时间比对融合算法分析与比较

为提升高精度时间比对的可靠性, 结合卫星双向时间比对(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)和GPS精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)时间比对长短稳特性, 利用稳定度加权、Vondrák-\vCepek组合滤波以及 Kalman滤波融合方法对中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)和德国物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)间的TW-STFT和GPS PPP时间比对结果进行了融合处理并对3者进行了比较分析. 结果表明, 3种融合算法对于TWSTFT中的周日效应以及GPS PPP结果的``天跳''现象都有不同程度的改善, 融合结果与GPS PPP链路差值(Double Clock Difference, DCD)结果的绝对值保持在链路校准的不确定度范围内. 3者1d的时间和频率稳定度可以达到亚纳秒和10^-15量级, Vondrák-\vCepek融合方法1d以内的稳定度最高, 适用于对短稳要求高的时间比对链路的融合. 稳定度加权、Kalman滤波融合保真度较好, 适用于对准确度要求高的时间比对链路融合.     

基于条件平差的卫星双向时间传递链路性能优化方法

卫星双向时间传递(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)是目前精度最高的时间传递方法之一,同时也是参与国际原子时计算的守时实验室之间比较原子时尺度的一种主要方法.提高TWSTFT链路的短期稳定度,降低周日效应对链路时间传递结果的影响,对优化TAI (International Atomic Time)的性能具有现实意义.提出了一种基于条件平差的TWSTFT链路性能优化方法,先依据TWSTFT链路测量噪声水平与谱分析结果建立TWSTFT链路性能优化网络(简称优化网络),再根据优化网络中各链路测量噪声分析结果设置权系数阵,建立条件平差模型.选取亚太地区的中国计量科学研究院(National Institute of Metrology, NIM)-中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)卫星双向时间传递链路作为待优化链路,以NTSC、NIM以及德国联邦物理技术研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)之间的TWSTFT链路组成优化网络,对优化网络的组网方法和条件平差模型进行实验验证.结果表明,平差后待优化链路短期稳定度得到了改善,同时其受周日效应的影响降低了约24.6%.使用该方法,能够有效提高待优化链路的时间传递性能.     

GPS定时接收机的校准

GPS共视比对(GPS CV)是国际原子时进行时间连接的主要手段之一,即使在有TWSTFT(卫星双向时间频率传递)的实验室GPS也作为时间比对的备用手段而存在,而且TWSTFT系统启用时需用GPS做校准。国际权度局(BIPM)为了减小比对误差,对一些时间实验室的GPS接收机进行不定期校准。国家授时中心(NTSC)利用BIPM给出的校准报告对NTSC时间基准实验室的GPS定时型接收机的内部时延及相关数据进行修正,使UTC(NTSC)的准确度得到提高。     

C波段卫星双向时间传递的系统性能验证

中国科学院国家授时中心在全国范围内部署建设了卫星地面观测系统,利用该系统可以进行C波段卫星双向时间频率传递(TWSTFT);TWSTFT是目前国际上远程时间频率标准之间比对精度最高的比对手段之一,但是如何验证TWSTFT的性能,仍是目前研究的难点;为验证该系统TWSTFT的性能,设计了三站闭合方法,在3个站点间两两进行TWSTFT,根据两组比对结果推算第3组比对结果,与第3组实测结果的偏差反映了卫星双向时间传递的精度,最后用实际试验结果对卫星双向时间传递的性能进行了分析;该实验结果表明两两进行TWSTFT得到的三站闭合差数据均优于1 ns。     

Vondrak滤波方法在软件接收机卫星双向时间传递中的应用

基于软件接收机的卫星双向时间传递(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer based on Software Defined Receiver, SDR-TWSTFT)链路每秒采集测量数据后通过数学模型将原始数据拟合为300 s一组的观测文件,因此链路的时间传递结果受短期测量噪声和非模型误差的影响,呈现出一定的随机噪声的特征.提出了一种频域幅值分析方法,针对性地确定滤波因子,构造符合需求的低通Vondrak滤波器.通过对中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)和德国联邦物理技术研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)之间的SDR-TWSTFT链路测量数据的分析发现,该方法对过滤链路平均时间一天内的高频噪声有效,能够提高链路时间传递结果的可信度,同时滤波后链路的短期频率、时间稳定度也有了显著提高.     

