衛(wèi)星雙向非連續(xù)時間比對的結(jié)果分析

韋沛，楊旭海，郭際，李志剛，欽偉瑾

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衛(wèi)星雙向非連續(xù)時間比對的結(jié)果分析

韋沛1,2,3，楊旭海1,2，郭際1,2，李志剛1,2，欽偉瑾1,2

（1.中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

雙向衛(wèi)星時間比對是一種高精度的遠(yuǎn)程時間比對手段，其比對經(jīng)常不是連續(xù)進(jìn)行的。為分析非連續(xù)雙向衛(wèi)星時間比對的水平，使用中國科學(xué)院國家授時中心的C波段雙向衛(wèi)星時間比對網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。采用的方法是對非連續(xù)雙向衛(wèi)星時間比對的結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插，將內(nèi)插結(jié)果與連續(xù)雙向衛(wèi)星時間比對的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明本文試驗(yàn)條件下觀測間隔時間在2.5 d以內(nèi)時，非連續(xù)與連續(xù)觀測結(jié)果之差的RMS值小于1ns；觀測間隔時間為0.5 d時，非連續(xù)與連續(xù)觀測結(jié)果之差的RMS值小于0.5ns。

雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞（TWSTFT）；時間比對；時延

0 引言

雙向衛(wèi)星時間傳遞（two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）是一種高精度的時間比對手段，是國際權(quán)度局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）組織國際時間比對所采用的主要方法之一[1]。由于信號傳遞路徑對稱，鏈路上傳播路徑時延大部分可以相互抵消，因而時間比對精度高。目前TWSTFT方法的穩(wěn)定度可達(dá)0.2 ns，結(jié)果的準(zhǔn)確度可達(dá)0.5~0.75 ns[2]。

1999年初，TWSTFT方法用于國際原子時（international atomic time，TAI）和協(xié)調(diào)世界時（coordinated universal time，UTC）的計(jì)算。美國、歐洲和亞洲地區(qū)均組建了衛(wèi)星雙向比對網(wǎng)。中國科學(xué)院國家授時中心（National Time Service Centre，NTSC）參加了亞太衛(wèi)星雙向時間比對網(wǎng)[3]，并與德國PTB、荷蘭VSL、意大利IEN、法國OP等歐洲時間頻率機(jī)構(gòu)建立了雙向時間比對鏈路。此外，NTSC組建的C波段雙向衛(wèi)星時間比對網(wǎng)可以在國內(nèi)5站之間進(jìn)行不間斷的衛(wèi)星雙向時間比對。

TWSTFT需要租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，而衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源有限、租金昂貴，連續(xù)租用代價(jià)比較高。近年來，多手段并址觀測成為一種發(fā)展趨勢。甚長基線干涉（very long baseline interferometry，VLBI）站、國際GNSS服務(wù)（international GNSS service，IGS）站、TWSTFT站等并址建設(shè)具有鐘資源共享、便于管理等優(yōu)勢。但TWSTFT需要向衛(wèi)星發(fā)射信號，其運(yùn)行時會對并址觀測的VLBI等其他設(shè)備的電磁環(huán)境造成干擾。

基于上述原因，國際上TWSTFT系統(tǒng)通常不是連續(xù)進(jìn)行比對的。如1998年起NTSC與日本國家信息通信技術(shù)研究所（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）建立的雙向法比對系統(tǒng)在正式常規(guī)運(yùn)行中每星期比對2次，每次30min[3]，通過內(nèi)插獲得二地鐘差結(jié)果。為了保證TWSTFT的精度，BIPM組織的TWSTFT在逐漸加密：2004年以前，BIPM每周組織3次TWSTFT；2004年加密到每天4次；2005年10月起歐亞鏈路每天組織12次比對；2005年11月起亞太鏈路每天組織24次比對[4]。目前NTSC與PTB之間的雙向鏈路每天比對12次，每次5min。BIPM組織的TWSTFT在各個守時實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行，比較各守時實(shí)驗(yàn)室的時間標(biāo)準(zhǔn)之間的鐘差。但是對于一般工程使用的銫鐘、氫鐘而言，非連續(xù)TWSTFT結(jié)果與連續(xù)TWSTFT結(jié)果之間的差異是亟待研究的內(nèi)容之一。

