含量示意圖.32 圖 4.3 IGS 給出的一幅全球電離層總電子含量圖 33 圖 4.4 電離層穿刺點(diǎn)四點(diǎn)網(wǎng)格內(nèi)插圖34 圖 4.9 IGS 電離層修正 KU 波段昆明西安 TWSTFT 鏈路電離層時(shí)延誤差結(jié)果 .35 圖 4.6 IGS 電離層修正 C 波段長(zhǎng)春西安 TWSTFT 鏈路電離層時(shí)延誤差結(jié)果.36 圖 4.7 IGS 電離層修正 C 波段昆明西安 TWSTFT 鏈路電離層時(shí)延誤差結(jié)果.36 圖 4.8 IGS 電離層修正 C 波段烏魯木齊西安 TWSTFT 鏈路電離層時(shí)延誤差.36 圖 4.10 2011 年 11 月 11 日雙頻修正 C 波段電離層時(shí)延誤差結(jié)果.38 圖 4.11 2011 年 11 月 12 日雙頻修正 C 波段電離層時(shí)延誤差結(jié)果38 圖 5.1 Modem 對(duì) Modem 直連結(jié)構(gòu)圖39 圖 5.2 單臺(tái) SATRE 發(fā)射通道時(shí)延隨溫度的變化.40 圖 5.3 單臺(tái) SATRE 接收通道時(shí)延隨溫度的變化.40 圖 5.4 地面 A 站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和與溫度隨時(shí)間的變化.42 圖 5.5 地面 B 站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和與溫度隨時(shí)間的變化.42 圖 5.6 地面 C 站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和與溫度隨時(shí)間的變化.42 圖 5.7 地面 A 站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和隨溫度的變化關(guān)系.43 圖 5.8 地面 B 站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和隨溫度的變化關(guān)系.43 圖 5.9 20MHz 碼速率轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)軌網(wǎng)主站與 A 副站時(shí)間比對(duì)精度.44 圖 5.10 20MHz 碼速率轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)軌網(wǎng)主站與 B 副站時(shí)間比對(duì)精度.44 圖 5.11 2.5MHz 碼速率 NICT 與 PTB 時(shí)間比對(duì)精度.45 圖 5.12 2.5MHz 碼速率 USNO 與 PTB 時(shí)間比對(duì)精度.45 圖 5.13 不同碼速率地面站設(shè)備時(shí)延.46 圖 5.14 地面站測(cè)量精度隨碼速率的變化關(guān)系圖46 圖 5.15 碼序列長(zhǎng)度相同結(jié)構(gòu)不同地面站時(shí)延測(cè)量結(jié)果47 圖 5.16 5MHz 碼速率時(shí) 7、10、20 和 30 號(hào)短碼對(duì) 6 號(hào)短碼產(chǎn)生的干擾.47 圖 5.17 20MHz 碼速率時(shí) 6、7、8 和 8 號(hào)長(zhǎng)碼對(duì) 3 號(hào)長(zhǎng)碼產(chǎn)生的干擾.48 圖 5.18 不同頻偏對(duì)各長(zhǎng)度相同序列結(jié)構(gòu)不同碼之間的干擾.49 圖 5.19 SATRE 延遲鎖定環(huán)結(jié)構(gòu)圖49 圖 5.20 三種 DLL 的理論鑒相 S 曲線.50 圖 5.21 信號(hào)接收功率與信噪比的關(guān)系.51 圖 5.22 SATRE 時(shí)延與頻率隨時(shí)間的變化.51 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 II 圖 5.22 地面站時(shí)延與頻率隨時(shí)間的變化51 圖 5.23 SATRE 時(shí)延隨頻率的變化.52 圖 5.24 地面站時(shí)延隨頻率的變化52 圖 5.26 五個(gè)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室地理位置分布53 圖 5.27 NTSC 與 PTB 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果.54 圖 5.28 NICT 與 PTB 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果.54 圖 5.28 NICT 與 PTB 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果.55 圖 5.30 歐亞兩鏈路分別與 PTB 雙向時(shí)間比對(duì)殘差圖.55 圖 5.29 USNO 與 PTB 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果.56 圖 5.30 NICT 與 PTB 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果56 