卫星双向法时间频率比对系统的研究与构建

卫星双向法时间频率比对技术有效解决了GPS共视法(GPS-CV)比对精度难以满足现实需求的问题,其比对精度可达0.3ns左右.本文根据卫星双向法基本原理,构建了卫星地面接收系统,用于发射和接收时间频率信号.同时进行了初步的数据处理,在综合考虑路径时延等因素的影响下,将最终结果与德国联邦物理技术研究院(PTB)的计算结果进行比较,其一致性非常好,表明该系统工作可靠.该系统已成功应用于中国计量科学研究院(NIM)守时和授时工作.     

基于路径估计的卫星双向传播时延差估算方法

利用卫星广播星历,采用坐标旋转修正Sagnac效应,获知信号传播路径;综合考虑Sagnac效应修正和双向伪距离时延差、电离层时延修正、对流层时延修正,对单向传播时延进行建模,提出一种迭代计算卫星双向时间频率传递(TWSTFT)中双向空间传播时延差的方法。利用北斗导航系统中相距3 376 km的两地面站经过位于东经140°的GEO卫星建立的C波段TWSTFT进行2 d实验。实验结果表明:相比于国际权度局推荐的计算方法,该方法能更好地反映实际双向链路的卫星双向传播时延差随卫星运动而改变的情况,并且卫星运动不但使得双向几何距离时延差(包含Sagnac效应修正)出现幅度为0.412 ns、均值偏差为77 ps的日波动,还造成了双向电离层时延差出现最大幅度为0.120 ns、均值偏差为31 ps的日波动,需从双向测量结果中扣除。     

卫星导航设备组合时延测试方法研究

设备时延准确性是关系卫星导航系统服务精度的关键要素之一,卫星导航系统对于设备时延的实际应用都使用组合时延,接收机定位、定时都需要卫星发射与接收机接收的组合时延,星地时间比对需要卫星发射与地面接收、地面发射与卫星接收的组合时延,站间时间比对需要A站发射与B站接收、B站发射与A站接收的组合时延,卫星轨道确定需要卫星发射与监测接收机的组合时延等.本文论证分析了设备组合时延对于卫星导航系统的重要性,介绍了设备时延的定义,根据测试准确性需要和可实现性因素,提出了使用专用时延传递测试设备分别与两个设备测试以获得组合时延的传递测试方法,并提出了待时延传递设备直接环路测试、卫星共视下不同地面站设备时延差的准确性检核方法,进行了卫星、地面站设备组合时延的传递测试及检核试验,结果表明设备组合时延传递测试闭合性较好、卫星共视下设备时延差与传递测试基本符合,验证了该卫星导航设备组合时延测试方法的可行性.     

双TWSTFT链路北斗站间时间频率传递:钟差阿伦方差的置信区间计算

卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是我国北斗卫星导航系统(BDS)中实现地面站之间时间频率传递的重要方法.不同于通常的站间时频传递系统,BDS的一些地面站之间通过两颗地球静止轨道卫星实现了双TWSTFT独立比对链路.基于此双链路特征,我们之前的研究表明,通过有效分离钟差阿伦方差与测量噪声阿伦方差,可降低测量噪声对站间钟差频率稳定度评估(阿伦方差表示)的影响.本文在假设测量噪声为相位白噪声,钟差噪声为频率白噪声的情况下,推导给出了BDS双TWSTFT链路分离测量噪声阿伦方差获得的站间钟差阿伦方差置信区间的计算方法.对BDS实测数据分析表明,平滑时间=1 s时,通过双TWSTFT链路可获得的站间钟差的阿伦偏差(阿伦方差的平方根)的置信区间上限为3.2481012(置信度0.95).相比之下,通过单TWSTFT链路直接获得的站间钟差的阿伦偏差仅为(8.59–8.91)×1011(=1 s).本文结果进一步表明,利用两条独立比对链路,可以将测量噪声阿伦方差与钟差阿伦方差进行有效分离,从而减少测量噪声对钟差频率稳定度评估结果的影响.     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

