基于衛(wèi)星共視法的時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理

彭鈺瑩

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 北京市 100094）

時(shí)間是國(guó)家體系七個(gè)基本單位中精度最高、應(yīng)用最廣的物理量，而其關(guān)于精度的測(cè)量要求也越來(lái)越高。由于計(jì)時(shí)工具的不斷改進(jìn)，對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度也在不斷提升，現(xiàn)今已經(jīng)提升至10-4數(shù)量級(jí)，甚至更高。而高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)及傳遞比對(duì)和時(shí)間同步，能用于研究基本的物理常數(shù)是否會(huì)時(shí)間而發(fā)生變化，并且在深空探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航等前沿的科技領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

衛(wèi)星共視法是目前地球上遠(yuǎn)距離時(shí)間對(duì)比的主要方法之一，同時(shí)也是國(guó)際原子時(shí)合作的主要技術(shù)，其傳遞不確定度可精確到幾納秒?；驹碇傅氖堑厍蛏先我鈨傻?，在同一時(shí)刻接收到同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星，可以消除兩條傳播路徑上的共同誤差，從而能夠?qū)傻刂g的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

時(shí)間頻率的傳遞和發(fā)播是基準(zhǔn)鐘之間、守時(shí)鐘組之間以及守時(shí)鐘組和終端用戶之間量值溯源、傳遞和比對(duì)的橋梁。而原子頻率其具有自身的特點(diǎn)，能夠有效的避免地理的限制，將電磁波作為載波從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。隨著衛(wèi)星定位的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從而為遠(yuǎn)程校準(zhǔn)奠定良好的條件。

1 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)主要項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)外比對(duì)現(xiàn)狀

時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)主要是將衛(wèi)星作為中間載體，從而對(duì)時(shí)間頻率進(jìn)行計(jì)量的一種方法，此種方法能夠通過(guò)導(dǎo)航、通信以及電視直播等方式來(lái)傳遞，此種方法具有方便快捷、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。在運(yùn)用此方法的時(shí)候，通常都是將衛(wèi)星作為中間的轉(zhuǎn)發(fā)器，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)與待校準(zhǔn)的用戶相連接，從而使得在各自的實(shí)驗(yàn)室中就可以完成校準(zhǔn)服務(wù)。例如：美國(guó)和俄羅斯之間就可以通過(guò)此種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的傳遞。通常應(yīng)用較廣的時(shí)間頻率校準(zhǔn)技術(shù)共包括三種，第一種是單向傳遞法，此種方法主要是待校準(zhǔn)方能夠直接從衛(wèi)星信號(hào)中提取其所需要的關(guān)鍵信息；第二種方法為衛(wèi)星共視法，此種方法主要是通過(guò)利用衛(wèi)星，將衛(wèi)星時(shí)間作為中間量，從而對(duì)兩地之間的鐘差進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算；第三種是衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率對(duì)比法，此種方法主要是通過(guò)對(duì)地球同步軌道中的通信衛(wèi)星進(jìn)行利用，將接收和發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而得到兩地的鐘差[1]。另外，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今還有一種較為先進(jìn)的時(shí)頻對(duì)比技術(shù)，也就是光纖時(shí)頻對(duì)比技術(shù)，此種方法主要是通過(guò)利用光纖直接將時(shí)間頻率信號(hào)輸送到異地，從而對(duì)兩地之間的鐘差進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)今，我國(guó)在進(jìn)行計(jì)量的時(shí)候，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院通過(guò)利用GPS時(shí)頻傳遞技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，并且此種方法已經(jīng)有一定的固定用戶，使用此種方法進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。在國(guó)際計(jì)量的領(lǐng)域中，美國(guó)、英國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)家也紛紛對(duì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究與推廣，尤其是在美國(guó)、歐洲和日本等地對(duì)GPS 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，而由此也可以看出GPS 時(shí)頻量傳接收機(jī)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用范圍較廣。

日本的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展速度較廣，此種技術(shù)不僅在本土得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)于日本在其他國(guó)家的企業(yè)也廣泛應(yīng)用遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)。

美國(guó)的NIST 通過(guò)對(duì)GPS 進(jìn)行利用，已經(jīng)建設(shè)了一套完整的共視校準(zhǔn)系統(tǒng)，在這套系統(tǒng)中能夠銣原子鐘、頻率標(biāo)準(zhǔn)以及銫原子鐘等進(jìn)行遠(yuǎn)距離的校準(zhǔn)，此系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)GPS 進(jìn)行利用從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，所以應(yīng)用可技術(shù)的用戶可以分布在全國(guó)各地，但是隨著用戶與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室之間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，所以會(huì)對(duì)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性造成一定的影響[2]。