圖 5.31 TL 與 NICT 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果57 圖 6.1 使用衛(wèi)星模擬器測(cè)量地面站發(fā)射和接收通道時(shí)延和58 圖 6.2 使用衛(wèi)星模擬器測(cè)量地面站接收通道和校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延和60 圖 6.3 測(cè)量地面站發(fā)射通道和校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延和61 圖 6.4 測(cè)量接收62 圖 6.5 奧地利 TUG 移動(dòng)站校準(zhǔn)結(jié)果.63 圖 6.6 GPS 校準(zhǔn) TWSTFT 地面設(shè)備時(shí)延64 圖 7.1 地面站向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào).66 圖 7.2 衛(wèi)星向地面站發(fā)射信號(hào).67 圖 7.3 Sagnac 的基本公式68 圖 7.4 鑫諾一號(hào)衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡圖.70 圖 7.5 亞太一號(hào)衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡圖.70 圖 7.6 利用鑫諾一號(hào)進(jìn)行上海與喀什雙向時(shí)間比對(duì)時(shí)的 Sagnac 效應(yīng)校正結(jié)果71 圖 7.7 利用鑫諾一號(hào)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)春與三亞雙向時(shí)間比對(duì)時(shí)的 Sagnac 效應(yīng)校正結(jié)果72 圖 7.8 利用亞太一號(hào)進(jìn)行上海與喀什雙向時(shí)間比對(duì)時(shí)的 Sagnac 效應(yīng)校正結(jié)果72 圖 7.9 利用亞太一號(hào)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)春與三亞雙向時(shí)間比對(duì)時(shí)的 Sagnac 效應(yīng)校正結(jié)果72 圖 7.10 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生誤差原理73 圖 7.11 利用鑫諾一號(hào)進(jìn)行西安上海 TWSTFT 比對(duì)時(shí)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的誤差.75 圖 7.12 利用鑫諾一號(hào)進(jìn)行西安烏魯木齊 TWSTFT 比對(duì)時(shí)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的誤差.75 圖 7.13 動(dòng)力統(tǒng)計(jì)學(xué)與歷元間偽距差分速度解算比較.76 圖 7.14 衛(wèi)星機(jī)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星到兩站視方向速度和的影響.76 圖 7.14 衛(wèi)星機(jī)動(dòng)對(duì) TWSTFT 的影響.77 圖 7.15 亞太 1 號(hào)衛(wèi)星與西安和烏魯木齊兩站的視向速度和78 圖 8.1 位置地面位置單向授時(shí)觀測(cè)原理圖81 圖 8.2 共視時(shí)間傳遞原理圖82 圖 8.3 GPST 與 IGST 中的誤差演進(jìn)示意圖.84 圖 8.4 全視觀測(cè)原理圖85 圖 8.5 精密單點(diǎn)定位解算的 PTB 鐘差87 圖 8.6 精密單點(diǎn)定位解算的 PTB 鐘差.87 圖 8.7 精密單點(diǎn)定位解算的 NIST 鐘差87 圖 8.8 精密單點(diǎn)定位解算的 USNO 鐘差88 圖 8.9 PPP 解算 PTB 與 USNO 的鐘差.88 圖 8.10 PPP 解算 PTB 與 NIST 的鐘差.88 圖 8.11 2011 年 2 月 18 日 TWSTFT 與 PPP 分別解算的 USNU 與 PTB 的鐘差89 圖表目錄 III 圖 8.12 TWSTFT 與 PPP 分別解算的 USNU 與 PTB 的鐘差.89 圖 8.14 TWSTFT 與 PPP 融合結(jié)果圖93 圖 8.15 PPP 鐘差變化率與 TWSTFT 融合結(jié)果圖.93 表 2.1 ITU 無線電頻譜劃分.16 表 2.2 衛(wèi)星常用頻段劃分.16 表 4.1 大氣毫米波傳播模型輸入?yún)⒘勘?30 表 5.1 三種延遲鎖定環(huán)性能.49 表 5.2 TWSTFT 中各誤差項(xiàng)的周日變化幅度 55 表 7.1 兩站上行信號(hào)各種誤差源對(duì)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)刻差的影響.74 第一章 緒 論 1 第一章第一章 緒論緒論 1.1 引言 1.1 引言 1.1.1 時(shí)間的概念時(shí)間的概念 時(shí)間是國(guó)際基本單位制中七個(gè)基本單位之一， 時(shí)間單位的定義和測(cè)量是歷史 最悠久、情況最復(fù)雜、測(cè)量精度最高的一個(gè)基本單位（漆貫榮，2006） 。 