[VIP专享]卫星共视高精度时间比对与传递
卫星双向时间比对试验
卫星双向时间比对试验
许昭霞;时鑫;陈文静;左大伟
【期刊名称】《测绘科学与工程》
【年(卷),期】2015(035)005
【摘要】卫星双向时间比对方法（TWSTT）涉及设备时延修正、电离层改正、对流层改正、Sagnac效应改正、相对论周期改正和卫星转发器时延改正。
在北京和国家授时中心之间进行了卫星双向时间比对试验，试验结果表明，卫星双向时间比对方法能够实现高精度站间时间同步，路径时延被充分地抵消，站钟计算结果几乎不受路径时延误差的影响。
因此，卫星双向时间比对方法是一种高精度的钟差获取方法。
【总页数】4页(P75-78)
【作者】许昭霞;时鑫;陈文静;左大伟
【作者单位】[1]北京卫星导航中心,北京100094;[2]中国人民公安大学,北京100038;[3]华北计算技术研究所,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】P228
【相关文献】
1.地球同步卫星双向共视时间比对及试验分析 [J], 刘利;韩春好;唐波
2.卫星双向时间比对原理及比对误差估算 [J], 孙宏伟;李志刚;李焕信;梁双友
3.基于BDS的卫星双向时间比对性能评估试验 [J], 马煦; 王茂磊; 刘魁星; 王棋萍
4.Vondrak-Cepek组合滤波在北斗共视和卫星双向时间比对融合中的应用 [J], 王威雄;董绍武;武文俊;郭栋;王翔;高喆
5.卫星双向时间频率比对软件接收技术研究 [J], 杨志强;梁坤;张爱敏;袁小迪;宋文霞
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卫星双向时间比对地面站群延时校准技术综述
6 | 电子制作 2019年08月现高精度时间传递的重要方式之一，与传统的双向比对法相比，卫星双向时间传递具有传输快，精度高的优点。
TWSTFT 的地面站将本地的10MHz 信号和1pps 信号调制生成70MHz 的中频信号，经过上变频、放大后，通过卫星发射；另一方面接收解调卫星转发过来其它地面站的时间信息［3］。
在时间双向传递过程中，由于传输路径的近似对称，地面站之间的路径延迟大都相互抵消，地面站设备延迟成为目前TWSTFT 链路的最主要误差来源。
精确标定地面站设备延迟成为进一步挖掘TWSTFT 技术潜力［4］，提高时间同步精度的关键。
本文简述卫星双向时间频率传递的基本理论，进一步分析和对比目前主要的卫星双向时间频率传递系统时延校准方法，总结并展望校准技术发展的方向。
1 卫星双向时间比对原理A B T T − 11()22A B A B T T T T τ−=∆−∆+∆ 11()()22A B TR UD R SAT T T ττττ=∆−∆+∆+∆+∆+∆ (1)其中τ∆中的各项时延分为：（1）A、B 两站的发射设备、接收设备时延差引起的时延TR τ∆；（2）大气层中的传播路径时延UD τ∆；（3）地球自转引起的链路非对称误差引起的时延R τ∆；（4）两条链路的卫星转发引起的时延SAT τ∆。
