CN108983590A - 一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法，主要包括轨道误差对消时刻和时间比对时刻的初始计算、单站钟差的预先建模、两地实时钟差的解算与数据交互、判决条件的计算与时间比对计算四大部分。本发明能让两个地面站的时间比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。该方法实现的比对精度和现有的最高精度的光纤时间比对技术相当，且是基于自由空间的时间比对方法，不要提前铺建物理链路，克服了光纤比对技术的应用缺陷。

Description

一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法

技术领域

本发明涉及一种时间比对方法。

背景技术

高精度时间比对技术已经渗透到国家科技、经济、军事和社会生活的诸多方面，随着科学技术的发展，时间比对精度要求也越来越高。目前常用的高精度远距离时间比对方法主要包括导航卫星共视时间比对、基于通信卫星的双向时间比对和光纤时间比对。导航卫星共视时间比对和双向时间比对方法都可以实现远距离的时间比对，比对距离可达上千公里，精度却只能达到纳秒量级。纳秒级的时间比对精度并不能满足许多基础前沿研究的需要，例如精细结构常数测量、引力红移测量等基础物理实验，对时间比对精度提出了更高的要求。目前可实现的精度最高的时间比对技术是基于光纤链路的，能达到几十皮秒，但需要提前铺建光纤链路，存在较大的应用局限性，例如深空探测要求时间比对的精度在几十皮秒量级，然而光纤时间比对技术并不适用。且随着比对距离的增加，光纤比对链路的节点增多，时间比对性能也随之下降。

目前中国和欧洲都在建设空间站工程，轨道高度距离地面300至500公里，空间站配备高精度的原子钟，能产生比地面原子钟性能更优的时间频率信号，且空间站与地面之间规划建设有微波通信链路，通过微波链路可以实现地面原子钟与空间站原子钟的时间比对，应用传统方法即可实现百皮秒精度的时间比对。如果把空间站当作中间媒介，即可以实现两个地面站之间的远距离时间比对。但是空间站的轨道特性一方面影响地面站的可视时间，另一方面使得时间比对的精度在百皮秒量级。为了达到和光纤时间比对相当的精度，需要克服空间站轨道误差的影响，寻找新的时间比对方法。因此，如果能克服空间站轨道误差的影响，利用空间站进行两个地面站间的时间比对，一方面能达到和光纤比对相当的精度，另一方面也避免了搭建物理比对链路的应用局限性，具有更广泛的应用范围。此外，也能对光纤时间比对技术进行检核，互相验证。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于空间站的时间比对方法，能让两个地面站的时间比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。该方法实现的比对精度和现有的最高精度的时间比对技术——光纤时间比对技术相当，且是基于自由空间的时间比对方法，不要提前铺建物理链路，克服了光纤比对技术的应用缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)挑选待比对地面站中的任意两个，计算其轨道误差对消时刻的判决因子flag＝|cosα_SA-cosα_SB|+cosβ_SA-cosβ_SB|+|cosγ_SA-cosγ_SB|，其中，α_SA、β_SA、γ_SA分别为空间站在某一时刻与其中一个地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，α_SB、β_SB、γ_SB分别为空间站在另一时刻与另一地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为设定的判决门限；仿真计算出flag小于等于Thod时的两个时刻t1和t2即为两个地面站分别进行轨道误差对消的时刻；

2)确定后发生的轨道误差对消时刻t2作为两个地面站间的时间比对时刻；

3)在两个地面站放置空间站定时接收机，通过ρ_I＝r_I+c·δt_I-S+ε_I计算两个地面站与空间站的钟差δt_I-S，其中I表示不同的地面站，ρ_I为地面站I的定时接收机原始观测量，r_I为空间站到地面站的几何距离，c为光速，ε_I为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟和广义相对论的影响；

4)在两个地面站中选取原子钟性能较优的地面站，对其钟差建模，模型表示为δt_I-S＝a+b×(t-t₀)，其中，a为常数项，b为一次项系数，t₀为模型起点，通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数；

