CN108134625B - 一种卫星双向时间频率传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星双向时间频率传递方法，包括以下步骤：S1、建立卫星双向时间频率传递链路；S2、设备时间戳同步；S3、获取四个相位差观测量；S4、计算两站之间的钟差τa(t)‑τb(t)。本发明提供的高精度高稳定度的卫星双向时间频率传递方法，可以在用户不更换已具备的成熟商用设备基础上进行，测量过程简单，并且特别适用于计量实验室氢原子钟和铯原子钟等高性能原子钟远程时间频率传递，对提升远程时间比对精度和频率短期稳定度有非常明显效果。

Description

一种卫星双向时间频率传递方法
技术领域
本发明涉及时间传递技术领域，具体涉及一种卫星双向时间频率传递方法。
背景技术
卫星双向法时间频率传递是目前国际公认的最高精度的时间频率传递方法，广泛应用于国际高精度时间频率量值远程比对，在时间频率量传和溯源方法中的地位无可替代。卫星双向的时间频率传递利用信号扩频调制技术对需要比对传递的两地原子钟的时间频率信息进行高精度扩频调制形成上行信号，通过星地链路对两地上行调制信号进行实时转发，两站同时对各自下行比对信号进行快速捕获、精密跟踪和精确解算，得到两个信号传播时延，通过通信交换传播时延数据便可以精确的获得两比对站间的时间差信息。
传统卫星双向时间频率传递方法主要包括两种，分别是基于码相位测量的时间频率传递方法和基于载波相位测量的时间频率传递方法。基于码相位测量的时间频率传递方法，由于测量参数为码相位，并且受到码速率的限制，在典型值2.5MHz码速率情况下，时间比对不确定度仅为1ns，短期频率稳定度只能达到2x10-10/s；而基于载波相位的时间频率传递方法，由于载波频率远远高于码片速率达到十几个GHz，测量参数为载波相位，因此时间频率传递性能必然提高，时间比对不确定度可达到皮秒量级，短期稳定度可达到几10-13/s量级。
目前现有的基于载波相位测量的时间频率传递方法的关键主要是通过控制卫星出口处码和载波相位的一致性，或者通过补偿控制卫星入口端和地面发射端的信号载波相位的一致性，必须要求比对的两个站的调制解调设备具有码和载波相位调整量的计算和实时调整补偿功能，保证发射信号经过天线、上行空间链路及转发器后的下行码和载波相位对齐。这种方法对两站所使用的调制解调设备提出了比较高的要求，操作比较复杂，不能普遍适用于当前世界各国计量实验室所使用的成熟商用设备。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种易于广泛应用的高精度高稳定度的卫星双向时间频率传递方法。本方法同样基于载波相位观测参数，但方法和测量过程与现有的卫星双向载波相位时间频率传递方法截然不同。本发明所提供的方法可以在用户不更换已具备的成熟商用设备基础上进行，测量过程简单，并且可以满足当前氢原子钟和铯原子钟等高性能原子钟远程时间频率传递。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种卫星双向时间频率传递方法，包括以下步骤：
S1、建立卫星双向时间频率传递链路；
S2、设备时间戳同步；
S3、获取四个相位差观测量；
a)第二地面站将待传输上行信号传输至卫星转发器，卫星转发器由接收到的上行信号产生下行信号，并传输至第一地面站和第二地面站；
第一地面站接收到下行信号，测量得到第二地面站到第一地面站的相位差观测值φba(t)；
第二地面站接收到下行信号，测量得到第二地面站到第二地面站的相位差观测值φbb(t)；
b)第一地面站将待传输上行信号传输至卫星转发器，卫星转发器由接收到的上行信号产生下行信号，并传输至第一地面站和第二地面站；
第一地面站接收到下行信号，测量得到第一地面站到第一地面站的相位差观测值φaa(t)；
第二地面站接收到下行信号，测量得到第一地面站到第二地面站的相位差观测值φab(t)；
S4、计算两站之间的钟差τa(t)-τb(t)；
Figure BDA0001502693510000021
其中，ωu、ωd分别表示上行频率、下行频率。
进一步的，上述卫星双向时间频率传递方法的两站时间频率传递性能为：
时间传递精度：通过对得到的钟差数据进行处理，求取标准方差值即可得到时间传递的精度；
频率传递稳定度：通过将得到的钟差数据转换为频率数据后，计算频率数据的阿伦方差值即可得到频率传递稳定度。
优选地，设备时间戳同步具体为：使用GPS输出的UTC时间信息对两站设备进行授时，使得两站设备的时间系统完全同步，用于后续相位差观测量数据的时间戳标识，便于数据的实时对齐比对处理。
优选地，S3中获取四个相位差观测量时，配置两站调制解调设备的发射机的码速率，接收机配置为2通道接收工作模式。
进一步优选的，第一地面站发送PN0码，第二地面站发送PN1码，上下行链路采用Ku波段的两个不同频率的载波。