相對(duì)于其他國(guó)家而言，我國(guó)關(guān)于遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的研究起步相對(duì)而言較晚，現(xiàn)今關(guān)于網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)這方面的內(nèi)容，較多的高校已經(jīng)展開(kāi)了相關(guān)的研究。中國(guó)工程物理研究所也開(kāi)始對(duì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，其在進(jìn)行研究的時(shí)候側(cè)重點(diǎn)主要在校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)和相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)上，但是關(guān)于時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的研究與應(yīng)用較少，現(xiàn)今推廣的重點(diǎn)主要在計(jì)量技術(shù)上。

2 衛(wèi)星遠(yuǎn)程時(shí)間頻率校準(zhǔn)不確定度的比較

將衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)器從而對(duì)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，主要可包括三種校準(zhǔn)方法，分別是單向傳遞法、雙向?qū)Ρ确ㄒ约肮惨暦ㄟ@三種。而其中的共視法又可以分成單通道共視法、多通道共視法以及載波相位共視法。運(yùn)用單項(xiàng)比對(duì)法主要是通過(guò)接收機(jī)直接讀取信號(hào)，從而得到時(shí)頻信息，但是由于中間量為運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，所以在采用此方法進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候?qū)?huì)受到傳播路徑時(shí)間上的延遲以及多普勒頻移等方面的影響，并且不確定度也較大[3]。相對(duì)而言雙向?qū)Ρ确ú粌H準(zhǔn)確度較高同時(shí)不確定度也較小。此種方法只要是通過(guò)通信衛(wèi)星來(lái)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)雙向時(shí)間傳遞，而此種方法也是國(guó)際計(jì)量局使用較多的一種方法，但是這種方法對(duì)設(shè)備有著較高的要求，同時(shí)也會(huì)占用衛(wèi)星通信時(shí)間，另外還需要衛(wèi)星地面站進(jìn)行配合，所以此標(biāo)準(zhǔn)的綜合成本較高，導(dǎo)致使用此方法的機(jī)構(gòu)較少。相對(duì)而言，共視法的準(zhǔn)確度較高，同時(shí)成本相對(duì)而言較少，其只是對(duì)同一顆衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，接收時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)間偏差進(jìn)行計(jì)算，從而能夠消除同種環(huán)境所帶來(lái)的誤差，而量傳的精度也得到了明顯的提高。

3 時(shí)間頻率計(jì)量的校準(zhǔn)方法

傳統(tǒng)在對(duì)時(shí)間頻率進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候通常是參考原子頻標(biāo)的方法，將待校準(zhǔn)的原子頻標(biāo)放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行面對(duì)面的校準(zhǔn)。此種校準(zhǔn)方法在操作起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但是由于原子頻標(biāo)尤其是高精度的原子頻標(biāo)，其對(duì)溫度、穩(wěn)定供電環(huán)境及振動(dòng)等方面都存在很大的要求、例如：對(duì)于廣泛使用的氫鐘，在對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，其對(duì)環(huán)境有著較高的要求，其要求測(cè)量環(huán)境的溫度變化不超過(guò)±0.25℃，要求傾斜角應(yīng)小于5°，并且在進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候應(yīng)該長(zhǎng)期不間斷的對(duì)其進(jìn)行供電，已經(jīng)斷電則很難將其調(diào)整至原來(lái)的相位。上述的傳統(tǒng)方法在進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)的時(shí)候?qū)Ω呔鹊脑宇l標(biāo)而存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，并且在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中也需要投入較大的經(jīng)費(fèi)，而且無(wú)法進(jìn)行面對(duì)面校準(zhǔn)，而由于這樣極高的要求，使得較多的用戶放棄了定期校準(zhǔn)，從而導(dǎo)致原子頻標(biāo)的最大效用無(wú)法真正的發(fā)揮出來(lái)[4]。

圖1：共視法原理圖

為了避免傳統(tǒng)計(jì)量的風(fēng)險(xiǎn)，使原子頻標(biāo)的使用效率得到提升。本文采用一種行之有效的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)。除了具備傳統(tǒng)的計(jì)量方法之外，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)還可以分為單向法、共視法以及衛(wèi)星雙向法這幾種校準(zhǔn)方法。單向法主要是通過(guò)授時(shí)接收機(jī)接收到衛(wèi)星新高，并通過(guò)利用衛(wèi)星授時(shí)的原理將接收到的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間與待校原子頻標(biāo)進(jìn)行對(duì)比從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)。而衛(wèi)星共視法主要是將衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)器，兩地同時(shí)觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。尾箱雙向法主要是通過(guò)完全對(duì)稱的信號(hào)傳輸路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。本文主要講述的為基于衛(wèi)星共視法的時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，并對(duì)校準(zhǔn)原理進(jìn)行分析。

4 共視法校準(zhǔn)比對(duì)原理分析

衛(wèi)星共視法主要是指的是不同的地點(diǎn)的兩站，將其分為校準(zhǔn)方和待校準(zhǔn)方，采用同一種衛(wèi)星接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，例如：北斗接收機(jī)、GPS 接收機(jī)等，接收機(jī)將同一顆衛(wèi)星作為跟蹤對(duì)象，接收機(jī)能夠?qū)δ硞€(gè)時(shí)間段所接收到兩站的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與提取，并對(duì)提取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在此基礎(chǔ)上算出時(shí)間偏差，從而使得兩個(gè)不同地點(diǎn)的時(shí)間達(dá)到同步。運(yùn)用此種方法進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，能夠消除在接收信號(hào)的過(guò)程中大氣層折射所帶來(lái)的影響，此種方法使得測(cè)量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，其測(cè)量的原理如圖1 所示。

