CN102540867A - 基于速度改正的使用非geo卫星的双向时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于：在非GEO卫星双向时间传递中，增加了上下行几何路径不对称的改正项，该改正项是卫星速度、两站钟差以及两站到卫星的距离差的函数。增加该改正项后，使得非GEO卫星的双向时间传递准确度可达到亚纳秒量级。通过对卫星的测轨定轨，得到卫星的运动速度(它随时间而不断变化)的基础上，通过在TWSTFT计算中加入卫星速度改正项，来消掉卫星运动对TWSTFT几何路径不对称的影响，实现亚纳秒量级的站间时间同步。实际试验结果表明，这种改正方法效果很好。

Description

基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法

技术领域

本发明涉及一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，涉及高精度时间传递领域，属于天体测量与天体力学学科。

背景技术

通过地球静止轨道卫星(GEO)的“双向卫星时间频率传递”(TWSTFT)是目前BIPM组织的国际时间比对所采用的一种主要方法。从1999年开始，TWSTFT方法被用于国际原子时(International Atomic Time，缩写为TAI)和协调世界时(CoordinatedUniversal Time，缩写为UTC)的计算。美国、欧洲和亚洲均已组建了的卫星双向比对网。TWSTFT方法由于信号传递路径对称，链路上所有传播路径的时延几乎都可以抵消，因而时间同步精度高。目前TWSTFT准确度可达到500-750ps，稳定度可达到200ps。

基于GEO卫星的TWSTFT的不足之处在于高纬度地区的用户观测卫星仰角低，并且地球同步轨道卫星的轨位是一个有限资源。如何利用非GEO卫星，例如中轨道卫星(MEO)和倾斜同步轨道卫星卫星(IGSO)，来开展TWSTFT，对于综合利用多种卫星资源和扩展TWSTFT方法，是一个很有意义的研究工作。

现有针对GEO卫星的TWSTFT方法，在用非GEO卫星开展TWSTFT时，会面临一个问题：卫星运动给TWSTFT带来了非对称的几何路径，因此降低了时间传递准确度。使用非GEO卫星进行双向时间传递(TWSTFT)的时候，由于卫星运动会造成TWSTFT几何路径的不对称，对TWSTFT准确度造成较大影响。

2010年杨旭海等人申请的、专利申请号为201010013714.8的发明专利：基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法。其技术手段为：

步骤1：计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差t_AB的卫星速度改正项

其中：v_AU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；v_BU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；Δt为两项内容之和，即Δt＝Δt₁+Δt₂，其中Δt₁为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δt₂为A、B两站钟差t_AB值；步骤2：采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差

步骤3：将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为：

问题是在根据该技术方案进行实施时，步骤1中(v_AU+v_BU)的量纲是速度，Δt的量纲是时间，所以Δ的量纲为长度，且不含改正项的

的量纲为时间。而在步骤3中传递的站间钟差为：

式中左边的量纲是时间，而右边的量纲是时间+长度。可见

左右两边的量纲不相同，说明等式不成立，也就是说该专利申请给出的技术手段是含糊不清，根据该申请文件也无法实现发明目的：基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，通过在TWSTFT计算中，加入卫星速度改正项，以修正卫星运动对TWSTFT准确度的影响，提高站间时间同步准确度。

技术方案

一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于：在非GEO卫星双向时间传递中，增加了上下行几何路径不对称的改正项，该改正项是卫星速度、两站钟差以及两站到卫星的距离差的函数。增加该改正项后，使得非GEO卫星的双向时间传递准确度可达到亚纳秒量级。在非GEO卫星双向时间传递中，站间钟差计算的具体步骤如下：

步骤1：计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差t_AB的卫星速度改正项

其中：v_AU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；v_BU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；Δt为两项内容之和，即Δt＝Δt₁+Δt₂，其中Δt₁为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δt₂为A、B两站钟差t_AB值；c为光速(即c＝299792458m/s)；

步骤2：采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差

步骤3：将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为：

根据上面所述的基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于：和基于GEO卫星的双向时间传递的计算方法相比，增加了几何路径不对称的改正项。

有益效果

本发明提出的基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，通过对卫星的测轨定轨，得到卫星的运动速度(它随时间而不断变化)的基础上，通过在TWSTFT计算中加入卫星速度改正项，来消掉卫星运动对TWSTFT几何路径不对称的影响，实现亚纳秒量级的站间时间同步。实际试验结果表明，这种改正方法效果很好。

附图说明

图1：双向时间传递原理示意图为“Two-way Satellite Time and Frequency TransferTWSTFT”；

图2：亚太1号卫星在UTC时间2006年12月27日一天内的星下点轨迹；

图3：当两站有1s的钟差的时候，卫星运动对双向时间传递的影响；

图4：2006年11月29日，临潼到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度；

图5：2006年11月29日，乌站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度；

图6：2006.11.29用亚太1号卫星和鑫诺1号卫星的双向时间传递结果的比较。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1.本实施例中使用的卫星和地面站

a)本实施例中的IGSO卫星为亚太一号卫星，该卫星在赤道上的星下点经度为东经142°E，该卫星目前在南北方向不做轨道机动，属于小倾角IGSO卫星。

下面给出亚太1号卫星在UTC时间2006年12月27日的双行轨道根数：

APSTAR 1

1 23185U 94043A 06360.01808406-.00000252 00000-0 10000-3 0 5272

2 23185  2.1800 84.3565 0002250 190.1428 328.4205 1.00271522 45516

基于上述双行轨道根数(TLE)，使用T.S.kelso的Trakstar软件计算卫星的轨道速度等参数，给出1天内卫星在地固系下的经度、纬度、和到地心的距离，可画出星下点轨迹图，如图2所示。

b)本实施例中的地面站使用临潼站(在国家授时中心，缩写为NTSC)和乌鲁木齐站(在乌鲁木齐天文站，缩写为UO)。并对UO站的时间进行调偏，使得UO站时间等于临潼站时间加1秒。

c)本实施例中选用的参考卫星，是鑫诺一号地球静止轨道卫星(星下点为东经142°E)。使用鑫诺一号卫星的双向时间传递结果作为标准，来检验本专利方法中使用亚太一号卫星做双向时间传递的效果。