正交迭代泛函网络在中短期钟差预报中的应用

 在卫星钟源无法与地面钟源进行实时比对的时段中,准确预报卫星钟差对于维持卫星的稳定运行具有重要意义。针对卫星钟差的中短期预报问题,选择多项式模型对钟差进行建模分析,设计了一种基于滑动窗模型的正交迭代泛函网络算法。利用泛函网络的非线性学习能力对钟差预报模型进行拟合分析,采用正交函数作为泛函网络的基函数簇,并引入滑动窗思想来更新输入层元素进行迭代训练,获得较小的预报误差。分析表明,预报时间小于12 h 时,预报误差为0.2~0.5 ns,预报精度与IGU P精度相当;当预报时间为24 h 时,预报误差总体在1 ns,预报精度略次于IGU P 精度;当预报时间为1 个卫星周时,最大误差达130 ns,难以满足卫星运行对钟源的要求。研究表明：该算法适合于短期卫星钟差预报,不适合中长期钟差预报。     

一种低轨航天器与北斗卫星高精度时间传递方法及其初步试验验证

低轨卫星系统近年来在空间目标探测、手机移动通讯、卫星导航系统增强、载人航天等方面都得到了快速发展和应用.我国载人航天工程近几年取得重大突破,在空间站设计搭载的高精度时频科学实验系统,预计可以建立日稳定度和不确定度在10^-17量级的空间时间频率基准.利用空间站精密时间信号向北斗卫星进行高精度时间传递,可以进一步提升北斗时间系统性能及北斗卫星自主时间维持能力.另一方面,我国北斗三号卫星导航系统具备全球组网星间链路功能,能够实现全星座的高精度定轨和时间同步.本文基于空间站和北斗卫星现有可用资源,提出一种基于双向测量方式的低轨航天器与中高轨卫星高精度时间传递方法.根据低轨航天器运行速度快等特点,给出相对高速运动环境下双向测量链路的运动时延误差修正方法.通过进一步建立仿真模拟平台、搭建真实天地试验场景等方式,对双向时间传递性能进行验证.仿真和试验结果表明,基于双向测量方式的低轨空间站与北斗卫星时间同步精度优于0.3 ns.本文可为实现天基高精度时频传递、空间站精密原子钟授时服务、提升北斗系统自主运行能力等提供理论和工程技术参考.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.     

BOC信号通道零值精密测试方法

导航卫星导航信号发射通道的设备自身时延是星地组合时延的一个组成部分,在实际定位和授时应用中必须扣除,因此,卫星在地面测试中必须进行通道零值标定。通道的零值测试精度将直接影响用户的测距精度和时间传递精度。文中给出一种采用数字域部分相关处理技术的导航卫星BOC(binary offset carrier)信号发射通道零值测试方法,对BOC信号和导航卫星秒脉冲1PPS (1 Pulse Per Second)信号高速率同步采样,对BOC信号采样数据进行载波相位相关处理,积分时间低于一个伪随机码周期,处理后得到采样数据中伪随机码起始点,结合1PPS采样数据,计算得到BOC导航信号发射通道的零值。采样频率10 GHz时,提出测试方法的测量不确定度优于0.2 ns。     

大气传输对量子纠缠时钟同步测量精度影响分析

采用量子纠缠进行时钟同步的测量精度在理想信道传输中可以达到飞秒级;但纠缠光子在非理想信道(大气层)传输中将产生传输时延。分析了因大气吸收效应和散射效应产生的衰减和散射效应引起的时延,重点分析了两者对于量子时钟同步测量结果的影响。仿真表明,经过大气传输后量子时钟同步测量精度为0.01 ns,传输经验模型造成误差为1 ns。     

Improvements and New Evaluation of NIM4 Cesium Fountain Clock and Construction of NIM5 Clock in 2006

The NIM４cesium fountain clock has been operating stably and sub-continually since Aug．２００３．In this paper we present improvements on NIM４in２００５－２００６and the most recent evaluation for its shifts with an uncertainty of５E-１５．A ２２０days comparison between NIM４and GPS showed an agreement offrequency ２E-１４．Finally the construction of a NIM５transportable cesium fountain clock is briefly reported．     

基于OOK体制的激光统一测控系统设计与实现

激光统一测控系统采用激光链路同时实现高速通信、高精度测距和时钟同步.为了实现激光统一测控系统,根据异步应答测距方法,设计研制了基于OOK体制的激光统一测控系统原理样机,样机包含两套激光模拟终端,分别向对方发送包含测量数据帧的激光调制信号,并记录发送测量数据帧和接收测量数据帧的本地钟时间,据此计算得到距离、钟差、相对频差的测量结果.样机有线对接试验表明,在码率为2.5 Gbit/s的双向激光通信条件下,测距随机误差为6.2 mm,测距系统误差为1.3 mm,钟差测量随机误差为27 ps,相对频差测量随机误差为2.7×10-13.该样机为激光统一测控设备的研制和应用提供了技术支撑.      