本文使用一般氫鐘和銫鐘作為時間源，對不同時間間隔的TWSTFT觀測結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插，將內(nèi)插結(jié)果與全天工作條件下的TWSTFT觀測結(jié)果進(jìn)行比較，以確定非連續(xù)TWSTFT在一般工程應(yīng)用中的可靠性。文中分析了C波段TWSTFT的主要誤差源，以C波段衛(wèi)星雙向時間比對網(wǎng)（TW（C））為試驗(yàn)平臺開展試驗(yàn)研究，并處理和分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 C波段TWSTFT的主要誤差源

圖1為TWSTFT的原理示意圖，圖中A，B兩站地位相同，A站將其主鐘秒信號調(diào)制后向衛(wèi)星發(fā)射，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由B站接收，B站解調(diào)A站秒信號，將其與B站主鐘秒信號進(jìn)行比較，測定該兩者之間的時差。B站的工作情況與A站相同[1]。

圖1 TWSTFT原理示意圖

TWSTFT的計(jì)算表達(dá)式如下[5]：

本文中認(rèn)為傳輸路徑對稱，即認(rèn)為AS鏈路與SA鏈路、BS鏈路與SB鏈路中的幾何路徑時延和對流層時延均相同，并且ASB鏈路和BSA鏈路中的轉(zhuǎn)發(fā)器時延相同。于是有：

本文中認(rèn)為上行和下行的Sagnac效應(yīng)大小一樣，只相差1個符號[7]，所以有：

由式（1）至式（11）可得：

一般認(rèn)為GEO衛(wèi)星相對于地球靜止不動，實(shí)際上其星下點(diǎn)會發(fā)生接近周期的變化，進(jìn)而影響Sagnac效應(yīng)的計(jì)算。但是GEO衛(wèi)星運(yùn)動對Sagnac效應(yīng)的影響約在10-2ns級別[9]，在進(jìn)行亞納秒級的時間比對時尚不需考慮。

式（14）中，表示信號頻率。由于TW（C）上行頻率為6.3 GHz，下行頻率為4.1GHz，所以上下行電離層時延無法抵消。電離層對C波段信號傳播時延的影響大約在0~0.5 ns范圍內(nèi)，是亞納秒級時間比對中必須消除的重要誤差[12]。

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)為NTSC的C波段雙向衛(wèi)星時間比對網(wǎng)2005年6月10日至19日（年積日為161至170）連續(xù)10 d的觀測數(shù)據(jù)，每秒鐘記錄一次計(jì)數(shù)器讀數(shù)；其中6月11日約有8h的數(shù)據(jù)缺失；觀測衛(wèi)星為鑫諾1號，星下點(diǎn)位于東經(jīng)110.5°；觀測站為NTSC和上海站。該兩站使用的偽碼碼率是20 MChips；上行頻率為6.3GHz，下行頻率為4.1GHz；上海站配備型號為SONH的氫原子鐘，NTSC配備型號為HP5071A銫原子鐘。

試驗(yàn)分析中扣除了電離層延遲和Sagnac效應(yīng)的影響，試驗(yàn)中Sagnac效應(yīng)對TWSTFT的影響如圖2所示，電離層對C波段TWSTFT的影響如圖3所示。

圖2 Sagnac效應(yīng)對TWSTFT的影響（兩站互差后）

圖3 電離層對C波段TWSTFT的影響（兩站互差后）

圖4 連續(xù)TWSTFT觀測結(jié)果

圖5 連續(xù)TWSTFT線性擬合殘差圖

BIPM組織TWSTFT計(jì)算TAI時，使用線性方法進(jìn)行內(nèi)插。文獻(xiàn)[4]和[13]中認(rèn)為大多數(shù)情況下Vondrak平滑較其他方法更好，但是不同評價(jià)方式下的優(yōu)勢并不明顯。在本文試驗(yàn)條件下，平滑因子為105的Vondrak平滑插值結(jié)果與線性插值結(jié)果相差不超過0.01 ns，且在不同間隔時間下各有優(yōu)劣，無法判斷其有效性，所以本文使用目前國際上主要使用的線性內(nèi)插方法作為插值方法。用連續(xù)TWSTFT評價(jià)非連續(xù)TWSTFT的計(jì)算表達(dá)式如下：