2本实施例的观测过程

本示例中的观测方法为：在2006年11月和12月，乌站(UO)和临潼站(NTSC)用IGSO卫星作TWSTFT，首先两站观测亚太一号1小时，然后观测鑫诺一号1小时，然后休息1小时，作为1个观测周期；1天可进行8个周期的观测。两站的配置为：原子钟为：HP5071A，OSA5585PRS。

我们使用了20Mchips的伪码，以提高双向时间传递的观测精度。

3测定卫星的运动速度

在本实施例的试验中，使用转发式卫星测定轨系统，来测定卫星的运动状态，得到卫星在地固系下的运动速度，这是后续的“卫星速度改正项”的前提工作。

临潼站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度如图4所示；乌鲁木齐站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度如图5所示。

3本发明的数据处理过程

(1)计算卫星速度改正项

本专利针对使用非GEO卫星双向时间传递时的几何路径时延无法完全对消的情况，推导了“卫星运动速度改正项”的公式。若两站分别为A和B，两站的计算钟差中包含着速度引起的几何路径不对称，计算钟差和实际值的差(计算值-实际值)，我们用Δ表示。

$\mathrm{\Δ}=(d_{\mathrm{AU}}-d_{\mathrm{AD}})/2c-(d_{\mathrm{BU}}-d_{\mathrm{BD}})/2c$

$=[\frac{1}{2}(v_{\mathrm{AU}}+v_{\mathrm{BU}})\·\mathrm{\Δt}]/c$

在上式中：d_AU：A站信号的上行几何路径；d_AD：A站信号的下行几何路径；d_BU：B站信号的上行几何路径；d_DB：B站信号的下行几何路径；v_AU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；v_BU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；Δt为两项内容之和，即Δt＝Δt₁+Δt₂，其中Δt₁为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δt₂为A、B两站钟差t_AB值；c为光速。

(2)采用传统的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差

传统的GEO卫星双向时间传递(TWSTFT)的原理图1所示。

使用GEO卫星实现TWSTFT的计算方法如下：

TIC(A)＝t_A-t_B+d_TB+d_BS+d_SBA+d_SA+d_RA+S_B    (1)

TIC(B)＝t_B-t_A+d_TA+d_AS+d_SAB+d_SB+d_RB+S_A    (2)

这里TIC(A)和TIC(B)是时间间隔计数器的读数；

t_A和t_B是两站各自的钟面时间；

d_XX是如图所示的各自的传播时延；

S_A和S_B是Sagnac效应改正，注意：S_B＝-S_A。S_A的含义为：信号从A站发出到达卫星，转发后再到达B站总共的Sagnac效应。S_B的含义为：信号从B站发出到达卫星，转发后再到达A站总共的Sagnac效应。

Sagnac效应的量值(即：S_A的绝对值)为2ω_EA_p/c²；若电波传播方向与地球自转方向相同，则值为正。即如果B在A的东面，则S_A为正。上式中，ω_E为地球自转角速度(即ω_E＝7292115*10-11rad/s)；Ap为地球站、卫星和地心构成的三角形在赤道平面上的投影面积；c为光速(即c＝299792458m/s)。

TIC的值在正常情况下总为正，因为对IGSO卫星来讲，信号从地面到卫星再返回地面，所需的时间大约为0.25秒；对MEO卫星来讲，也在0.15秒左右。而对TWSTFT，一般会在正式比对之前，实现两站原子钟的粗同步，精度在1ms之内。

将(1)与(2)作差，移项得：

在上式右面，表格第一行部分表示计数器读数的计算；表格第二行部分表示地面站设备时延的计算，可通过事先测量得到；表格第三行部分表示空间传播时延的计算。空间传播时延包括3个部分：几何路径时延、电离层时延和对流层时延。对流层时延可以完全抵消；电离层时延影响可忽略。表格第四行部分表示卫星时延部分的计算，可以完全抵消；表格第五行部分表示Sagnac效应的计算，可通过公式准确计算。

(3)将两站钟差

加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为：

(4)本发明方法与传统方法结果的比较

使用传统方法，将2006.11.29日使用亚太一号的双向时间传递结果与使用鑫诺一号的结果放在同一个图上，如图3所示。

使用本发明方法，将2006年11月29日使用亚太一号的双向时间传递结果与使用鑫诺一号的结果放在同一个图上，如图6所示。

传统方法：只能用于GEO卫星TWSTFT，传播路径时延可以抵消；用于非GEO卫星时，由于卫星运动的影响，会带来较大误差，如图3所示；

本发明方法：可以用于非GEO卫星的TWSTFT，对卫星运动带来的影响，通过测量卫星的运动速度，并推导了修正公式进行修正，可以使得非GEO卫星TWSTFT的准确度和GEO卫星的TWSTFT准确度一样好，达到亚纳秒量级。

Claims (1)

1.一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差t_AB的卫星速度改正项

其中：v_AU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；v_BU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；Δt为两项内容之和，即Δt＝Δt₁+Δt₂，其中Δt₁为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δt₂为A、B两站钟差t_AB值；c为光速；

步骤2：采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差

步骤3：将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为：

Images