時(shí)間概念的產(chǎn)生經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的階段。世界上一切事物的產(chǎn)生、發(fā)展和消 亡，都是和時(shí)間緊密聯(lián)系在一起的，沒有任何一種事物能夠與時(shí)間毫無關(guān)系。人 們通常所談到的時(shí)間，一般有兩種含義：一種是時(shí)刻的含義，即它所表示的是某 一事件發(fā)生的瞬間。有了這種概念，人們就可以根據(jù)時(shí)刻區(qū)分兩件事件發(fā)生的前 后次序。時(shí)間的另一種含義是時(shí)間間隔。它所表示的是發(fā)生在不同時(shí)刻的兩件事 之間的時(shí)間間域或某一過程持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，如圖 1.1 所示為時(shí)刻與時(shí)間間隔關(guān) 系。人們一直尋找穩(wěn)定并可以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)來作為計(jì)時(shí)的工具。計(jì)時(shí)學(xué)的發(fā)展主要 經(jīng)歷了三個(gè)階段：原始測(cè)量階段、天文測(cè)量階段和電子測(cè)量階段。原始測(cè)量階段 主要是依靠簡(jiǎn)單的自然現(xiàn)象或事件來進(jìn)行時(shí)間的計(jì)量， 比如人類依靠日升日落形 圖 1.1 時(shí)刻與時(shí)間段的關(guān)系示意圖 成了天的概念，日出而作，日落而息，這是最直觀的時(shí)間概念，人們還可以在墻 上或其它什么地方每天劃一道痕跡的辦法來計(jì)算天數(shù)， 也可能利用在繩上打結(jié)的 方法來記日期；天文測(cè)量階段人們主要根據(jù)日月星辰運(yùn)動(dòng)規(guī)律來計(jì)量時(shí)間，比如 依據(jù)地球的自轉(zhuǎn)定義的真太陽時(shí)以及平太陽時(shí)和依據(jù)地球公轉(zhuǎn)定義的歷書時(shí)等； 電子測(cè)量階段人們主要依據(jù)精密的電子儀器來計(jì)量時(shí)間， 比如依據(jù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生 的晶體振蕩器和依據(jù)原子能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的原子鐘等。 目前所用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是協(xié) 調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time，UTC） ，它是電子測(cè)量技術(shù)與天文測(cè)量技 術(shù)的融合，具有原子時(shí)與世界時(shí)的共同優(yōu)點(diǎn)，原由國(guó)際時(shí)間局（BIH）發(fā)布，自 從 1998 年由位于法國(guó)巴黎附近的國(guó)際權(quán)度局（BIPM）發(fā)布。它產(chǎn)生的具體過程 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 2 是首先由位于世界各地時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室的商品原子鐘計(jì)算出自由原子時(shí)（EAL） ，然 后使用某些實(shí)驗(yàn)室性能更好的的基準(zhǔn)頻標(biāo)（PFS）對(duì) EAL 進(jìn)行校準(zhǔn)，產(chǎn)生國(guó)際 原子時(shí)（TAI） ，TAI 與由地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS）公布的和天文有關(guān)的世界時(shí) （Universal Time，UT1）相結(jié)合，用閏秒的方式最后產(chǎn)生 UTC，UTC 由 BIPM 對(duì)外公布，其形成過程如圖 1.2 所示。 圖 1.2 UTC 產(chǎn)生示意圖 1.1.2 遠(yuǎn)距離時(shí)間頻率傳遞遠(yuǎn)距離時(shí)間頻率傳遞 計(jì)時(shí)進(jìn)入電子測(cè)量階段后，計(jì)時(shí)工具是不同的物理實(shí)體，不同的鐘具有不同 的屬性。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度以及各鐘之間的時(shí) 間同步精度要求越來越高。遠(yuǎn)距離時(shí)間同步的技術(shù)主要有搬運(yùn)鐘、GNSS 時(shí)間傳 遞和衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)等手段。除此之外，還有光纖時(shí)間傳遞和激光時(shí)間傳遞等 其他手段。 （1）搬運(yùn)鐘：搬運(yùn)鐘時(shí)間比對(duì)的目的是對(duì) A、B 兩臺(tái)鐘的時(shí)間進(jìn)行比對(duì)， 選取搬運(yùn)鐘 M 作為媒介進(jìn)行。