基于频差倍增技术的陡脉冲上升时间测量系统

阐述了高速计数器测量陡（快）脉冲上升时间的原理,提出了基于频差倍增技术的计数方案,实现了由较低频率计数器进行较高频率计数,进而提高陡脉冲上升时间测量精度的目的。把高密度可编程逻辑器件（CPLD）的外接100MHz晶振作为系统低频时钟,利用D触发器组对时钟信号进行分频、倒相,经过二级倍频后混频器输出200MHz的脉冲作为计数脉冲,将计数精度提高至5ns左右,满足了测量要求且降低了测量成本,并可推广应用于测量脉冲的下降时间、脉冲宽度和周期等．     

非线性瞬态热传导的精细积分方法

采用精细积分法求解非线性瞬态热传导方程 .非线性因素包括热辐射边界条件和物性参数可变 .推导了瞬态非线性热传导方程中精细积分法的具体列式 .指出可利用指数矩阵的对称性和带宽特性提高算法的效率 ,并结合预测校正算法求解非线性方程 .数值算例验证了方法的有效性     

精密时间间隔计数器的研制

在光纤时间传递研究中,为了实现光纤传输时间延迟的精密补偿,必须对光纤时间传输延迟进行精密测量.我们研制了具有自主知识产权的＂NTSC312精密时间间隔计数器＂,该设备可以对时间间隔、脉冲宽度、脉冲周期进行测量,测量范围：1ns～1s,测量分辨率：1ps,测量精度：优于10ps.     

公交出行换乘时间模型及时间阈值研究

针对利用公交出行换乘时间阈值可更加准确区别换乘行为和二次出行行为,提高利用公交IC卡数据自动提取公交换乘时间方法的精确性,进而提升城市交通的整体规划和公交整体服务水平. 通过实际调查,首先对公交出行换乘方式进行了分类,分析了各类公交出行方式的换乘时间影响因素及其影响机理. 在此基础上从微观的角度建立了公交出行时间与各影响因素之间的关系模型,并通过实际调查数据验证了该模型的准确性,应用公交出行换乘时间模型得到了基于GIS公交网络要素分类的各类换乘方式的公交换乘时间阈值.     

超长距离高精度光纤双向时间传递

 采用双向时分复用同纤同波传输（BTDM-SFSW）方案进行了超长距离高精度双向时间传递实验,设计了改进的IRIG-B时间码和相应的低抖动、自对准时间编/解码器。在2000 km的光纤环路上,实现了稳定度优于89 ps/s和23 ps/10⁵ s时间传递。针对现有单纤双向光放大器受后向散射噪声影响,以及无法有效利用现有光网络资源的问题,结合BTDM-SFSW的特点,提出了一种单向放大单纤双向传输的方法;在6000 km的光纤环路上,实现了稳定度优于190 ps/s和61 ps/10⁵ s时间传递。计算的时间传递不确定度小于70 ps,并进行了实验验证。     

一种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现

针对时差法超声波流量计高测时精度的要求,在分析传统测时方法误差的基础上,提出一种新的测时方法.这种新方法利用传统锁相环路测时原理,结合边沿检测技术,保证了超声波信号传播时间测量值为整数个计时脉冲;同时利用逻辑编程实现对超声波信号多次、循环传播的时间测量,减小了边沿检测误差和系统误差.实验表明,应用该方法提高了测时分辨率,使测时精度达到纳秒及亚纳秒量级,满足了超声波流量计对中小管径测量的精度要求.本设计的核心功能已经在Xilinx XC2S100e FPGA芯片上得到了实现.     

双星系统高精度共视授时技术

远距离、高精度的时间同步对SDH通信网、电力系统调控和卫星导航系统等有着极其重要的意义.在深入研究双星定位导航系统与GPS共视授时理论的基础上,提出了采用双星系统共视授时技术实现远距离、高精度时间同步方法,给出具体的计算模型、误差分析、实验平台、数据处理和仿真.实验结果表明,双星系统共视授时技术可以达到15 ns的授时精度,能够实现远距离、高精度的时间同步.