基于“北斗”观测数据的C波段双向卫星时间频率传递中的电离层改正

为了提高C波段双向卫星时间频率传递(TWSTFT)精度,用载波相位观测值平滑伪距的方法,计算电离层延迟对C波段双向卫星时间频率传递的影响。在临潼站和喀什站观测北斗G3星并进行双向比对。该实验结果表明,实验期间C波段双向卫星时间频率传递中电离层延迟影响的最大值为0.47 ns。     

光纤时间传输及相位补偿

介绍了国外几种利用光纤进行时间频率传递的方法和经验.对无补偿光纤时间频率传递方法、双向时间频率传递方法、光学机械温度补偿方法及电子共轭相位补偿方法作了较详细的描述.光纤时延主要随温度而变化,在200 km以内,时延的日变化为几纳秒,月变化为十几纳秒.在50 km内利用光纤传输100 MHz频率信号时,在不补偿情况下频率稳定度为: 3×10-14/s,1×10-15/d;光学补偿后的频率稳定度可达到1.5×10-14/s,1×10-17/d.电子共轭相位补偿后,温度变化20℃引起的相位变化降低了45倍.光纤传输对短期频率稳定度影响较小,对日及更长期的频率稳定度影响较大.     

双向不对等几何路径对卫星双向时间频率传递的影响

分析了在卫星双向时间频率传递中,由地面站间钟差和卫星运动引起的双向几何路径不对等导致的双向几何路径时延差对双向时间比对计算结果的影响。选取了3颗卫星（中卫1号、北斗3G、IGSO70）和3组地面站（北京-成都、北京-喀什、北京-三亚）组成的9条卫星双向时间频率传递链路作仿真计算。对于这9条链路,仿真结果显示：1）当两地面站间钟差在1μs～10 ms范围内时,通过GEO卫星比通过IGSO卫星的双向不对等几何路径时延之差对双向时间比对计算结果的影响（τ值）较小;2）假设地面站间钟差在1 ms内时,通过 GEO卫星的卫星双向时间比对链路所对应的τ值均在皮秒量级,一般可忽略;通过 IGSO 卫星的卫星双向时间比对链路所对应的τ值均在纳秒量级,一般不可忽略。     

基于IGS MGEX产品分析GPS PPP时间传递

基于Bernese 5.2软件,利用精密单点定位(PPP)的方法,分别采用只包含GPS单系统的IGS快速、最终产品和由IGS多GNSS实验(MGEX)先导项目分析中心GFZ和CODE提供的包含4系统的产品,共4种不同的精密卫星轨道和钟差产品,对PTB-NTSC和PTB-ROB两条国际时间比对链路2个月的GPS数据进行了时间传递试验。选取使用IGS快速产品的时间传递结果为参考,以其他产品时间传递结果与参考值的差异来评价不同精密产品尤其是包含4系统的MGEX产品对GPS PPP时间传递的影响。试验结果表明,不同产品时间传递结果差异的RMS在0.1 ns左右,验证了MGEX多系统产品可以用于GPS PPP时间传递。考虑到MGEX产品本身的自洽性,该结果可以为后续基于MGEX产品进行北斗、Galileo PPP时间传递提供参考。     