在清楚兩站地坐標(biāo)的前提下，假如在A 地和B 地的觀測(cè)站中分別安裝兩個(gè)共視接收機(jī)，在同一時(shí)刻兩站觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，設(shè)衛(wèi)星為io。其中將A、B 兩側(cè)的時(shí)鐘數(shù)值用tA、tB來(lái)表示，將衛(wèi)星的系統(tǒng)時(shí)間用ti來(lái)表示，通過(guò)運(yùn)用單向時(shí)間傳遞的原理，從而可得到公式（1）和公式（2）。

通過(guò)對(duì)上述公式（1）和公式（2）中可以得出，上述的公式（1）所表示的為A 地共視接收機(jī)和衛(wèi)星i 之間的鐘差，上述公式（2）所表示的為B 地共視接收機(jī)和衛(wèi)星i 之間的鐘差，而將公式（1）和公式（2）之間做差，則能夠求解出AB 兩地之間的鐘差，用來(lái)表示，詳見(jiàn)公式（3）。

多通道共視接收機(jī)的使用原理與單通道共視接收機(jī)的原理相同，但是其能夠接收到更多的數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將衛(wèi)星公式法遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理作為基準(zhǔn)，在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室與被校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室之間選擇一顆可視GPS 衛(wèi)星，將其作為中間載體，在其中可輸入基準(zhǔn)信號(hào)的原子頻標(biāo)、接收衛(wèi)星信號(hào)的天線以及分析數(shù)據(jù)的衛(wèi)星共視機(jī)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的工控計(jì)算機(jī)，從而形成遠(yuǎn)程校準(zhǔn)硬件平臺(tái)，將單臺(tái)主動(dòng)型氫鐘作為本地參考原子頻率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)銣原子的頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，并通過(guò)利用數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析軟件從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)選取的約化儒略日，收集保存30 天以上的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，然后的A、B 兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)的公式進(jìn)行分析后得到A 組的頻率準(zhǔn)確度為8.3×10-3，頻率的日漂移為6.2×10-3，頻率的穩(wěn)定度為2.4×10-3，根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行分析后可得到B 組的頻率準(zhǔn)確度為9.2×10-3，頻率的日漂移為3.2×10-3，頻率的穩(wěn)定度為1.1×10-3，通過(guò)對(duì)上述兩組數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，A 組實(shí)驗(yàn)中所得到的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率偏差、準(zhǔn)確度和漂移度以及日穩(wěn)定度在數(shù)值上基本維持一致。而天頻率度指數(shù)與相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書上的指數(shù)也基本保持一致。

共視法比對(duì)過(guò)程中存在的不確定度去主要是由于信號(hào)傳播中的誤差、衛(wèi)星的誤差以及接收機(jī)偏差這三方面而造成的，其中還包括有衛(wèi)星星歷而引起的偏差、電離層延遲而出現(xiàn)的偏差、接收機(jī)通道延遲而出現(xiàn)的誤差、對(duì)流程延遲而出現(xiàn)的誤差以及天線相位中心出現(xiàn)的誤差和星載時(shí)鐘出現(xiàn)的誤差等方面，另外在使用共視法對(duì)時(shí)間頻率進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，還需要考慮信號(hào)傳播的路徑、接收機(jī)接收的時(shí)間、接收機(jī)的誤差等方面引起的誤差，經(jīng)過(guò)對(duì)多方面因素進(jìn)行考慮之后得到的不確定數(shù)值為11ns。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析以及對(duì)影響不確定度的原因進(jìn)行分析后，得出相關(guān)的結(jié)論：運(yùn)用衛(wèi)星共視法進(jìn)行時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的時(shí)候，其具備穩(wěn)定性、正確性等可靠性，此方法能夠?yàn)殂溤宇l率標(biāo)準(zhǔn)提供可行的遠(yuǎn)程量值溯源服務(wù)，在進(jìn)行時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的時(shí)候可使用此方法。

6 總結(jié)

時(shí)間和頻率之間的傳授主要是依靠電磁波為載體從而進(jìn)行傳輸和發(fā)播，其能夠有效的打破低的限制，同時(shí)也能夠打破量值傳遞原有的逐級(jí)傳遞方式，通過(guò)校準(zhǔn)對(duì)比的方式使得時(shí)頻傳遞的準(zhǔn)確性得到提升?；谛l(wèi)星共視法的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)研究對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)的頻率和時(shí)間校準(zhǔn)有著重要的意義，同時(shí)也能夠?yàn)檠芯科溆嗟奈锢韰⒘看蛳铝己玫幕A(chǔ)。