該方法的實(shí)施程序?yàn)椋菏紫葘徇\(yùn)鐘 M 與 A 鐘進(jìn) 行本地時(shí)間比對(duì)，然后將搬運(yùn)鐘 M 搬運(yùn)至 B 處與 B 鐘進(jìn)行本地時(shí)間比對(duì)，為了 檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的可靠性，搬運(yùn)鐘 M 在 B 處時(shí)間比對(duì)實(shí)驗(yàn)完成后再搬回 A 處，與 A 鐘 進(jìn)行閉環(huán)的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，若搬運(yùn)鐘 M 與 A 鐘前后兩次的實(shí)驗(yàn)誤差范圍可以接受， 認(rèn)為實(shí)驗(yàn)成功可靠，最后將鐘 A、B 分別與搬運(yùn)鐘 M 時(shí)間比對(duì)的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相 減，直接得到 A、B 兩鐘的鐘差。在鐘的搬運(yùn)過程中，要保持搬運(yùn)鐘不斷電并持 第一章 緒 論 3 續(xù)工作。運(yùn)輸工具可以是汽車，也可以是飛機(jī)。1967 年，美國(guó)惠普公司和史密 松天文臺(tái)進(jìn)行了國(guó)際上的第一次搬運(yùn)鐘實(shí)驗(yàn)。1971 年美國(guó)海軍天文臺(tái)進(jìn)行了第 一次環(huán)球飛機(jī)搬運(yùn)鐘實(shí)驗(yàn)。1984 年，我國(guó)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（原陜西天 文臺(tái)） 和美國(guó)海軍天文臺(tái)以及其他國(guó)家級(jí)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行了搬運(yùn)銫原子鐘的 實(shí)驗(yàn)。但是，后來由于這種實(shí)驗(yàn)程序復(fù)雜，逐漸被其他時(shí)間傳遞技術(shù)所代替。 （2）GNSS 時(shí)間傳遞：GNSS 時(shí)間傳遞有多種技術(shù)途徑，分別為單向法、 共視法、全視法和精密單點(diǎn)定位(PPP)法等。單向法是指接收機(jī)直接接收來自衛(wèi) 星的導(dǎo)航信號(hào)來解算地面時(shí)間與 GNSS 系統(tǒng)時(shí)間的差值。 單向法分為地面站位置 已知和地面站未知兩種情況，第一種只需要觀測(cè)一顆導(dǎo)航衛(wèi)星，第二種至少需要 觀測(cè)四顆導(dǎo)航衛(wèi)星。這種方法簡(jiǎn)單、成本低廉，快捷簡(jiǎn)便，但是由于衛(wèi)星鐘與系 統(tǒng)時(shí)間之間鐘差、衛(wèi)星星歷誤差、大氣誤差、接收機(jī)誤差等因素，精度較低，不 能滿足高精度用戶的技術(shù)需求； 共視法是二個(gè)地面站共同觀測(cè)同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn) 行單向時(shí)間傳遞并將單向時(shí)間傳遞結(jié)果相減得到兩地面站之間的鐘差。 由于觀測(cè) 的是同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星， 因此衛(wèi)星鐘與系統(tǒng)時(shí)間之間鐘差徹底消除， 衛(wèi)星星歷誤差、 大氣誤差等部分抵消， 大大地提高了兩站時(shí)間比對(duì)的精度。 這種方法自提出之后， 很快成為國(guó)家級(jí)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室高精度時(shí)間傳遞的主要技術(shù)手段。但是，該方法實(shí)驗(yàn) 時(shí)兩地面站必須對(duì)同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星可見，并且隨著兩站基線的增加，大氣誤差相 關(guān)性越來越差等因素，在某種意義上限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用；隨著 IGS 組織 的發(fā)展，它可以提供 35 厘米的衛(wèi)星軌道精度以及 0.10.2 納秒的衛(wèi)星鐘差。 雙頻測(cè)地接收機(jī)的普及對(duì)于實(shí)時(shí)消除由于電離層引起的傳播誤差比利用模型改 正有很大程度的提高。不僅如此，其它誤差修正方面也有很大程度的改進(jìn)，以這 些技術(shù)為基礎(chǔ)，全視法以及精密單點(diǎn)定位方法有了很大的發(fā)展，時(shí)間比對(duì)的精度 比上述兩種方法有了明顯的提高。從 2006 年開始全視法已經(jīng)在計(jì)算 UTC/TAI 方 面替代了共視法。精密單點(diǎn)定位技術(shù)也已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。 （3）衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞：衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞是指兩地面站同時(shí)向 衛(wèi)星發(fā)射調(diào)制時(shí)間信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后兩站分別接收來自對(duì)方站的信息，兩地面 站將接收的信號(hào)互換后相減，得到兩站之間高精度的時(shí)間鐘差。在衛(wèi)星雙向時(shí)間 比對(duì)的過程中， 由于信號(hào)是相互的， 原則上傳播路徑引起的誤差很大程度的抵消， 時(shí)間比對(duì)精度很高，它廣泛的應(yīng)用于時(shí)頻和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 4 （4）其他時(shí)間傳遞技術(shù)：目前，其他時(shí)間傳遞技術(shù)主要有光纖時(shí)間傳遞和 激光時(shí)間傳遞等。自 1970 年光纖損耗方面和半導(dǎo)體激光器的性能方面取得重大 突破之后，光纖通信進(jìn)入了使用階段（梁雙有等，2003） 。光纖傳輸具有容量大、 速度快，溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此，光纖時(shí)間傳遞是一種可 行的時(shí)間傳遞技術(shù)手段。 激光時(shí)間傳遞技術(shù)是通過激光脈沖在空間的傳播來實(shí)現(xiàn) 地面與衛(wèi)星時(shí)鐘或地球上遠(yuǎn)距離兩地時(shí)鐘的同步，它具有很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定 度。一些國(guó)家已經(jīng)成功進(jìn)行了激光時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明利用激光進(jìn)行時(shí)鐘之 間的同步是行之有效的（李鑫等，2004） 。目前，激光時(shí)間比對(duì)的精度為幾十皮 秒的量級(jí)。激光時(shí)間傳遞的缺點(diǎn)是受天氣條件限制，不能全天候工作。 1.2 TWSTFT 的發(fā)展及其國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1.2 TWSTFT 的發(fā)展及其國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 從 1957 年蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天，人們就注意到用人造衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間傳 遞的可能性。顯然，用人造衛(wèi)星作為媒介特別適用于遠(yuǎn)距離時(shí)間傳遞。1960 年 8 月，美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）用回聲 1 號(hào)（ECHO1）首次進(jìn)行單向法時(shí)間比對(duì)， 由于衛(wèi)星單向法時(shí)間比對(duì)受到多種路徑時(shí)延的影響， 無法準(zhǔn)確計(jì)算從觀測(cè)站到衛(wèi) 星之間的路徑時(shí)延，最終的單向法時(shí)間比對(duì)觀測(cè)結(jié)果很不理想，但是，這次單向 法時(shí)間比對(duì)具有及其重要的意義，它是利用衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間遠(yuǎn)距離傳遞的首次嘗 試。1962 年，橫跨大西洋的美國(guó)和英國(guó)之間使用 Telstar 衛(wèi)星進(jìn)行第一次衛(wèi)星雙 向時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)。盡管由于實(shí)驗(yàn)的對(duì)稱性抵消了很大一部分路徑時(shí)延誤差， 但是因?yàn)楫?dāng)時(shí)通信技術(shù)不發(fā)達(dá)、設(shè)備造價(jià)昂貴以及政策法規(guī)等問題，衛(wèi)星雙向時(shí) 間頻率傳遞并沒有成為常規(guī)的時(shí)間比對(duì)手段。 1949 年，聯(lián)邦電信實(shí)驗(yàn)室的德羅薩和羅戈夫提出了兼有似噪聲信號(hào)和相關(guān) 檢測(cè)的通信系統(tǒng)并利用 10kHz 的直接序列碼擴(kuò)頻在新澤西至加利福尼亞的通信 線上并成功的運(yùn)轉(zhuǎn)。接下來的幾年，擴(kuò)頻技術(shù)在美國(guó)軍方得到了很快的發(fā)展與應(yīng) 用。 擴(kuò)頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中的香農(nóng)信道容量公式： 2 log (1) S CB N =+ （1.1） 其中：C信道容量，單位為 b/s； B信道帶寬，單位為 Hz； 第一章 緒 論 5 S信號(hào)功率，單位為 W； N噪聲功率，單位為 W 。 香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無差錯(cuò)傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪比 以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。