由于传播路径近似对称，传播路径时延主要由两地面站附近电离层电子浓度的不一致造成，这一影响又可通过全球电离层电子浓度分布图大大地减小；上行链路和下行链路采用同一卫星转发器，卫星转发器时延可忽略不计；Sagnac 效应可以根据卫星位置和两站坐标计算出来；地面站设备复系统时延误差最主要来源于地面站硬件设备传输延迟的非对称，即各地面站的发射通道延迟TXA ô与接收通道延迟RXA ô的差值。
2 TWSTFT 延时校准技术■2.1 卫星模拟法美国国家标准局(NIST)方案[5]是最早提出的TWSTFT 时延校准方案，其核心设备是时延零值校准单元，它可以对地面站的发射通道和接收通道进行实时校准。
地心非旋转坐标系中卫星共视法时间比对计算模型
图 １卫 星 共 视 法基 本 原 理 图
标 准 时 间的钟 差分 别 为 △ 、 △ 、 ， △ 则有
Ｉ ＝ 标 时一 △ 准
步， 主要采 用 的 星地 时 间 比对 方 法 有星地 无 线 电 双 向 比对 、 星激 光 双 向测距 比对 、 距 与 卫 星 卫 伪 激光测 距 比对 、 距 与星地 测距 比对 等１ 伪 ６ ］ 。本文 就 对 卫 星共 视 法 在地 ，Ｐ 转 坐标 系 中 的基 本 计 Ｅｔ 旋 算 模 型进行 了详 细 的推导 。
一
，
导 航定位 ， 体 现在 通过 卫 星星 历 影 响用户 的导 还
航定 位 。 ） 因此卫 星导航 定位 系统 必须 有高 精 度
的 时间基 准 ， 与站之 间 以及 地 面站 与 卫星 之 间 站
必 须保 持严 格 的时间 同步 】 。 通 过 站 间 时 间 比对 可 以 实 现站 与站 之 间 的 时 间 同步 ， 主要 采用 的 站 间时 间 比对 方法 有 卫星 双 向时 间 比对 ｓ ｒ ）卫 星 共视 法 比对 、 星 Ｔ ｒ、 卫 载 波 相 位 法 比对 、 光 时 间 比对 等 『； 过 星 地 激 ４ 通 习
维普资讯
４
・ 北京 测绘 ・
２ ０ 年第 １ ０８ 期
地心非旋转坐标 系中卫星共视法时 问 比对 计算模 型
支 晓冈 １支雁 雨 ２曹纪 东 ２ ０ ４ ，４ ，
（． 息工程 大学测绘学院 ， 南 郑 ，４ ０ ５ ；．１８ 部 队 ， １ 信 河 ） ５ ０ ２ ２６ ０ １ ＇ ｌ ＇ １ 北京 １０ ９ ） ０ ０ ４ ［ 要】 卫星导航定位 系统测距的基础是测 时， 摘 定轨和 定位 的前提是各观测量的 时间同步， 因此 ， 时间同步 技术是 卫星导航定位 系统建设的关键技 术基础之一。卫 星导航 定位 系统 中时间同步技术 包括卫星与地 面 （ 星一 地） 和地 面站 间（ 地 ） 时间同步。在本文 中， 地一 的 根据卫星共视 法 时间比对的基本 原理 ， 分别从 数学角度和几何 角 度详 细推导 了地心非旋转 坐标 系中卫星共视 法 时间比对的基本 计算模型 ， 而为实现站 间高精度 的时 间同步提 从
我国首次GPS共视时间传输试验的初步结果
我国首次GPS共视时间传输试验的初步结果
郑曼黎
【期刊名称】《天文学报》
【年(卷),期】1989(030)004
【摘要】我国首次利用GPS系统进行共视时间传输和比对的试验于1987年7月12日至17日完成.此次试验由航天部203所牵头和组织,参加单位有中科院陕西天文台,电子部20所,中科院测地所和中科院空间中心等.本文将介绍这次试验概况,给出数据处理的计算结果,并对此次试验作出评价.