NTSC时频比对中的Galileo E3总时延校准

为了提升时间传递链路的可靠性, 国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)自\lk2020年起将Galileo时间比对正式作为UTC (Coordinated Universal Time)计算的备份链路, 因此对接收机Ga-lileo信号时延校准是全球各守时实验室参与UTC链路的必要工作. 以德国物理技术研究院(Physikalisch-Tech-nische Bundesanstalt, PTB)和中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)已校准的GPS (Global Positioning System)链路为参考, 将PT09接收机设为参考站, 对NTSC的NT02和NT05两台不同型号接收机的Galileo E3 (Galileo E1&E5a)总时延进行校准并验证. 结果表明: NT02和NT05 Galileo E3总时延分别为74.6ns和46.5ns, 校准不确定度均为3.5ns, 且校准时延比较稳定; NT02和NT05校准后与其他守时实验室已校准接收机的GPS P3和Galileo E3链路的共视比对结果基本一致; 以NTP3与其他实验室接收机GPS P3链路的共视比对结果为参考, 其偏差均值均小于1.5ns, 在校准不确定度范围内.     

Performance Optimization Method of Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer Link based on Conditional Adjustment

Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) is one of the time transfer methods with the highest accuracy at present, and it is also the main method to compare the atomic time scale among the time-keeping laboratories participated in the international atomic time calculation. Improving the short-term stability of TWSTFT links and reducing the influence of Diurnal on the link time transfer result have practical significance for optimizing the performance of TAI (International Atomic Time). In this paper, a method of TWSTFT link performance optimization based on conditional adjustment is proposed. Firstly, the optimized network of TWSTFT link performance (hereinafter briefly called as optimized network) is established according to the noise level and spectrum analysis result of TWSTFT link measurements, and then the weight coefficient matrix is set according to the analysis result of measurement noises of all the links in the optimized network to establish the conditional adjustment model. The Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer link between the National Institute of Metrology (NIM) and the National Time Service Center (NTSC) of Chinese Academy of Sciences in the Asia-Pacific region is selected as the link to be optimized, and the TWSTFT links among NTSC, NIM, and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) are used to compose the optimized network. The networking method and conditional adjustment model are verified by experiments. The results show that the short-term stability of the link to be optimized after adjustment is improved, and the influence of Diurnal is reduced about 24.6%. Using this method, the time transfer performance of the link to be optimized can be improved effectively.     

高精度国际时间比对的进展

在过去的４５ｙｒ中原子频标的性能大约每７ｙｒ提高一个数量级,从国际标准时间和各国高精度守时的需要出发,远距离的高精度时间频率传递比对技术也有与之相适应的很大的发展。ＧＰＳ卫星在近２０ｙｒ中不仅成为导航定位不可缺少的工具,在时间、频率的方面也发挥出巨大威力;近年来多通道“全视接收”技术的发展钎时频传输比对的稳定性有了重大改善;ＧＬＯＮＡＳＳ卫星系统在高精度时间比对方面正在成为ＧＰＳ系统的重要补充手段     

一种转发式卫星授时新方法

为了减少对GPS提供的高精度授时服务的依赖,建设拥有自主知识产权的且具有投入成本低、精度高的授时系统。提出了一种利用地面高稳定度原子钟作为时频基准,通过通信卫星转发实现卫星广播授时的新方法。详细研究了利用地面高稳定度原子钟和通信卫星组成的导航星座进行多星授时、单星授时的原理和测量方法,分析研究了影响授时精度的原因。由于转发式卫星授时系统的时频基准源稳定度高,其测距精度也会相应的提高。只要精确扣除时延误差,同样可以实现高精度授时。粗码的授时精度可达20ns以内,短精码的授时精度可达10ns左右。总之该系统具有组建灵活简便、应用面广等优势和特色。     