當(dāng)信噪比一定時(shí)，信號(hào)傳輸時(shí)的帶寬 越寬，信號(hào)的信道容量越大。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是將待傳輸信息信號(hào)的頻譜用某個(gè)特 定的擴(kuò)頻函數(shù)（與待傳輸?shù)男盘?hào)無關(guān)）擴(kuò)展頻譜后成為寬頻帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 的系統(tǒng)。碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）是由擴(kuò)頻理論和技 術(shù)引出的一種完全不同于頻分多址 （Frequency Division Multiple Access， FDMA） 和時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的方法。 CDMA 不是企 圖分配互不相同的頻帶資源或時(shí)間資源， 而是把所有的頻率資源和時(shí)間資源全部 分配給同時(shí)接受服務(wù)的所有用戶， 但把每個(gè)用戶的輸出功率控制在達(dá)到最低性能 要求所要保持的信噪比上。 每個(gè)用戶采用一個(gè)噪聲式的帶寬信號(hào)并可以任意長(zhǎng)時(shí) 間地占有整個(gè)給定的頻帶， 即在任意時(shí)間多個(gè)用戶可以使用同一頻率的信號(hào)進(jìn)行 通信。擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞中的核心設(shè)備。1983 年，德國(guó) 斯圖加特大學(xué)的 Dr. Hartl 教授首次成功開發(fā)了用于衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的擴(kuò) 頻調(diào)制解調(diào)器。該擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器使用的是截?cái)嗟淖铋L(zhǎng)序列，碼速率為 2MHz。 1985 年， Dr. Hartl 教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行了改進(jìn)， 擴(kuò)充了碼序列數(shù)且將 碼速率增加到 2.5MHz 提升了該設(shè)備的性能。后來，許多國(guó)家的相關(guān)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室 都研究了專用于衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的調(diào)制解調(diào)器， 德國(guó)的調(diào)制解調(diào)器也隨著 通信技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。 隨著微波器件、微波集成、大規(guī)模集成電路、微處理機(jī)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的 發(fā)展，甚小口徑終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）于 20 世紀(jì) 80 年代 最先在美國(guó)興起，發(fā)展速度很快，它是一種天線口徑很小的衛(wèi)星通信地球站，又 稱微型地球站或小型地球站。另一方面，由于管理水平的不斷提高，許多專業(yè)部 門和大型企業(yè)集團(tuán)對(duì)通信尤其是數(shù)據(jù)通信的需求日益迫切， 要求通信系統(tǒng)覆蓋范 圍大、組網(wǎng)迅速靈活、具有多址接入的市場(chǎng)業(yè)務(wù)需求的推動(dòng)，VSAT 也得到了快 速的發(fā)展與應(yīng)用。VSAT 天線直徑很小，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、固體化、智能化、 價(jià)格便宜、安裝方便、對(duì)使用環(huán)境要求不高，且不受地面網(wǎng)絡(luò)的限制，組網(wǎng)靈活 等特點(diǎn)。VSAT 系統(tǒng)由室外單元和室內(nèi)單元組成。室外單元即射頻設(shè)備，包括小 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 6 口徑天線面、上下變頻器、低噪放和功放；室內(nèi)單元即中頻及基帶設(shè)備，包括調(diào) 制解調(diào)器、編譯碼器等，其具體組成因業(yè)務(wù)類型不同而略有不同。 衛(wèi)星的發(fā)射、 擴(kuò)頻通信以及 VSAT 技術(shù)的發(fā)展是衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn) 成為常規(guī)高精度時(shí)間傳遞手段的技術(shù)前提。1986 年，美國(guó)的 NIST 使用 6.1 米和 1.8 米地面天線系統(tǒng)進(jìn)行了 KU 波段的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)并取得了良好 的結(jié)果。 