衛(wèi)星共視高精度時(shí)間比對(duì)與傳遞

1、衛(wèi)星共視法高精度時(shí)間頻率比對(duì)與傳遞系統(tǒng)目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1概述 32衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞系統(tǒng)組成及工作原理 42.1 衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞工作原理 4 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2.2 時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)設(shè)備配置及連接 73經(jīng)費(fèi)預(yù)算 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1概述時(shí)間是物理學(xué)的基本參量之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度的時(shí) 間和頻率在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位日趨重要，諸如通信、電力、交通、 高速數(shù)字網(wǎng)同步等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是我國(guó)國(guó)防建

2、設(shè) 和空間技術(shù)領(lǐng)域，如空間目標(biāo)探測(cè)與攔截（類(lèi)似于美國(guó)愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御 系統(tǒng)）、我國(guó)第二代戰(zhàn)略武器試驗(yàn)、載人航天工程和擬建中的二代衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)時(shí)間和頻率的精度提出了更高的要求。二十世紀(jì)末，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相繼 問(wèn)世，授時(shí)具有了全方位性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天 候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，并提供了高精度的授時(shí)覆蓋和服務(wù)?！皶r(shí)間統(tǒng)一 系統(tǒng)”為精密時(shí)間產(chǎn)生、傳遞、恢復(fù)和保持、科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工 程技術(shù)及一切動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和時(shí)序過(guò)程的測(cè)量和定量研究提供了必不可 少的時(shí)間基準(zhǔn)和依據(jù)。就高精度時(shí)間傳遞與比對(duì)系統(tǒng)而言，可以應(yīng)用于工程項(xiàng)目的主要包 括以下幾種：1 RNSS

3、衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞；2 RNSS 衛(wèi)星載波相位時(shí)間同步；3 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)與傳遞；4 搬運(yùn)鐘時(shí)間比對(duì)與傳遞。在以上幾種方法中，衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞是一種較為優(yōu)秀的高 精度時(shí)間比對(duì)與傳遞系統(tǒng)。2衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞系統(tǒng)組成及工作原理2.1 衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)與傳遞工作原理所謂“共視”(Common View)就是位于兩個(gè)不同位置的觀測(cè)者，在同一時(shí)刻對(duì)同一顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，其原理如下圖所示。GPS衛(wèi)星圖 1 GPS 共視法高精度時(shí)間同步原理圖圖 1 給出了一個(gè)單收系統(tǒng)示意圖，在每個(gè)比對(duì)點(diǎn)，本地鐘均按自己 的速率運(yùn)行。根據(jù)比對(duì)需求，利用衛(wèi)星所發(fā)射的1PPS秒信號(hào)、或其它固 定速率發(fā)射的時(shí)鐘脈沖

4、信號(hào)。在每個(gè)測(cè)站，利用本地鐘的 1PPS 信號(hào)打開(kāi)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器閘門(mén)， 再用從共視接收機(jī)所輸出的 1PPS 秒信號(hào)關(guān)閉時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的閘門(mén)。 這樣，我們可以得到以下的時(shí)間關(guān)系(圖 2)：在鐘 1 處：接收時(shí)間t二T +T接收 衛(wèi) 1計(jì)數(shù)器讀數(shù)T = T - (T +T )d 11 衛(wèi) 1在鐘2 處：接收時(shí)間t二T +T接收 衛(wèi) 2計(jì)數(shù)器讀數(shù)T = T - (T +T )d 2 2 衛(wèi) 2式中，T和T為路徑延遲，它等于衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間到接收設(shè)備時(shí)延。12解由(1)和(2)聯(lián)立的方程組可得T - T = T - T + (T -T )1 2d1d 21 2圖 2 GPS 共視時(shí)間比對(duì)示意圖由此我們可以

5、求得t二T時(shí)鐘1和時(shí)鐘2的鐘面值之差。發(fā)射 1式表示了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間T發(fā)射時(shí)刻，時(shí)鐘1和時(shí)鐘2的鐘面時(shí) 刻差，利用共視接收機(jī)獲得的星歷表和對(duì)流層、對(duì)流層等改正模型參量， 求得T和T (此項(xiàng)在共視接收機(jī)中已經(jīng)作了自動(dòng)改正)。所以12R - R = T - T = T - T(4)1 2 1 2 d1 d 2由此，要獲得兩地之間的鐘差，只需要知道參加比對(duì)雙方各自時(shí)間 間隔計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。與衛(wèi)星雙向時(shí)間同步相類(lèi)似，在兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的不同觀測(cè)者在同一 時(shí)刻觀測(cè)同一顆 GPS 衛(wèi)星，得到兩地觀測(cè)的差值后，利用衛(wèi)星信道以數(shù) 字編碼的形式和通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)相互傳遞雙方各自時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的 讀數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處

6、理，就可以得到這兩地之間時(shí)鐘的差。根據(jù)處 理結(jié)果對(duì)各自的鐘差進(jìn)行改正，即可實(shí)現(xiàn)兩地之間的時(shí)間同步。GPS 共視比對(duì)的優(yōu)點(diǎn)是能將可能出現(xiàn)的某些誤差減到最小。衛(wèi)星時(shí) 鐘誤差會(huì)被全部消除，原因是兩地接收機(jī)的這一誤差是共同的。早在1984年，東京天文觀測(cè)站（TAO）和美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）之 間進(jìn)行了一次共視比對(duì)試驗(yàn)。在這個(gè)研究試驗(yàn)中，華盛頓與東京之間約 有兩個(gè)小時(shí)的同視時(shí)間。觀測(cè)是在兩地的晨昏線時(shí)進(jìn)行的。圖3 給出了 1984 年 2 月 15 日在兩地獲得的數(shù)據(jù)。橫軸以小時(shí)為單位表示時(shí)間，縱 軸則以納秒為單位表示東京天文觀測(cè)站（現(xiàn)在是日本國(guó)家光學(xué)觀測(cè)站）均方帳：22ns|夜何_白夭夜上一夜間*