5)两个地面站交换实时的钟差解算数据，进行建模的地面站将一次项系数b发给另一地面站；

6)分别设定两个地面站A和B的数据搜索时段分别为[t1-T,t1+T]和[t2-T,t2+T]，其中T为设定的数据搜索秒数；两个地面站分别在数据搜索时段内进行数据搜索，并同时在数据处理时段[t2-T,t2+T]内计算flag，对于满足flag小于等于Thod的所有A站时刻ti和B站时刻tj，利用A站ti时刻的钟差解算值δt_A-S(ti)和B站t2时刻的钟差解算值δt_B-S(tj)计算A、B两站在tj时刻的钟差δt_A-B(tj)＝δt_A-S(ti)+b×(tj-ti)-δt_B-S(tj)；

7)重复步骤1)～6)，遍历待比对地面站，完成时间比对。

所述的判决门限Thod设置为0.03。

所述的数据搜索秒数T取值为600～3600。

在数据处理时段内，两个地面站逐一将B站每一个时刻的数据与A站[t1-T,t1+T]时段的全部数据分别计算flag。

在数据处理时段内，若t2-t1<2T，则两个地面站在t2-T+f时刻利用A站[t1-T,t2-T+f-1]时段的数据和B站t2-T+f-1时刻的数据计算flag，f＝2、3、…、2T+1。

如果在数据搜索和数据处理时段，地面站对空间站不可视，则忽略不可视时刻的数据。

本发明的有益效果是：充分利用国内外正在建设的空间站资源，主要涉及空间站高精度原子钟和高性能微波比对链路资源，以空间站原子钟作为媒介，实现两地面站间的高精度时间比对，比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。这是目前时间比对领域所能达到的在上千公里时间比对基线下的最高比对精度，比目前普遍采用的导航卫星共视时间比对方法和卫星双向时间比对方法精度高两个数量级，能够满足高精度基础前沿研究的需要。另一方面，本发明所提出的时间比对方法是基于自由空间来进行的，不需要提前建设时间比对物理链路，避免了光纤时间比对方法需要提前铺建光纤链路而带来的应用局限性。本发明较现有的时间比对方法精度更高，应用范围更广。此外，本发明解决了空间站轨道误差对时间比对精度的限制问题，拓宽了载人航天空间站在高精度时间比对领域的应用范围。

附图说明

图1是两个地面站进行时间比对的设备连接图；

图2是时间比对流程图；

图3是西安和长春时间比对误差图；

图4是喀什和三亚时间比对误差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

以A，B两个地面站进行时间比对为例，本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)结合A，B两个地面站的坐标和空间站运行轨道，事先仿真计算出A，B两站轨道误差的对消时刻。轨道误差对消时刻对两个地面站来说并不一定是同时的，例如，A站t1时刻数据和B站t2时刻的数据进行轨道误差对消处理，t1、t2的单位为秒。可以进行轨道误差对消的时刻的选取依据为判决因子flag的计算公式flag＝|cosα_SA-cosα_SB|+|cosβ_SA-cosβ_SB|+|cosγ_SA-cosγ_SB|≤Thod，式中α_SA、β_SA、γ_SA分别为空间站在某一时刻例如t1时刻与地面A站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，α_SB、β_SB、γ_SB分别为空间站在某一时刻例如t2时刻与地面B站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为判决门限。空间站轨道误差优于0.1米，判决门限Thod一般设置为0.03，则空间站轨道误差对消后的残差对时间比对的影响小于10皮秒。仿真计算出flag小于或者等于判决门限时A，B两站的任意观测时刻，即为两站可以进行轨道误差对消的时刻。由于空间站运行轨道和地面站的关系具有以天为单位的周期重复性，所计算出的轨道误差对消时刻也具有日重复性；

2)确定两个地面站间的时间比对时刻。通过计算出的轨道误差对消时刻，确定两地时间比对时刻，确定原则为：后发生的轨道误差对消时刻为时间比对时刻。例如，A站t1时刻和B站t2时刻为轨道误差对消时刻，t2晚于t1，则t2时刻为两站的时间比对时刻，单位为秒；

3)在A，B两个地面站放置空间站定时接收机，用于监测空间站原子钟与地面站原子钟的钟差，通过ρ_I＝r_I+c·δt_I-S+ε_I计算两个地面站与空间站的钟差δt_I-S，其中I表示地面站，此处是A站或者B站，ρ_I为接收机原始观测量，r_I为空间站到地面站的几何距离，c为光速，ε_I为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟、广义相对论的影响。电离层延迟通过双频观测量计算求解，对流层延迟通过精确测量各项气象参数和水汽含量，通过常用对流层延迟模型即可求解，其它各项延迟也可通过专门的计算公式获取；