同年， 美國(guó)的 NIST 和 USNO 之間開始了常規(guī)的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞。 20 世界 90 年代，世界上越來越多的雙向比對(duì)鏈路建立起來。從 1999 年 7 月衛(wèi) 星雙向時(shí)間頻率傳遞開始正式用于 UTC/TAI 的計(jì)算。1998 年 10 月中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心開通了中日兩地間的 TWSTFT 比對(duì)；為了保持我國(guó)在時(shí)間頻率傳 遞領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平接軌， 發(fā)揮 NTSC 在國(guó)際原子時(shí)和全球 TWSTFT 中的作 用，NTSC 在加入亞太地區(qū) TWSTFT 比對(duì)鏈的同時(shí)，也在積極開展與歐洲的 TWSTFT 鏈接， NTSC與德國(guó)PTB鏈路被正式用于國(guó)際原子時(shí)UTC/TAI的歸算。 目前，世界上的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞主要有歐洲雙向網(wǎng)、北美雙向網(wǎng)與亞太雙 向網(wǎng)三個(gè)子網(wǎng)組成，如圖 1.3 所示。 圖 1.3 世界上主要的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路 1.3 研究目的與意義 1.3 研究目的與意義 時(shí)間頻率作為一個(gè)重要的基本物理量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、 國(guó)防建設(shè)和基礎(chǔ)科學(xué)研究 中起著越來越重要作用。時(shí)間頻率是目前最準(zhǔn)確的基本物理量，準(zhǔn)確度已經(jīng)進(jìn)入 10 -15量級(jí)。許多其他物理量，例如長(zhǎng)度的米、電學(xué)的電壓都成為由時(shí)間頻率導(dǎo)出 的導(dǎo)出量。近十幾年來的諾貝爾物理獎(jiǎng)有三個(gè)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。現(xiàn)代化的衛(wèi) 星導(dǎo)航技術(shù)也是建立在高準(zhǔn)確度的時(shí)間頻率技術(shù)基礎(chǔ)之上。 時(shí)間頻率傳遞是時(shí)頻 第一章 緒 論 7 領(lǐng)域重要的一個(gè)組成部分，它不僅用來評(píng)定不同鐘的性能與可靠性，也用來同步 不同時(shí)鐘頻率源以滿足各種技術(shù)發(fā)展的需求。 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞被看作是目 前世界上遠(yuǎn)距離鐘比對(duì)最準(zhǔn)確的技術(shù)之一。 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞過程中，信號(hào)的傳播路徑是近似對(duì)稱的，很大程度上 抵消了路徑時(shí)延誤差引起的干擾，這是該技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì)，也是能夠取得高精度 時(shí)間比對(duì)的根本原因。但是，在目前的 TWSTFT 結(jié)果中發(fā)現(xiàn)存在著明顯的周日 變化效應(yīng)， 仍然有一部分系統(tǒng)誤差需要深入研究， 以提高該技術(shù)時(shí)間比對(duì)的精度。 例如，設(shè)備時(shí)延誤差一直是 TWSTFT 過程中的重要誤差源，該項(xiàng)誤差需要進(jìn)一 步探討。衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞常規(guī)上使用的是地球靜止衛(wèi)星，但是地球靜止衛(wèi) 星的精密定軌一直是一個(gè)世界性的難題。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在基于 TWSTFT 的基礎(chǔ)上發(fā)展了轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)定軌技術(shù)，大大提高了靜止衛(wèi)星定軌的精度。 衛(wèi)星定軌精度的提高，可以更加精確的修正由于地球自轉(zhuǎn)引起的 TWSTFT 過程 中的誤差。由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，引起了 TWSTFT 過程中上下行幾何距離的不相等， 這也給時(shí)間比對(duì)帶來了誤差影響。研究衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì) TWSTFT 的影響，不僅能夠 提高利用地球靜止衛(wèi)星進(jìn)行 TWSTFT 時(shí)間比對(duì)時(shí)的精度，還能為使用非地球靜 止衛(wèi)星進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)提供有益的參考。