【总页数】7页(P393-399)
【作者】郑曼黎
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】V474.25
【相关文献】
1.GPS 共视时间频率传递应用研究 [J], 孙君
2.电离层改正模型对GPS共视时间传递的影响分析 [J], 盛传贞;张京奎;应俊俊;韩国峰
3.GPS共视时间频率传递应用研究 [J], 孙君
4.基于北斗GPS共视技术的机场站点高精度时间同步方法 [J], 范兴民
5.GPS多接收机组合的共视时间比对技术研究 [J], 张健; 董绍武; 武文俊; 王威雄; 郭栋; 袁海波
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GPS 共视时间频率传递应用研究
GPS 共视时间频率传递应用研究作者：孙君来源：《大陆桥视野·下》2013年第10期摘要随着科学技术的快速发展，在许多的工程中和国民经济的发展中，高精度时间频率传递有着极其重要的作用。
尤其是近几年随着国防科技以及空间科技的快速发展，人们对于高精度的时间和频率传递有了更高的要求。
本文主要是论述了GPS共视存在的主要误差源，以及GPS共视时间频率在实际中的应用。
关键词 GPS共视时间频率传递误差源应用随着科学技术的发展，高精度的时间和频率传递在国民经济建设以及很多的高新企业中都发挥着重要的作用，目前在我国，通信、电力以及交通等行业都广泛应用高精度的时间和频率传递技术。
尤其是近些年国防科技以及空间技术快速发展，其对高精度的时间和频率传递提出了更加严格的要求。
虽然，在九十年代时我国就已经建立了独立的长波授时体系，但是其时间传递的精度仍然不能满足科技发展的需要，而且每天覆盖的时间也只有八个小时。
伴随着我国航天技术的发展，对时间和频率传递的精度要求能够达到亚微秒量级。
而在更高技术例如空中拦截中，时间和频率的传递精度则要达到纳秒量级。
但是，目前能够达到这一要求的设备还是需要完全依靠从国外进口。
因此，大力研发高精度时间传递对于促进我国通信事业以及国防事业的快速发展有着极其重要的作用。
笔者从以下几个方面介绍了我国的GPS共视技术的发展应用以及存在的问题。
一、GPS共视技术应用的发展现状在我国的各定时实验室之间，在很多年前就已经开始使用GPS共视技术来达到和完成高精度的时间和频率的传递。
由于这种方法比较适用于进行原子钟比对，从而可以将世界各定时实验室的原子钟联系在一起来共同参与TAI计算。
而且随着社会科技的不断进步和其他行业的需要，越来越多的行业都开始使用高精度的时间和频率同步这一技术，并也开始使用GPS共视技术。
但是由于GPS共视接收机相对昂贵，限制了GPS共视技术在各个领域的应用。
这样就需要有高科技企业来研制相对廉价的PGS接收机来满足不同企业对于该项技术使用的需求。
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卫星共视法高精度时间频率
比对与传递系统
目 录
1．概述.......................................................................3
2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理...................................4
2.1 卫星共视时间比对与传递工作原理........................................4
2.2 时间比对和传递系统设备配置及连接......................................7
3．经费预算...................................................................9
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”(Common View)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1 GPS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
1
卫
接收
Tt
计数器读数 = (1)
1
dT)(11
卫
TT
钟 1工控计算机工控计算机GPS共视接收机电子计数器钟 2
工控计算机工控计算机
GPS共视
接收机
电子计数器
GPS卫星
在钟2处：
接收时间
2
卫
接收
Tt
计数器读数 = (2)
2
dT)(22
卫
TT
式中，和为路径延迟，它等于卫星发射时间到接收设备时延。
12
解由(1)和(2)联立的方程组可得
(3)
)(
212121dd
TTTT
由此我们可以求得时钟1和时钟2的钟面值之差。
1
Tt
发射
图2 GPS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。
1
Tt
发射
(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
发射
T
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
21
和
(4)
212121dd
TTTTRR
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
钟1
钟2
T
d1
T
d2
收
收
T
T
卫星
T
卫
发发
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。
13
101
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。
卫星授时网络:
发送时间信号
授时中心层网络：
连接各个时间中心的通
信网络，传递比对数据
有线授时网络：
连接区域时间中心和时
间接收点的通信网络；
授时，传递时间数据。
授时中心层：
一级中心和多个
区域中心组成。
授时网络层：
区域时间中心和
直接授时的时间
节点
各种卫星系统：
共视比对卫星、双向法
通讯卫星、授时卫星
时间接收点
卫星接收机：
接收时间信号
卫星接受：
用于间接授时
光通信系统
时间传递
电网时间一级中心：
独立时间频率基准
统一全电网范围的时间
电网时间区域中心：
高精度守时
统一区域电网范围的
时间
时间接收点
时间接收点
同步通讯卫星
中国时间频率基准
UTC(NTSC)
卫星共视
比对系统
双向法卫
星系统
光通信系统：
比对数据传递网络
共视卫星
授时卫星
基准传递系统：
卫星共视系统
双向法卫星系统
光通信时间比对系统
光通信时间
比对系统
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
UTC(NTSC)时间系统Internet或电信通信网Internet或电信通信网UTC(k)
时间系统
计算机电子计数器电子计数器计算机
10MHz10MHz
1PPS1PPS
共视接收机接收机共视接收机
接收机
卫星
序号名称单位数量备注
1GPS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
7ns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
10GPS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