4)对A站近三天的历史钟差数据进行建模，如果没有这么长时间的历史数据，可以先用短期数据建模。由于需要进行几十皮秒量级精度时间比对的地面站都配备高性能的原子钟，老化系数的影响可以忽略，采用一次多项式进行建模即可满足性能要求，目的是提取A站钟差的线性变化系数。也可以对B站钟差进行建模，一般选取AB两站中原子钟性能较优的地面站对其钟差建模，可以减少后续时间比对的误差，提高比对精度。模型可以表示为δt_A-S＝a+b×(t-t₀)，t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数，a为常数项，b为一次项系数，t₀为模型起点，单位为秒，模型参数可以通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；

5)两站通过Internet网络或无线专用网络交换实时的钟差解算数据，A站还需要把一次项系数发给B站，如果B站建模则B站把一次项系数发给A站；

6)时间比对数据搜索和数据处理，以A站建模，t1、t2时刻分别为A站和B站的轨道误差对消时刻，t2为时间比对时刻为例分别说明A、B两站的数据搜索和处理方法。A站数据索时段为[t1-T,t1+T]，B站数据搜索时段为[t2-T,t2+T]，即在轨道误差对消时刻前后T秒内进行数据搜索(T取值为600～3600)，例如T为3600，则在轨道误差对消时刻前后1小时内进行数据搜索。因为地球和其它天球的摄动力作用，空间站的轨道每天并不完全相同，会有小范围的变化，以扩大数据搜索范围来适应空间站轨道的小幅度变化。A、B两站的数据处理时段均为[t2-T,t2+T]，即在时间比对时刻前后T秒内进行数据处理。在数据处理时段内，A、B两站均对两站在数据搜索时段内的数据计算flag，例如T＝3600，两站在t2-3599时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据或者[t1-3600,t2-3600]时段的数据(此时t2-t1<2T)和B站t2-3600时刻的数据计算flag，两站在t2-3598时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据或者[t1-3600,t2-3599]时段的数据(此时t2-t1<2T)和B站t2-3599时刻的数据计算flag，以此类推，直到t2+3601时刻，该时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据和B站t2+3600时刻的数据计算flag。flag计算公式参见步骤1)，空间站的轨道数据来源于微波下行链路中的数据信息。如果flag小于或者等于判决门限Thod，则进行时间比对计算。例如A站t1时刻和B站t2时刻计算的flag小于判决门限，则利用A站t1时刻的钟差解算值δt_A-S(t1)和B站t2时刻的钟差解算值δt_B-S(t2)计算A、B两站在t2时刻的钟差δt_A-B(t2)，计算公式为：δt_A-B(t2)＝δt_A-S(t1)+b×(t2-t1)-δt_B-S(t2)，其中b为在步骤4)通过建模获取的A站钟差一次项系数。获取了钟差δt_A-B(t2)，也就完成了在t2时刻的两站时间比对。同理，可以采用该方法完成其它时刻的时间比对。如果在步骤4)中采用的是B站钟差数据建模，则在本步骤需要计算的是A、B两站在t1时刻的钟差δt_A-B(t1)，计算公式为δt_A-B(t1)＝δt_A-S(t1)-(δt_B-S(t2)+b×(t1-t2))。需要特别注意的是，如果在数据搜索和数据处理时段，地面站对空间站不可视，则自动跳过该时刻的数据搜索和处理。

本发明的实施例包括以下1～8个步骤：

步骤1.标定好需要进行时间比对的两个地面站中空间站定时接收机天线所在地的坐标，例如为A、B两个地面站；

步骤2.利用仿真工具对一天的空间站轨道进行仿真，然后结合两个地面站的坐标分别计算出两个地面站一天内对空间站的可视时刻，并记录在该时刻时空间站的位置坐标。计算可视时刻时的两个地面站与空间站视线方向与空间站轨道径向、切向和法向之间的夹角余弦值，对两个地面站可视时刻的余弦值进行组合利用公式flag＝|cosα_SA-cosα_SB|+|cosβ_SA-cosβ_SB|+|cosγ_SA-cosγ_SB|计算判决因子flag，判决门限Thod设置为0.03。把flag值与判决门限进行比较，当flag值小于或者等于判决门限时记录两个地面站的观测时刻，该时刻为一组轨道误差对消时刻，以此循环计算，直到遍历完两个地面站所有的可视时刻的组合。把确定的轨道误差对消时刻输入两站的时间比对数据处理软件；

