CN102545993B - 一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法，解决了载波相位在卫星双向时间传递系统应用时的技术瓶颈——卫星出口处码和载波相位的一致性控制。其次，将载波相位测量应用于卫星双向时间传递系统，相对于码伪距卫星双向时间传递方法，其精度提高了1～2个数量级。该方法的实施基于以下条件：1.一颗卫星；2.至少两个用户站，且两个用户站的基带能够实现码和载波相位调整量的计算，根据计算结果基带控制部分对发射基带信号的码和载波相位进行实时调整，从而保证基带发射的信号经天线、上行空间链路及转发器，在转发器出口处保证下行导航信号的码和载波相位的一致性。

Description

一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法

技术领域

本发明涉及一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法，可以使卫星双向时间传递方法的精度再提高至少一个数量级。

背景技术

自从1957年第一颗人造卫星上天，人们就探讨用卫星进行时间同步的可能性。1962年美国海军天文台(the United States Naval Observatory，USNO)和英国皇家物理实验室(National Physical Laboratory，NPL)用TELSTAR(第一颗主动式通信卫星)作横跨大西洋的时间比对试验。1965年USNO和日本通信综合研究所(Communication ResearchLaboratory，CRL)用RELAYII作横跨太平洋的时间比对试验，比对精度在0.1us～1.0us之间。

20世纪80年代，美国建成GPS，前苏联建成GLONASS(Global Navigation satellitesystem，GLONASS)。两者在星上都放置有高性能的星载原子钟，并且都采用“测时一测距”体制。路径时延的测量是测距和导航定位的基础，因此具备高精度的授时功能。GPS C/A码单站时间比对精度为340ns(有SA，Selective Availability)和50ns(无SA)。同期，美国国家标准局(National Institute of Standards and Technology，NIST)提出了GPS共视方法，使得时间传递的精度达到纳秒级。

为了进一步提高时间传递精度，需要更好的解决路径时延问题。于是出现了双向卫星时间传递(Two-Way Satellite Time Transfer，TWSTFT)。在中国科学院和科技部支持下，国家授时中心首先建立了卫星双向时间比对系统，并开展相关技术研究，是我国目前参加国际卫星双向比对的唯一单位。国家授时中心从1998年起和日本的通信综合研究所(现更名为：国家信息通信技术研究所(NICT))开始建立卫星双向时间频率传递链；2001年开始观测数据正式加入国际原子时(TAI)和协调世界时(UTC)计算，成为国际高精度时间比对链接的重要一环；目前国家授时中心(NTSC)已经与欧洲的PTB和VSL建立了TWSTFT链接，成为亚洲重要的国际TWSTFT站点。而目前TWSTFT采用的是基于伪距测量的双向时间传递方法，由于受到伪码长度的限制，其精度很难再突破更高的水平。

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载波相位的卫星双向时间传递方法，由于载波的频率高，波长短，采用载波相位作为测距参数，可以大幅度提高测距精度，从而进一步提高卫星双向时间传递精度。

技术方案

一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立码和载波相位一致性控制模型，包括

码相位调整量τ_code＝τ_c-τ_d-τ_r，

载波相位调整量：τ_carrier＝τ_code-2Δτ_iono

其中：τ_c为大环时延，表示综合基带接收终端测量出信号从综合基带发射终端发出，经射频发射通道、空间上行、卫星转发、空间下行、射频接收通道和综合基带接收终端的时延；τ_d为信号从卫星质心到地面接收通道起点的时延，包括下行几何路径时延、下行电离层附加时延、下行对流层附加时延的总和；τ_r为信号从接收通道起点到综合基带解调出信号的时延的测量值，Δτ_iono为电离层引起的时延。

步骤2：以进行卫星双向时间传递的任意两个用户站，用户站1和用户站i为双向站，建立卫星双向时间传递链路，以用户站1为主站，计算i站相对1站的钟差Δτ_1i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{1i}==\frac{(t_{\mathrm{Si}}-t_{S1})}{2}$

t_S1为卫星S到用户1的传输时延；t_Si为卫星S到用户i的传输时延，

其中；ρ1＝c·t_S1，ρi＝c·t_Si，

ρ1为卫星至用户站1的载波相位伪距，ρi为卫星至用户站i的载波相位伪距，c为光速；

步骤3两用户站间时间同步：以两个用户站中的任一个为主站，将两站间的钟差计入另一个用户站钟面时，T′_i＝T_i+Δτ_1i，使得两站时间达到同步，完成两站间卫星双向时间传递；其中：T′_i为同步后该用户站的钟面时，T_i为同步前该用户站当地的钟面时。