表1 不同情況下非連續(xù)與連續(xù)觀測結(jié)果之差的統(tǒng)計(jì)情況

3 結(jié)論

圖7 觀測間隔時間對非連續(xù)與連續(xù)觀測結(jié)果之差RMS值的影響

[1] 李志剛, 李煥信, 張虹. 衛(wèi)星雙向法時間比對的歸算[J]. 天文學(xué)報(bào), 2002, 43(4): 422-431.

[2] 李孝輝. 時間頻率信號的精密測量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[3] 張虹, 李志剛, 李煥信. 中日衛(wèi)星雙向時間比對穩(wěn)定度的測定方法[J]. 宇航計(jì)測技術(shù), 2007, 27(3): 21-24.

[4] JIANG Z. Smoothing and interpolation techniques for a TW measurement series in TAI calculation[R]. 13th Meeting of the TWSTFT, 2005.

[5] ITU Radio communication Sector. The operational use of two-way satellite time and frequency transfer employing pseudorandom noise codes[Z]. Geneva, Switzerland: ITU, 2010.

[6] WU Wen-jun, LI Zhi-gang, YANG Xu-hai, et al. Satellite orbit determination and time transfer based on TWSTFT[C]//2011 Joint Conference of the IEEE International, Frequency Control and the European Frequency and Time Forum(IFCS/EFTF). San Francisco, CA, United States: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2011: 1-4.

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[9] WU Wen-jun, LI Zhi-gang, YANG Xu-hai, et al. A new method for satellite motion correction in TWSTFT[C]//2012 IEEE International, Frequency Control Symposium(FCS). Baltimore, MD, United States: IEEE Computer Society, 2012: 468-471.

[10] YANG Xu-hai, LI Zhi-gang, WU Feng-lei, et al. Two-way satellite time and frequency transfer experiment via IGSO satellite[C]//2007 IEEE International Frequency Control Symposium(FCS). Geneva, Switzerland: Institute of Electrical and Engineers Inc., 2007: 1206-1209.

[11] 武文俊, 李志剛, 李孝輝, 等. IGS電離層產(chǎn)品在雙向時間頻率傳遞中的應(yīng)用[J]. 宇航計(jì)測技術(shù), 2012, 32(4): 51-54.

[12] YANG Xu-hai, LI Zhi-gang, HUA Ai-hui. Analysis of two-way satellite time and frequency transfer with C-band[C]//2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. Geneva, Switzerland: Institute of Electrical and Engineers Inc., 2007: 901-903.

[13] JIANG Z. Interpolation of TW time transfer from measured points onto standard MJD for UTC generation[C]//24th European Frequency and Time Forum. Noord wijk, Netherlands: IEEE Computer Society, 2010: 1-5.

Result analysis of non-continuous two-waysatellite time comparison

WEI Pei1,2,3, YANG Xu-hai1,2, GUO Ji1,2, LI Zhi-gang1,2, QIN Wei-jin1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

The two-way satellite time and frequency transfer(TWSTFT) is a kind of remote time comparison method with high precision. Generally, the comparison is not carried out continuously. The data from C-band TWSTFT Network of the national time service center(NTSC) was used for analyzing the level of non-continuous TWSTFT. The raw data of non-continuous TWSTFT was dealt with linear interpolation method and the result was compared with the continuous TWSTFT. The comparison shows that the RMS of the difference between non-continuous and continuous TWSTFT is less than 1ns when the interval time is less than 2.5d, and the RMS is less than 0.5 ns when the interval time is 0.5 d.

TWSTFT; time comparison; time delay

TM935

A

1674-0637(2013)04-0214-08

2012-02-01

中國科學(xué)院“西部之光”聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目（2007LH01）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（11033004）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11173026）

韋沛，男，碩士，主要從事高精度時間傳遞方面研究。