步骤3.对比步骤2中计算的每组轨道误差对消时刻，把后发生的轨道误差对消时刻确定为时间比对时刻，记录时间比对时刻和该时刻可视空间站的地面站名，即记录是地面站A还是地面站B在该时刻可视空间站。以此类推，确定完成所有的时间比对时刻。把确定的时间比对时刻输入两站的时间比对数据处理软件；

步骤4.连接原子钟性能较优的地面站的时间比对设备，例如地面站A原子钟性能优于地面站B，则按照设备连接图连接好地面站A的各个时间比对设备，A站比B站提前采集空间站的观测数据，例如提前一天，时间提前量可以适当增加。然后通过公式ρ_A＝r_A+c·δt_A-S+ε_A计算面站A与空间站的钟差δt_A-S，ε_A包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟、广义相对论的影响，电离层延迟通过双频观测量计算求解，对流层延迟通过精确测量各项气象参数和水汽含量，通过常用对流层延迟模型即可求解，其它各项延迟也可通过专门的计算公式进行计算；

步骤5.对步骤4中获取的地面站A与空间站一天的钟差δt_A-S进行建模，模型为δt_A-S＝a+b×(t-t₀)，a为常数项，b为一次项系数，t₀为模型起点，此处为0，t为一天的秒累计数，模型参数可以通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；

步骤6.在地面站A采集了一天的观测数据并完成步骤5的操作后，连接地面站B的时间比对设备，并接入两个地面站进行数据交互的网络，两个地面站均进行空间站的观测并计算各自地面站原子钟与空间站原子钟的钟差，同时两地的钟差数据通过数据交互网络进行交互，A站还需要把在步骤5中确定的一次项系数发送给B站；

步骤7.两站的时间比对数据处理软件在时间比对时刻前后1小时的时段内进行数据搜索并进行时间比对数据处理，则本实施例中T＝3600。例如t1和t2为一组轨道误差对消时刻，A站数据索时段为[t1-3600,t1+3600]，B站数据搜索时段为[t2-3600,t2+3600]，A、B两站的数据处理时段均为[t2-3600,t2+3600]。在数据处理时段内，A、B两站均对两站在数据搜索时段内的数据计算flag，例如两站在t2-3599时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据或者[t1-3600,t2-3600]时段的数据(此时t2-t1<2*3600)和B站t2-3600时刻的数据计算flag，两站在t2-3598时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据或者[t1-3600,t2-3599]时段的数据(此时t2-t1<2*3600)和B站t2-3599时刻的数据计算flag，以此类推，直到t2+3601时刻，该时刻利用A站[t1-3600,t1+3600]时段的数据和B站t2+3600时刻的数据计算flag。如果在数据搜索和数据处理时段，地面站对空间站不可视，则自动跳过该时刻的数据搜索和处理。flag计算公式参见步骤2，空间站的轨道数据来源于微波下行链路中的数据信息。

步骤8.如果步骤7中计算的flag小于判决门限Thod，则进行时间比对计算。例如A站t1时刻和B站t2时刻计算的flag小于判决门限，则利用A站t1时刻的钟差解算值δt_A-S(t1)和B站t2时刻的钟差解算值δt_B-S(t2)计算A、B两站在t2时刻的钟差δt_A-B(t2)，计算公式为δt_A-B(t2)＝δt_A-S(t1)+b×(t2-t1)-δt_B-S(t2)，其中b为在步骤5通过建模获取的A站钟差一次项系数。获取了钟差δt_A-B(t2)，也就完成了在t2时刻的两站时间比对。同理，可以采用该方法完成其它时刻的时间比对。如果在步骤5中采用的是B站钟差数据建模，则在本步骤需要计算的是A、B两站在t1时刻的钟差δt_A-B(t1)，计算公式为δt_A-B(t1)＝δt_A-S(t1)-(δt_B-S(t2)+b×(t1-t2))。

