基于1Mcps/s码速率的亚欧卫星双向时间比对性能分析

卫星信道租赁费是目前卫星双向时间传递(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)的主要成本之一.在2017年5月以前,参与UTC (Coordinated Universal Time)计算的亚洲-欧洲实验室之间进行Ku波段卫星双向时间频率传递一直使用2.5 Mcps/s码速率,带宽为2.5 MHz的伪随机码.为了在不影响时间频率传递性能的前提下降低成本,在欧亚间首次尝试采用1 Mcps/s码速率,带宽为1.7 MHz的伪随机码,进行亚欧卫星双向时间传递.并使用已校准的GPS PPP (Global Position System Precise Point Positioning)链路为双向链路进行间接校准.选择2018年12月的TWSTFT链路数据,分析链路性能发现,通过ABS-2A卫星,使用1 Mcps/s码速率构建的卫星双向时间比对链路的日频率稳定度达到10~(-15),时间稳定度优于0.3 ns.与已校准的GPS PPP链路数据进行验证分析,结果表明,使用1 Mcps/s码速率进行超长距离卫星双向时间传递与已校准的GPS PPP时间传递结果一致,与传统手段相比,其系统造价低,时间传递性能可以满足国际原子时计算的需求.     

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.     

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.     

地方原子时算法研究

产生和保持一个稳定、准确、可靠的时间尺度是所有时间实验室追求的目标.传统的ALGOS算法主要考虑时间尺度的长期稳定度,而地方原子时尺度需兼顾长、短期的稳定度.通过对原子钟噪声模型的分析研究,在保证地方原子时尺度长期稳定度不降低的条件下,提出适合中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)守时钟类型单一、钟性能相近的时间实验室计算地方时间尺度TA(NTSC)的一套完整算法.应用NTSC 2008年全年所有参加国际原子时(International Atomic Time,TAI)计算的钟的数据进行新算法的验证计算,得到的TA(NTSC)的短期稳定度指标与长期稳定度指标均有提高.研究结果适用于与NTSC守时系统结构相似的时间实验室的原子时尺度计算.     

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。     

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.     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

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。     

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.     

Application of Vondrak Filtering Method to the Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer Based on Software Defined Receiver

The SDR-TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer based on Software Defined Receiver) link collects measurement data per second and then fits the raw data into 300 seconds by mathematical model. The time transfer results of the link are therefore affected by short-term measurement noise and non-model errors, and exhibit certain characteristics of random noise. A frequency domain amplitude analysis method is proposed to determine the filtering factor and construct a low-pass Vondrak filter to meet the requirements. By analyzing the measured data of the SDR-TWSTFT link between the NTSC (National Time Service Center) of Chinese Academy of Sciences and the PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) of Germany, it is found that the method is effective in filtering the high frequency noise in the average time of the link, can improve the confidence of the link time transfer results, and also the short-term frequency and time stability of the filtered link is significantly improved.     

A Research on the Algorithm of Local Atomic Time

The goal of all time laboratories’ pursue is to produce and keep a stable, precise and reliable time scale. The long-term stability of the time scale is mainly taken into account in the traditional ALGOS algorithm, while the local atomic time scale should give consideration to both the long-term and shortterm stabilities. From the analysis and research on the atomic clock noise model and under the condition that the long-term stability of the local atomic time scale does not drop, a complete algorithm is proposed which is suitable for the calculation of the local time scale TA (NTSC) carried out at the time laboratory with the time-keeping clocks of a unitary type and being close in performance at the National Time Service Center, called the NTSC for short, of Chinese Academy of Sciences. The data of all the clocks in the NTSC which participated in the calculation of the International Atomic Time (TAI) all the year round in 2008 are applied to the test and verification of the new algorithm, with the result showing that both the short- and long-term stability indexes of the obtained TA (NTSC) are improved. The research result is suitable for the calculation of the atomic time scale of the time laboratory whose time keeping system is similar to that of the NTSC.     

多通道单频GPS时间传递接收机NTSCGPS-1的性能分析

简要介绍了国家授时中心(NTSC)为我国综合原子时(JATC)项目研制的多通道单频GPS时间传递接收机NTSCGPS-1，并利用观测数据分析NTSCGPS-1的各项性能。分析结果表明，NTSCGPS-1的系统稳定性好，观测精度较高，并具有较好的兼容性，可用于JATC的复建工作。     

GPS共视比对技术在综合原子时中的应用

为提高我国标准时间的准确度和稳定度,中国科学院国家授时中心(NTSC)自2003年开始与国内相关单位合作进行我国综合原子时(JATC)系统的建立与保持的研究。远地时钟间的比对是建立JATC的关键工作之一。为满足JATC对远地时钟间比对的需求,NTSC研制了单频和双频GPS时间传递接收机。