有益效果

本发明提出的一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法，将载波相位测量技术应用于卫星双向时间传递方法，解决载波相位在卫星双向时间传递系统应用时的技术瓶颈——卫星出口处码和载波相位的一致性控制，可用于异地远距离两站之间或多站之间的高精度双向时间传递。本发明的有益效果是：能够明显的提高卫星双向时间传递的精度。采用卫星出口处码和载波相位一致性控制技术，以确保载波相位在卫星双向时间传递方法中应用的有效性。在采用原来伪码测距卫星双向时间传递硬件平台的条件下，采用该发明方法可以使时间同步精度提高1～2个数量级。

附图说明

图1：多站间卫星双向时间传递时延示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的技术特征在于：首先，解决了载波相位在卫星双向时间传递系统应用时的技术瓶颈——卫星出口处码和载波相位的一致性控制。其次，将载波相位测量应用于卫星双向时间传递系统，相对于码伪距卫星双向时间传递方法，其精度提高了1～2个数量级。该方法的实施基于以下条件：1.一颗卫星；2.至少两个用户站，且两个用户站的基带能够实现码和载波相位调整量的计算，根据计算结果基带控制部分对发射基带信号的码和载波相位进行实时调整，从而保证基带发射的信号经天线、上行空间链路及转发器，在转发器出口处保证下行导航信号的码和载波相位的一致性。

参看附图一，

步骤1.建立码和载波相位一致性控制模型

参看附图一，综合基带接收终端测量出信号从综合基带发射终端发出，经射频发射通道、空间上行、卫星转发、空间下行、射频接收通道和综合基带接收终端的时延，称为大环时延τ_c，大环时延τ_c是实时测量值。定义τ_d为信号从卫星质心到地面接收通道起点的时延，包括下行几何路径时延、下行电离层附加时延、下行对流层附加时延等。τ_r为接收通道时延，定义为信号从接收通道起点到综合基带解调出信号的时延。接收通道时延τ_r为精确测量值。

载波相位和码相位的不一致主要由电离层引起，电离层造成码相位延迟和载波相位超前。因此在码相位和载波相位调整的计算中，τ_r我们假设为相同的值，τ_c和τ_d则由于电离层的影响而分别取不同的值。

计算码相位调整量：

τ_code＝τ_c-τ_d-τ_r

其中τ_r为接收设备时延，τ_code为计算得到的码相位调整量。

由于电离层对码观测值和载波相位观测值的影响，就其一阶项而言，数值相同，符号相反。故计算载波相位调整量为：

τ_carrier＝τ_code-2Δτ_iono

其中τ_carrier为计算得到的载波相位调整量，Δτ_iono为电离层引起的时延。

根据码相位和载波相位调整量计算结果，在用户站的基带部分实现码和载波相位的预偏，最终实现在卫星出口处，码和载波相位的一致。

步骤2，建立卫星双向时间传递链路

以进行卫星双向时间传递的两个用户站为双向站，建立卫星双向时间传递链路。两个用户站的基带均具有步骤1完成的码和载波相位一致性控制功能。参见附图一，可以采用图中的任意两个站，这里以用户1和用户i为双向站建立卫星双向时间传递链路。设T_1i、T_i1分别为1#和i#站发射1pps的时间经过空间链路到对方站接收到该1pps的时间差，根据卫星双向时间比对原理，以用户站1为主站，计算i站相对1站的钟差Δτ_1i，可得站1、i间的钟差Δτ_1i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{1i}=\frac{(T_{1i}-T_{i1})-(t_{1T}-t_{1R})+(t_{\mathrm{iT}}-t_{\mathrm{iR}})+(t_{1S}-t_{S1})-(t_{\mathrm{iS}}-t_{\mathrm{Si}})+(S_{1i}-S_{i1})}{2}-2\mathrm{\ωA}/c^2$