从上述实施步骤可知，本发明所提的基于空间站的高精度远距离时间比对方法的实施过程主要包括轨道误差对消时刻和时间比对时刻的初始计算、单站钟差的预先建模、两地实时钟差的解算与数据交互、判决条件的计算与时间比对计算四大部分。前两个部分属于两站时间比对数据的预先处理，为后面开展时间比对计算作准备。后两个部分属于时间比对数据的实时处理。最后一个部分——判决条件的计算与时间比对计算，可以在两个站同时进行计算也可以仅在单站进行计算，两个站同时计算则两站都能同时获取时间比对结果，单站计算则仅仅是该站能获取时间比对结果，可以根据需要进行软件配置。在本实施例中，两地面站同时进行判决条件的计算与时间比对计算。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是利用判决因子flag来选取空间站轨道误差对两个地面站时间比对影响较小的时间比对时刻，充分利用高精度原子钟的特性采用建模外推的方法实现两个地面站的同时刻时间比对。本发明一方面解决了空间站轨道误差对时间比对的影响问题，把轨道误差的影响从百皮秒量级降低至十皮秒量级，使得利用空间站进行地面站间时间比对的精度大大提高，达到目前技术的最高精度。另一方面，由于两个地面站的轨道误差对消时刻可以是非同时发生的，即两个地面站并不要求同时可视空间站也可以利用本发明进行时间比对，本发明改善了因为空间站的对地可见时间短而带来的部分地面站间不能同时开展共视时间比对的缺陷。此外，从实施例还可以看出，本发明的时间比对信号是空间站发射的电磁波，电磁波在自由空间传播，不需要物理传导介质。两个地面站之间的数据交互网络可以是Internet网络也可以是无线传输网络，也是非常方便即可实现的。因此，本发明较光纤时间比对技术具有更广泛的应用范围。

Claims (6)

1.一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于包括下述步骤：

1)挑选待比对地面站中的任意两个，计算其轨道误差对消时刻的判决因子flag＝|cosα_SA-cosα_SB|+|cosβ_SA-cosβ_SB|+|cosγ_SA-cosγ_SB|，其中，α_SA、β_SA、γ_SA分别为空间站在某一时刻与其中一个地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，α_SB、β_SB、γ_SB分别为空间站在另一时刻与另一地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为设定的判决门限；仿真计算出flag小于等于Thod时的两个时刻t1和t2即为两个地面站分别进行轨道误差对消的时刻；

2)确定后发生的轨道误差对消时刻t2作为两个地面站间的时间比对时刻；

3)在两个地面站放置空间站定时接收机，通过ρ_I＝r_I+c·δt_I-S+ε_I计算两个地面站与空间站的钟差δt_I-S，其中I表示不同的地面站，ρ_I为地面站I的定时接收机原始观测量，r_I为空间站到地面站的几何距离，c为光速，ε_I为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟和广义相对论的影响；

4)在两个地面站中选取原子钟性能较优的地面站，对其钟差建模，模型表示为δt_I-S＝a+b×(t-t₀)，其中，a为常数项，b为一次项系数，t₀为模型起点，通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数；

5)两个地面站交换实时的钟差解算数据，进行建模的地面站将一次项系数b发给另一地面站；

6)分别设定两个地面站A和B的数据搜索时段分别为[t1-T,t1+T]和[t2-T,t2+T]，其中T为设定的数据搜索秒数；两个地面站分别在数据搜索时段内进行数据搜索，并同时在数据处理时段[t2-T,t2+T]内计算flag，对于满足flag小于等于Thod的所有A站时刻ti和B站时刻tj，利用A站ti时刻的钟差解算值δt_A-S(ti)和B站t2时刻的钟差解算值δt_B-S(tj)计算A、B两站在tj时刻的钟差δt_A-B(tj)＝δt_A-S(ti)+b×(tj-ti)-δt_B-S(tj)；

7)重复步骤1)～6)，遍历待比对地面站，完成时间比对。

2.根据权利要求1所述的基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于：所述的判决门限Thod设置为0.03。

3.根据权利要求1所述的基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于：所述的数据搜索秒数T取值为600～3600。

4.根据权利要求1所述的基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于：在数据处理时段内，两个地面站逐一将B站每一个时刻的数据与A站[t1-T,t1+T]时段的全部数据分别计算flag。

5.根据权利要求1所述的基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于：在数据处理时段内，若t2-t1<2T，则两个地面站在t2-T+f时刻利用A站[t1-T,t2-T+f-1]时段的数据和B站t2-T+f-1时刻的数据计算flag，f＝2、3、…、2T+1。

6.根据权利要求1所述的基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于：在数据搜索和数据处理时段地面站对空间站不可视，则忽略不可视时刻的数据。