本发明的有益效果
本发明提供的高精度高稳定度的卫星双向时间频率传递方法，可以在用户不更换已具备的成熟商用设备基础上进行，测量过程简单，并且特别适用于计量实验室氢原子钟和铯原子钟等高性能原子钟远程时间频率传递，对提升远程时间比对精度和频率短期稳定度有非常明显效果。
附图说明
图1为A、B两站四次载波相位观测量测量的信号流向。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据以上发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种卫星双向时间频率传递方法，包括以下步骤：
S1、建立卫星双向时间频率传递链路；
第一地面站和第二地面站分别使用成熟的双通道卫星双向调制解调商用设备，将需要比对的两站的高性能原子钟的10MHz信号和1PPS信号与对应站的调制解调设备相连，将各自调制解调设备的70MHz中频输入输出端口分别与室外单元的上下变频、功率放大和天线等设备相连，这些室内外设备共同组成卫星双向时间频率传递链路。
S2、设备时间戳同步；
使用GPS输出的UTC时间信息对两站设备进行授时，使得两站设备的时间系统完全同步，用于后续相位差观测量数据的时间戳标识，便于数据的实时对齐比对处理。
S3、获取四个相位差观测量；如图1所示：第一地面站为地面站A，第二地面站为地面站B；
在本优选实施例中，配置两站调制解调设备的发射机的码速率，例如2.5MHz，接收机配置为2通道接收工作模式。A站发送PN0码，B站发送PN1码，上下行链路采用Ku波段的两个不同频率的载波，例如上行链路采用Ku波段的14GHz载波，下行链路采用Ku波段的12GHz载波。
B站至A站相位差观测量，如图1中①：B站发送的PN1码的信号通过B站的基带调制、B站的射频发射通道、B站的空间上行链路、卫星转发器、A站的空间下行链路、A站的射频接收通道后被A站的通道2基带接收，A站的通道2测量的PN1信号的载波相位结果即为获取的第一个相位差观测量φba(t)。
B站至B站相位差观测量，如图1中②：B站发送的PN1码的信号通过B站的基带调制、B站的射频发射通道、B站的空间上行链路、卫星转发器、B站的空间下行链路、B站的射频接收通道后被B站的通道2基带接收，B站的通道2测量的PN1信号的载波相位结果即为获取的第二个相位差观测量φbb(t)。
A站至A站相位差观测量，如图1中③：A站发送的PN0码的信号通过A站的基带调制、A站的射频发射通道、A站的空间上行链路、卫星转发器、A站的空间下行链路、A站的射频接收通道后被A站的通道1基带接收，A站的通道1测量的PN0信号的载波相位结果即为获取的第三个相位差观测量φaa(t)。
A站至B站相位差观测量，如图1中④：A站发送的PN0码的信号通过A站的基带调制、A站的射频发射通道、A站的空间上行链路、卫星转发器、B站的空间下行链路、B站的射频接收通道后被B站的通道1基带接收，B站的通道1测量的PN0信号的载波相位结果即为获取的第四个相位差观测量φab(t)。
S4、计算两站之间的钟差τa(t)-τb(t)；
Figure BDA0001502693510000041
其中，ωu、ωd分别表示上行频率、下行频率。
进一步的，上述卫星双向时间频率传递方法的两站时间频率传递性能为：
时间传递精度：通过对得到的钟差数据进行处理，求取标准方差值即可得到时间传递的精度；
频率传递稳定度：通过将得到的钟差数据转换为频率数据后，计算频率数据的阿伦方差值即可得到频率传递稳定度。
本发明中的卫星双向时间频率传递方法，其原理计算步骤如下：(为了推理简化，以下过程省略电离层时延、对流层时延及Sagnac效应对双向比对结果的影响)
步骤一：推导上下行频率与卫星转发器频率关系
上下行频率与卫星转发器频率关系为：ωs＝ωu-ωd。
其中ωu、ωd、ωs分别表示上行频率、下行频率和卫星转发器频率。
步骤二：推导卫星转发器入口信号的形式
假设地面站发射的信号为S＝sin(ωut+ωuτa(t))，由于存在多普勒效应，其到达卫星转发器入口时的信号将变为S'＝sin(ω'ut+ωuτa(t))，其中
Figure BDA0001502693510000051
va(t)表示卫星相对于地面站A运动速度，τa(t)表示A站与标准时间之间存在的时差，c表示光速。
步骤三：推导卫星转发器出口信号的形式
该信号经过卫星转发器本振信号Ss＝sin(ωst+ωsτs(t))变频后变为S”＝sin((ω'u-ωs)t+ωuτa(t)-ωsτs(t))。
步骤四：推导B站接收天线入口端信号的形式
当该信号传送到地面站B接收天线时，其由于受到多普勒的影响，其信号将变为S”'＝sin(ω”dt+ωuτa(t)-ωsτs(t))，
其中，
Figure BDA0001502693510000052