其中，t_1R、t_1T为用户1设备的接收、发射链路时延，可通过测量获得；

t_iR、t_iT为用户i设备的接收、发射链路时延，可通过测量获得；

t_1S、t_Si为用户1到卫星S的上行传输时延和经过卫星S到用户i的传输时延；

t_iS、t_S1为用户i到卫星S的上行传输时延和经过卫星S到用户1的传输时延；

S_1i、S_i1分别为信号从用户1到用户i经过转发器的时延和信号从用户i到用户1经过转发器的时延，由于经过转发器的上下行频率相同，这两个值可抵消。

2ωA/c²是Sagnac效应，可以由理论工具导出。

因此，站1、i间的钟差Δτ_1i可简单描述为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{1i}=\frac{(t_{1S}-t_{S1})-(t_{\mathrm{iS}}-t_{\mathrm{Si}})}{2}=\frac{(t_{1S}-t_{\mathrm{iS}})+(t_{\mathrm{Si}}-t_{S1})}{2}---\left(1\right)$

在计算码相位调整量时，将用户站到卫星的传输时延归算到卫星出口处，即上行传输时延在基带部分已经补偿掉了，故(1)式等效于：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{1i}==\frac{(t_{\mathrm{Si}}-t_{S1})}{2}---\left(2\right)$

步骤3.采用载波相位测距获得空间链路传输时延

如附图一所示，卫星S时刻t发出一个相位为

的载波信号，经距离ρ传播到用户站k处后，信号的相位为

则由卫星S至用户站k的相位变化为

包括了整周数和不足一周的小数部分，为方便计，载波相位均以周数为单位。如果能测定

则卫星S至用户站k的距离ρ即为：

式中

N₀——载波相位

(t时刻)的整周数部分；

——不足一周的小数部分；

λ——载波的波长，为已知值。

采用载波相位测距的关键问题是解整周模糊度和周跳的检测与修复，目前这两个问题已有很多解决方案，这里不再赘述。设卫星至用户站1的载波相位伪距为ρ1，至用户站i的载波相位伪距为ρi，根据公式ρ＝c·t，则有

ρ1＝c·t_S1和ρi＝c·t_Si    (4)

可获得t_si和t_s1。

步骤4.获取进行双向的两用户站间的钟差

将(4)式解得的t_si和t_s1代入(2)式，即可得到进行双向的两用户站间的钟差Δτ_1i，达到各用户站时间同步目的，完成远程用户站时间传递。可以以两个用户站中的任一个为主站，这里以用户站1为主站，将两站间的钟差计入i站钟面时，以使的两站时间达到同步，完成两站间卫星双向时间传递。即

T′_i＝T_i+Δτ_1i

式中，T′_i为同步后i站的钟面时，T_i为同步前i站当地的钟面时。

在具体实施过程中，以国家授时中心(NTSC)与欧洲的PTB和VSL建立的TWSTFT链接为实验平台，试验和验证本发明提出方法的可行性和有效性。本发明的重点在于保证卫星出口处码和载波相位的一致性，该项指标的保证以发明中其它内容为基础，首先要对基带发射时间同步、高精度时间间隔测量和误差校准等问题进行深入研究，建立精确的预测模型，在基带部分根据预测模型对码和载波相位进行预处理，从而保证本发明的可行性和有效性。如附图一所示，具体实施步骤如下：

步骤如下：

步骤1.卫星出口处码和载波相位一致性控制

根据星载本振的变化规律和误差校准模型，在综合基带建立码或载波相位的预偏模型，通过预偏，使卫星出口处码和载波的相位保持一致。

步骤2.卫星双向时间传递

参见附图一，以国家授时中心(NTSC)与欧洲的PTB和VSL建立的TWSTFT链接为实验平台，建立卫星双向链路。设T_1i、T_i1分别为1#和i#站发射1pps的时间经过空间链路到对方站接收到该1pps的时间差，根据卫星双向时间比对原理，可得站1、i间的钟差Δτ_1i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{1i}==\frac{(t_{\mathrm{Si}}-t_{S1})}{2}---\left(2\right)$

步骤3.载波相位空间时延解算

卫星S至用户站k的距离ρ即为：

采用双频伪码和载波相位观测值线性组合解算整周模糊度：

双频伪码和载波相位观测值线性组合解算整周模糊度的基本原理是通过观测两个频率上的码相位伪距和载波相位伪距，利用它们之间的线性组合，组成伪码、差频和载波相位观测量。利用伪码测距解算差频载波相位整周模糊，利用差频相位测量解算出载波相位整周模糊。

设λ为载波波长，表示载波相位观测量，N表示载波相位整周模糊，下标d、a表示差频与和频。差频与和频的波长为：

${\mathrm{\λ}}_d=\frac{c}{f_{L1}-f_{L2}},$ ${\mathrm{\λ}}_a=\frac{c}{f_{L1}+f_{L2}}$