基于CGGTTS的北斗3号系统时间性能评估

依据国际时间频率咨询委员会(Consultative Committee for Time and Frequency, CCTF) GNSS (Global Navigation Satellite System)时间比对工作组制定的时间传递标准(Common GNSS Generic Time Transfer Standard Version2E, CGGTTS_V2E), 针对GNSS接收机观测到的伪距信号开发了数据处理软件, 用于生成标准格式的CGGTTS文件, 并对其可靠性进行了验证. 结果表明, 与sbf2cggtts软件生成的CGGTTS文件相比, 在同一历元下, 分别利用相同GPS和BeiDou-2卫星观测值计算的星地钟差值基本一致, 互差绝对值不超过0.5ns的差值分别占总数的96%、94%. 以中国标准时间UTC(NTSC) (Coordinated Universal Time (National Time Service Center))为参考, 利用数据处理软件分别对BeiDou-2和BeiDou-3卫星的B1I和B3I双频消电离层组合观测值处理并生成标准格式的CGGTTS文件, 通过分析其星地钟差参数对BeiDou系统时间的性能进行评估. 结果表明, 与BeiDou-2相比, BeiDou-3系统时间的内符合精度提高约28%, 且1 d以上中长期频率稳定度明显优于BeiDou-2.     

The Performance Evaluation of BeiDou-3 System Time Based on CGGTTS

According to the Common GNSS Generic Time Transfer Standard Version2E (CGGTTS_V2E) developed by the GNSS (Global Navigation Satellite System) Working Group of the International Consultative Committee for Time and Frequency (CCTF), the data processing software is developed by using the pseudorange signal measured by the GNSS receiver, which is used to generate the CGGTTS files in the standard format, and its reliability is verified. The results show that, compared with the CGGTTS files generated by sbf2cggtts software, the offset between the GNSS system time and local time scale calculated by the same GPS and BDS satellite observations in the same epoch is identical, and the difference with the absolute value of the difference less than 0.5 ns accounts for 96% and 94% of the total, respectively. Taking Chinese standard time UTC(NTSC) (Coordinated Universal Time (National Time Service Center)) as the reference time scale, the data processing software is used to process the observations of the B1I and B3I dual-frequency ionospheric combination of BeiDou-2 and BeiDou-3 satellites, and generate the CGGTTS files in the standard format, and the performance of BeiDou system time is evaluated by analyzing the parameter of offset between the GNSS system time and local time scale. The results show that, compared with BeiDou-2, the internal precision of BeiDou-3 system time is increased by about 28%, and the frequency stability of medium and long-term is obviously better than BeiDou-2 after one day.     

Local Oscillator Distribution Using A Geostationary Satellite

A satellite communication system suitable for distribution of local oscillator reference signals for a widely spaced microwave array has been developed and tested experimentally. The system uses a round-trip correction method to remove effects of atmospheric fluctuations and radial motion of the satellite. This experiment was carried out using Telstar-5, a commercial Ku-band geostationary satellite. A typical Ku-band satellite has uplink and downlink capacity at 14–14.5 GHz and 11.7–12.2 GHz, respectively. For this initial experiment, both earth stations were located at the same site to facilitate direct comparison of the received signals. The local oscillator reference frequency was chosen to be 300 MHz and was sent as the difference between two Ku-band tones. The residual error after applying the round trip correction has been measured to be better than 3 ps for integration times ranging from 1 to 2000 s. For integration times greater than 500 s, the system outperforms a pair of hydrogen masers with the limitation believed to be ground-based equipment phase stability. The idea of distributing local oscillators using a geostationary satellite is not new; several researchers experimented with this technique in the eighties, but the achieved accuracy was 3 to 100 times worse than the present results. Since then, the cost of both leased satellite bandwidth and the Ku-band ground equipment has dropped substantially and the performance of various components has improved. An important factor is the availability of narrow bands which can be leased on a communications satellite. We lease three 100 kHz bands at approximately one hundredth the cost of a full 36 MHz-wide transponder. Further tests of the system using terminals separated by large distances and comparison tests with two hydrogen masers and radio interferometry of astronomical objects are needed.     

卫星双向法时间比对的归算

卫星双向法比对原理为两个台站同步发送和接收时间信号，可消除传递路径误差，因此比对精度高，它的缺点是效率低，占用大量卫星时间，也不适合于自动化操作，现正在研制的终端可多台站同时观测，克服了上述缺点，利用新的终端提出一种新的处理方法，研究表明多台站观测的同时性有更多的信息可提取，以提高比对精度。