卫星共视高精度时间比对与传递.docx

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卫星共视高精度时间比对与传递

卫星共视高精度时间比对与传递

卫星共视法高精度时间频率

比对与传递系统

1．概述

时间是物理学的基本参量之一。

随着科学技术的发展，高精度的时间和频率在国民经济发展中的地位日趋重要，诸如通信、电力、交通、高速数字网同步等高新技术领域有着广泛的应用，特别是我国国防建设和空间技术领域，如空间目标探测与拦截（类似于美国爱国者导弹防御系统）、我国第二代战略武器试验、载人航天工程和拟建中的二代卫星导航系统对时间和频率的精度提出了更高的要求。

二十世纪末，随着空间技术的发展，GPS和北斗卫星导航系统相继问世，授时具有了全方位性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性，并提供了高精度的授时覆盖和服务。

“时间统一系统”为精密时间产生、传递、恢复和保持、科学研究、科学实验和工程技术及一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时间基准和依据。

就高精度时间传递与比对系统而言，可以应用于工程项目的主要包括以下几种：

1．RNSS卫星共视时间比对与传递；

2．RNSS卫星载波相位时间同步；

3．卫星双向时间比对与传递；

4．搬运钟时间比对与传递。

在以上几种方法中，卫星共视时间比对与传递是一种较为优秀的高精度时间比对与传递系统。

2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理

2.1卫星共视时间比对与传递工作原理

所谓“共视”（CommonView）就是位于两个不同位置的观测者，在同一时刻对同一颗卫星进行观测，其原理如下图所示。

图1GPS共视法高精度时间同步原理图

图1给出了一个单收系统示意图，在每个比对点，本地钟均按自己的速率运行。

根据比对需求，利用卫星所发射的1PPS秒信号、或其它固定速率发射的时钟脉冲信号。

在每个测站，利用本地钟的1PPS信号打开时间间隔计数器闸门，再用从共视接收机所输出的1PPS秒信号关闭时间间隔计数器的闸门。

这样，我们可以得到以下的时间关系（图2）：

在钟1处：

接收时间

计数器读数

=

（1）

在钟2处：

接收时间

计数器读数

=

（2）

式中，

和

为路径延迟，它等于卫星发射时间到接收设备时延。

解由

（1）和

（2）联立的方程组可得

（3）

由此我们可以求得

时钟1和时钟2的钟面值之差。

图2GPS共视时间比对示意图

由此我们可以求得

时钟1和时钟2的钟面值之差。

（3）式表示了卫星导航系统时间

时刻，时钟1和时钟2的钟面时刻差，利用共视接收机获得的星历表和对流层、对流层等改正模型参量，求得

（此项在共视接收机中已经作了自动改正）。

所以

（4）

由此，要获得两地之间的钟差，只需要知道参加比对双方各自时间间隔计数器的读数。

与卫星双向时间同步相类似，在两个相距很远的不同观测者在同一时刻观测同一颗GPS卫星，得到两地观测的差值后，利用卫星信道以数字编码的形式和通过互联网实时相互传递双方各自时间间隔计数器的读数。

对数据进行统计处理，就可以得到这两地之间时钟的差。

根据处理结果对各自的钟差进行改正，即可实现两地之间的时间同步。

GPS共视比对的优点是能将可能出现的某些误差减到最小。

卫星时钟误差会被全部消除，原因是两地接收机的这一误差是共同的。

早在1984年，东京天文观测站（TAO）和美国海军天文台（USNO）之间进行了一次共视比对试验。

在这个研究试验中，华盛顿与东京之间约有两个小时的同视时间。

观测是在两地的晨昏线时进行的。

图3给出了1984年2月15日在两地获得的数据。

横轴以小时为单位表示时间，纵轴则以纳秒为单位表示东京天文观测站（现在是日本国家光学观测站）

图3东京天文观测站（TAO）和美国海军天文台（USNO）之间

共视比对试验结果

与美国海军天文台之间的时间差，两地的时钟用作当地GPS时间变换单位的基准。

当两地都在晚上以及一地是晚上另一地是白天时，两个台站之间的数据没有发现有不连续的现象。

卫星数量的增多，能在一天里得到足够的数据。

通过平滑两天的间隔，GPS数据中的许多波动可降到最低。

鉴于目前铷原子钟和铯原子钟所能达到的性能，要将当地时标的精度保持在

是完全可以的。

到目前为止，国际权度局（BIPM）下属各时频基准实验室之间的全球高精度时间比对主要采用GPS共视比对。

2.2时间比对和传递系统设备配置及连接

根据《电网时间统一系统方案》要求和《电网时间统一系统框架》，电力系统时间统一系统时间比对和传递系统连接原理框图如图4所示。

图3电力系统时间统一系统组成框图

由图可见，应用于电力系统时间统一系统的时间比对和传递系统主要包括一级中心和区域中心等若干个主要节点。

图中连线为通信链路，它除了担负电力网的通信调度任务外，还担负着时频信号和时频信息传输和卫星共视比对数据的传输任务。

时间比对和传递系统设备连接原理方框图如图4所示。

图4时间比对和传递系统设备连接原理方框图

应用于电网一级中心/区域中心的GPS/北斗共视时间比对和传递系统主要设备配置如表1所示。

表1：

时间比对和传递系统主要设备

序号

名称

单位

数量

备注

1

GPS共视接收机

台

1

2

北斗共视接收机

台

1

3

原子钟

4

本地分频钟

5

转换开关

台

1

6

工控机

台

1

7

ns量级计数器

台

1

8

数据传输设备

套

1

9

设备连接电缆

套

1

10

GPS扼流圈天线

台

1

11

频标分配放大器

台

1

12

脉冲分配放大器

台

1