差频与和频的相位整周模糊为

N_d＝N_L1-N_L2，N_a＝N_L1+N_L2

差频与和频的相位观测量为

假设在历元t时刻，用户站接收通道获得4个观测值：ΔΦ_L1、ΔΦ_L2(载波L1、L2的相位观测值，单位为周)，P_L1、P_L2(码相位伪距观测值)。ρ表示真实相对距离加上与频率无关的偏移量，则可以列出伪距观测方程和相位观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{L1}=\mathrm{\ρ}+C_I/f_{L1}^2\\ P_{L2}=\mathrm{\ρ}+C_I/f_{L2}^2\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{L1}=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\λ}}_{L1}}-\frac{C_I}{c\·f_{L1}}+N_{L1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{L2}=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\λ}}_{L2}}-\frac{C_I}{c\·f_{L2}}+N_{L2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，C_I表示电离层的影响；Φ_L1、Φ_L2为相应于P_L1、P_L2的码相位观测值(单位为周)。N_L1、N_L2为载波相位观测值的整周模糊；c表示光速；λ_L1和λ_L2表示L1和L2的载波波长。

解算式(5)可得

$\left\{\begin{array}{c}{C}_I=-\frac{f_{L2}^2\·f_{L2}^2}{f_{L1}^2-f_{L2}^2}\·(p_{L1}-p_{L2})\\ \mathrm{\ρ}=\frac{f_{L1}^2}{f_{L1}^2-f_{L2}^2}\·p_{L1}-\frac{f_{L2}^2}{f_{L1}^2-f_{L2}^2}\·p_{L2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

将(7)代入(6)，经整理得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{L1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{L2}-\frac{f_{L1}-f_{L2}}{f_{L1}+f_{L2}}\·(\frac{P_{L1}}{{\mathrm{\λ}}_{L1}}-\frac{P_{L2}}{{\mathrm{\λ}}_{L2}})=N_{L1}-N_{L2}$

等式两边同乘以和频波长表达式，可以得到：

相位和伪距的这种线性组合，既消除了电离层的影响，也消除了卫星和接收机的钟差，观测量仅受观测噪声和多径效应的影响，因此，利用该方法可以容易地估计出N_a。在具有P码双频接收机的条件下，这种方法有可能实时地解算整周模糊度，实现动态定位。

步骤4.异地时间同步

将误差校准信息和步骤3解算获得的载波相位空间时延代入步骤1的钟差计算公式，即可获得异地两站之间的钟差，以达到异地站间的时间同步。

Claims (1)

1.一种基于载波相位的卫星双向时间传递方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立码和载波相位一致性控制模型，包括

码相位调整量τ_code=τ_c-τ_d-τ_r，

载波相位调整量：τ_carrier=τ_code-2Δτ_iono

其中：τ_c为大环时延，表示综合基带接收终端测量出信号从综合基带发射终端发出，经射频发射通道、空间上行、卫星转发、空间下行、射频接收通道和综合基带接收终端的时延；τ_d为信号从卫星质心到地面接收通道起点的时延，包括下行几何路径时延、下行电离层附加时延、下行对流层附加时延的总和；τ_r为信号从接收通道起点到综合基带解调出信号的时延的测量值，Δτ_iono为电离层引起的时延；

步骤2：以进行卫星双向时间传递的任意两个用户站，用户站1和用户站i为双向站，建立卫星双向时间传递链路，以用户站1为主站，计算用户站i相对用户站1的钟差Δτ_1i为：

${\mathrm{\Δ\τ}}_{1i}=\frac{(t_{\mathrm{Si}}-t_{S1})}{2}$

t_S1为卫星S到用户站1的传输时延；t_Si为卫星S到用户站i的传输时延，

其中：ρ1＝c·t_S1，ρi＝c·t_Si，

ρ1为卫星S至用户站1的载波相位伪距，ρi为卫星S至用户站i的载波相位伪距，c为光速；

步骤3：两用户站间时间同步：以两个用户站中的任一个为主站，将两站间的钟差计入另一个用户站钟面时，T_i'＝T_i+Δτ_1i，使得两站时间达到同步，完成两站间卫星双向时间传递；其中：T_i'为同步后该用户站的钟面时，T_i为同步前该用户站当地的钟面时。

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