7、圖3東京天文觀測(cè)站（TAO）和美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）之間共視比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與美國(guó)海軍天文臺(tái)之間的時(shí)間差，兩地的時(shí)鐘用作當(dāng)?shù)?GPS 時(shí)間變換單 位的基準(zhǔn)。當(dāng)兩地都在晚上以及一地是晚上另一地是白天時(shí)，兩個(gè)臺(tái)站 之間的數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有不連續(xù)的現(xiàn)象。衛(wèi)星數(shù)量的增多，能在一天里得到足夠的數(shù)據(jù)。通過(guò)平滑兩天的間隔，GPS數(shù)據(jù)中的許多波動(dòng)可降到最低。鑒于目前銣原子鐘和銫原子鐘 所能達(dá)到的性能，要將當(dāng)?shù)貢r(shí)標(biāo)的精度保持在1 x 10-13是完全可以的。到 目前為止，國(guó)際權(quán)度局(BIPM)下屬各時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室之間的全球高精度 時(shí)間比對(duì)主要采用 GPS 共視比對(duì)。2.2 時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)設(shè)備配置及連接根據(jù)電網(wǎng)時(shí)

8、間統(tǒng)一系統(tǒng)方案要求和電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)框架，電力系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)連接原理框圖如圖 4 所示?；鶞?zhǔn)傳遞系統(tǒng)： 衛(wèi)星共視系統(tǒng) 雙向法衛(wèi)星系統(tǒng) 光通信時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)授時(shí)中心層網(wǎng)絡(luò)： 連接各個(gè)時(shí)間中心的通 信網(wǎng)絡(luò)，傳遞比對(duì)數(shù)據(jù)I 授時(shí)衛(wèi)星有線授時(shí)網(wǎng)絡(luò)：連接區(qū)域時(shí)間中心和時(shí) 間接收點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)； 授時(shí)，傳遞時(shí)間數(shù)據(jù)。時(shí)間接收點(diǎn)同步通訊衛(wèi)星各種衛(wèi)星系統(tǒng)： 共視比對(duì)衛(wèi)星、雙向法 通訊衛(wèi)星、授時(shí)衛(wèi)星授時(shí)網(wǎng)絡(luò)層： 區(qū)域時(shí)間中心和 直接授時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)中國(guó)時(shí)間頻率基準(zhǔn)時(shí)間接收點(diǎn)1.光通信系統(tǒng) 時(shí)間傳遞衛(wèi)星共視 比對(duì)系統(tǒng)雙向法衛(wèi) 星系統(tǒng)衛(wèi)星接受： 用于間接授時(shí)光通信時(shí)間, 比對(duì)系統(tǒng)光通信系統(tǒng)：比對(duì)數(shù)據(jù)傳

9、遞網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星接收機(jī)： 接收時(shí)間信號(hào)電網(wǎng)時(shí)間區(qū)域中心： 高精度守時(shí)統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)范圍的基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)： 衛(wèi)星共視系統(tǒng) 雙向法衛(wèi)星系統(tǒng) 光通信時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)授時(shí)中心層網(wǎng)絡(luò)： 連接各個(gè)時(shí)間中心的通 信網(wǎng)絡(luò)，傳遞比對(duì)數(shù)據(jù)I 授時(shí)衛(wèi)星有線授時(shí)網(wǎng)絡(luò)：連接區(qū)域時(shí)間中心和時(shí) 間接收點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)； 授時(shí)，傳遞時(shí)間數(shù)據(jù)。時(shí)間接收點(diǎn)同步通訊衛(wèi)星各種衛(wèi)星系統(tǒng)： 共視比對(duì)衛(wèi)星、雙向法 通訊衛(wèi)星、授時(shí)衛(wèi)星授時(shí)網(wǎng)絡(luò)層： 區(qū)域時(shí)間中心和 直接授時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)中國(guó)時(shí)間頻率基準(zhǔn)時(shí)間接收點(diǎn)1.光通信系統(tǒng) 時(shí)間傳遞衛(wèi)星共視 比對(duì)系統(tǒng)雙向法衛(wèi) 星系統(tǒng)衛(wèi)星接受： 用于間接授時(shí)光通信時(shí)間, 比對(duì)系統(tǒng)光通信系統(tǒng)：比對(duì)數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星接收機(jī)： 接收時(shí)間信號(hào)電網(wǎng)時(shí)間區(qū)域中心： 高精度守時(shí)統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)范圍的電網(wǎng)時(shí)間一級(jí)中心： 獨(dú)立時(shí)間頻率基準(zhǔn) 統(tǒng)全電網(wǎng)范圍的時(shí)間共視衛(wèi)星授時(shí)中心層： 一級(jí)中心和多個(gè) 區(qū)域中心組成。圖 3 電力系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)組成框圖由圖可見(jiàn)，應(yīng)用于電力系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)主要包括一級(jí)中心和區(qū)域中心等若干個(gè)主要節(jié)點(diǎn)。圖中連線為通信鏈路，它除了擔(dān)負(fù)電力網(wǎng)的通信調(diào)度任務(wù)外，還擔(dān)負(fù)著時(shí)頻信號(hào)和時(shí)頻信息傳輸和衛(wèi)星共視比對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)設(shè)備連接原理方框圖如圖 4 所示。衛(wèi)星圖4 時(shí)間比對(duì)和傳遞系統(tǒng)設(shè)備連接原理方框圖應(yīng)用于電網(wǎng)一級(jí)中心/區(qū)域中心的GPS/北匕斗共視