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.     

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.     

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.     

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.     

北斗三号多频点双频组合共视时间传递性能分析

针对北斗二号(BeiDou-2) B1I&B2I标准双频无电离层伪距组合解算的共视比对结果中存在明显的噪声进而影响其短期稳定性的现象, 开展了在BeiDou-2和北斗三号(BeiDou-3)现有可用频率信号中选取最优双频组合的研究, 以期改善BeiDou的共视时间传递性能. 基于开发的CGGTTS (Common GNSS (Global Navigation Satellite System) Generic Time Transfer Standard)软件所生成的标准共视文件, 完成了中国科学院国家授时中心(NTSC)与捷克光电研究院(TP)之间GPS、Galileo、BeiDou-2 B1I&B2I及B1I&B3I和BeiDou-3 B1I&B3I及B1C&B2a双频无电离层伪距组合共视时间比对试验, 并用Vondark滤波对各双频组合的共视结果降噪处理, 通过计算滤波残差的RMS值来评估共视时间比对的精度. 结果表明, 利用BeiDou-3 B1C&B2a组合伪距值获得的共视时间比对结果噪声相对较小, 相比BeiDou-2 B1I&B2I、B1I&B3I和BeiDou-3 B1I&B3I组合的RMS (Root Mean Square)值分别提高约46%、52%和37%, 与GPS P1&P2组合的精度相当, 且与Galileo E1&E5a组合相差不大. BeiDou-3 B1C&B2a组合链路的短稳(< 1d)要优于BeiDou-2 B1I&B2I、B1I&B3I和BeiDou-3 B1I&B3I组合, 且与GPS P1&P2、Galileo E1&E5a组合的稳定性相当; 6条共视时间比对链路的中长稳(> 1d)基本一致.     

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.     

北斗三号共视时间传递性能分析

简要介绍了4种北斗双频组合共视(Common-View, CV)模型,设计并实现了RINEX (Receiver Independent Exchange Format)转换CGGTTS (Common GNSS (Global Navigation Satellite System) Generic Time Transfer Standard)的工具软件rnx2cgg,解决了CGGTTS V2E (Version 2 Extended)不支持北斗三号(BDS-3)新信号体制的问题.系统性地分析了北斗授时误差源,包括空间信号测距误差、伪距测量噪声、差分码偏差,并根据误差模型给出了北斗双频共视的权函数.最后,利用BSNC (Beijing Satellite Navigation Center)和MGEX (The Multi-GNSS Experiment and Pilot Project)观测站数据,开展了北斗授时、站间共视时间传递性能分析.试验结果表明:北斗时从地面段到空间段、用户段的全链路双频共视闭合差的标准差(Standard Deviation, STD)优于2 ns.北...     

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10~(-23)s~(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.     

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.     

用GPS秒信号锁定高频振荡器的方法研究

对用远距离传输的GPS秒信号锁定本地高频晶体振荡器的方法进行了探讨。介绍了高精度的时间数字转换器TDC(Time to Digital Converter)和对滤波的方法进行了探讨。为了降低成本又能够满足设计要求的精度，还考虑了双D／A转换的方法。有关的硬件系统已经通过了调试和一系列的测试和实验，在测量和控制精度方面，能达到设计的要求。此外，提出了这个系统有待解决的问题，如双D／A转换的非线性问题，Kalman滤波抗野值及继续提高精度的问题。     

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.     

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.     

基于单片机和GPS信号的校频系统

介绍一种基于INTEL 80C196KC单片机的校频系统,包括系统的设计原理、硬件组成和软件实现。该系统通过利用GPS接收机得到的1PPS秒脉冲信号,实现对晶体振荡器频率的校准,从而获得一个短期及长期稳定度都比较优良的时间频率标准。该系统采用了量化时延原理进行短时间间隔比对,对测量数据进行卡尔曼滤波处理。     

An algorithm for a near real-time data processing of GPS common-view observations

Near real-time transfer of GPS common-view data is no longer a problem, but near real-time data processing of the data still calls for study, because it is not yet achieved by the usual smoothing and filtering techniques. Based on the characteristics of the GPS common-view data, a Kalman filtering algorithm is designed for estimating the time difference between two sites, while greatly reducing the observational noise. The algorithm is applied to the time difference between the National Time Service Center (NTSC) of China and the Communications Research Laboratory (CRL) of Japan (Over 2000 km apart), and to that between the CRL and the Korean Research Institute of Standards and Sciences (KRIS) (over 1000 km apart). The root mean square errors of the results obtained by the Kalman filter relative to those obtained from the Circular T of BIPM are less than 2.9 ns and 2.6 ns, in the two cases. Further, it is pointed out that, when multi-site data within a common-view network are available we can further improve the accuracy of the time comparisons by indirect observation adjustment. This statement was justified by application to the data from all three stations, i.e. NTSC, CRL, and KRIS.     

基于自适应滤波的干扰消除方法研究

射电天文信号非常微弱,电磁环境对射电望远镜观测至关重要,通常可以利用地形、建立无线电宁静区、进行电磁屏蔽与防护等手段来减小电磁干扰.然而,仍有一些干扰难以屏蔽.故提出了一种基于自适应滤波的干扰消除方法,可用于复杂噪声环境中天文信号的提取.该方法借助自适应横向滤波器,采用最小均方(Least Mean Square, LMS)误差算法,以系统误差和收敛性为评判标准,通过改变步长与阶数对滤波效果进行优化,仿真结果显示该滤波器能在保证算法收敛的前提下有效提取信号.为了检验该算法的有效性,选取了新疆天文台南山26 m射电望远镜和Parkes 64 m射电望远镜记录的观测数据,采用设计的滤波器分别对不同的实测数据进行测试,验证了该滤波器的有效性.理论分析与实验结果一致表明该方法能有效消除天文观测中的干扰信号,具有一定的实用性.     

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱 BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.     

用于JATC的GPS CV时间比对中的数据处理

GPS CV(共视)时间传递技术将在重建的我国的综合原子时(JATC)系统中起重要作用。介绍了GPSCV时间比对中共视数据的选取和消除观测数据中的随机噪声的方法，对GPS共视时间比对中的电离层时延改正和几何时延改正方法作了阐述，给出了对NTSC(中国科学院国家授时中心)与CRL(日本通信研究所，现已更名为国家信息和通信技术研究院(NICT))两个时间实验室之间的共视比对数据的计算结果。