除上述因素外，還有其他方面的時(shí)延 誤差需要更加詳細(xì)的考慮，以提高時(shí)間比對(duì)的精度。 時(shí)間是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的核心，同時(shí)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也為高 精度授時(shí)和時(shí)間傳遞提供了可靠的手段。它與 TWSTFT 是兩種完全獨(dú)立的時(shí)間 比對(duì)方式，它們可以互相評(píng)估。最近新的 GNSS 時(shí)間傳遞技術(shù)，比如，GPS 全 視、P3 和精密單點(diǎn)定位時(shí)間傳遞以及 GLONASS 時(shí)間傳遞方式，都是使用 TWSTFT 來比對(duì)驗(yàn)證的。GNSS 的短期穩(wěn)定度高，而 TWSTFT 的長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu) 于 GNSS 技術(shù)。 研究?jī)煞N技術(shù)的數(shù)據(jù)融合處理具有重要的意義， 能夠提高時(shí)間比 對(duì)的穩(wěn)定度與可靠性，這也是本文的研究?jī)?nèi)容之一。 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文首先深入研究了衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)中的各種系統(tǒng)誤差修正方 法，然后闡述了目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間傳遞技術(shù)并研究其與 TWSTFT 的融合處 理，最后研究推廣 TWSTFT 在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。具體如下所述： 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞及其應(yīng)用研究 8 第一章闡明了時(shí)頻和時(shí)間傳遞技術(shù)概念，重點(diǎn)總結(jié)了 TWSTFT 的發(fā)展歷史 以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說明了本文的研究目的和意義，最后介紹了論文的研究思 路與結(jié)構(gòu)安排。 第二章給出了 TWSTFT 的基本原理與時(shí)間比對(duì)觀測(cè)方程，討論了 TWSTFT 過程中的主要誤差源和所使用衛(wèi)星的特征。介紹了目前國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì) TWSTFT 的相關(guān)建議和歐洲、美洲、亞洲的主要衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路。最后 給出了 ITU 的頻譜分配標(biāo)準(zhǔn)。 第三章介紹了 TWSTFT 系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)介紹了原子鐘、甚小口徑天線終 端、 調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其性能并討論了衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)通信鏈路的技 術(shù)要求。 第四章討論了衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞過程中的大氣誤差修正， 大氣誤差主要 包括對(duì)流層和電離層兩個(gè)方面的影響。 詳細(xì)分析了對(duì)流層和電離層的影響及其修 正方法。 第五章針對(duì)衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的硬件誤差時(shí)延， 研究了溫度對(duì)設(shè)備時(shí)延 的影響、調(diào)制解調(diào)器相關(guān)的時(shí)延誤差影響以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器不穩(wěn)定的影響。在某些 方面，提出了消除或減弱設(shè)備時(shí)延誤差影響的技術(shù)途徑。 第六章討論了 TWSTFT 地面站設(shè)備時(shí)延校準(zhǔn)技術(shù)，主要包括衛(wèi)星模擬器、 地面移動(dòng)標(biāo)校站和 GNSS 標(biāo)校等手段。 第七章利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)定軌技術(shù)確定的精密地 球靜止衛(wèi)星軌道，深入研究了 Sagnac 效應(yīng)對(duì) TWSTFT 的影響，提出了利用歷元 間偽距差分來修正由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的 TWSTFT 過程中誤差的方法，討論了衛(wèi) 星機(jī)動(dòng)過程對(duì)于 TWSTFT 的影響，探討了利用非地球靜止衛(wèi)星進(jìn)行