为卫星相对于地面站B运动速度，τs(t)为卫星转发器时间与标准时间之间存在的时差。由于v(t)/c的数量级在几E-8到几E-9，因此
Figure BDA0001502693510000053
数量级在E-16，因此可以忽略不计。
步骤五：推导B站调制解调接收处理信号的形式
而信号到达地面站后，经过Ku波段变频设备本振信号sin(ωdt+ωdτb(t))下变频后，其最终信号变为
S””＝sin((ω”d-ωd)t+ωuτa(t)-ωsτs(t)-ωdτb(t))，其中τb(t)为B站与标准时间之间存在的时差。
步骤六：计算A站到B站的信号传输的相位差
将以上几个公式联立，并假设ρas(t)＝va(t)t，ρbs(t)＝vb(t)t即可得出信号从A站传到B站的相位φab(t)可表示为
φab(t)＝ωuτa(t)-ωsτs(t)-ωdτb(t)-(ωuρas(t)+ωdρbs(t))/c
步骤七：计算A站到A站、B站到A站和B站到B站的信号传输的相位差
重复步骤二到步骤五，同理可以得到A站到A站、B站到A站和B站到B站的信号传输的相位差，分别为：
φaa(t)＝ωuτa(t)-ωsτs(t)-ωdτa(t)-(ωuρas(t)+ωdρas(t))/c
φba(t)＝ωuτb(t)-ωsτs(t)-ωdτa(t)-(ωuρbs(t)+ωdρas(t))/c
φbb(t)＝ωuτb(t)-ωsτs(t)-ωdτb(t)-(ωuρbs(t)+ωdρbs(t))/c
步骤八：计算A站和B站之间的钟差
联立步骤六和步骤七的四个方程，可以得到下面等式：
Figure BDA0001502693510000061
从上式可知τa(t)-τb(t)即我们所需计算的钟差值，而且卫星转发器引入的相位差可以通过四次测量完全消除，而φab(t)、φba(t)、φbb(t)、φaa(t)是系统的直接观测量，ωu、ωd、ωs是已知量。
步骤九：计算时间和频率传递性能
时间传递精度：通过对步骤八得到的钟差数据进行处理，求取标准方差值即可得到时间传递的精度。
频率传递稳定度：通过将步骤八得到的钟差数据转换为频率数据后，计算频率数据的阿伦方差值即可得到频率传递稳定度。
由于步骤一到步骤七为理论原理推导，其中的各个变量在实际测量过程的观测量中是不能完全被剥离的，只是为了推导出上述步骤八中涉及的四个关键的观测量方程。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立卫星双向时间频率传递链路；
S2、设备时间戳同步；
S3、获取四个相位差观测量；
a)第二地面站将待传输上行信号传输至卫星转发器，卫星转发器由接收到的上行信号产生下行信号，并传输至第一地面站和第二地面站；
第一地面站接收到下行信号，测量得到第二地面站到第一地面站的相位差观测值φba(t)；
第二地面站接收到下行信号，测量得到第二地面站到第二地面站的相位差观测值φbb(t)；
b)第一地面站将待传输上行信号传输至卫星转发器，卫星转发器由接收到的上行信号产生下行信号，并传输至第一地面站和第二地面站；
第一地面站接收到下行信号，测量得到第一地面站到第一地面站的相位差观测值φaa(t)；
第二地面站接收到下行信号，测量得到第一地面站到第二地面站的相位差观测值φab(t)；
S4、计算两站之间的钟差τa(t)-τb(t)；
Figure FDA0002477931270000011
其中，ωu、ωd分别表示上行频率、下行频率。
2.根据权利要求1所述的卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，两站时间频率传递性能为：
时间传递精度：通过对得到的钟差数据进行处理，求取标准方差值即可得到时间传递的精度；
频率传递稳定度：通过将得到的钟差数据转换为频率数据后，计算频率数据的阿伦方差值即可得到频率传递稳定度。
3.根据权利要求1所述的卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述设备时间戳同步具体为：使用GPS输出的UTC时间信息对两站设备进行授时，使得两站设备的时间系统完全同步，用于后续相位差观测量数据的时间戳标识，便于数据的实时对齐比对处理。
4.根据权利要求1所述的卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，S3中获取四个相位差观测量时，配置两站调制解调设备的发射机的码速率，接收机配置为双通道接收工作模式。
5.根据权利要求4所述的卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，第一地面站发送PN0码，第二地面站发送PN1码，上下行链路采用Ku波段的两个不同频率的载波。
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