卫星双向非连续时间比对的结果分析

韦沛，杨旭海，郭际，李志刚，钦伟瑾



卫星双向非连续时间比对的结果分析

韦沛1,2,3，杨旭海1,2，郭际1,2，李志刚1,2，钦伟瑾1,2

（1.中国科学院国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100039）

双向卫星时间比对是一种高精度的远程时间比对手段，其比对经常不是连续进行的。为分析非连续双向卫星时间比对的水平，使用中国科学院国家授时中心的C波段双向卫星时间比对网的数据进行试验。采用的方法是对非连续双向卫星时间比对的结果进行内插，将内插结果与连续双向卫星时间比对的结果进行比较。结果表明本文试验条件下观测间隔时间在2.5 d以内时，非连续与连续观测结果之差的RMS值小于1ns；观测间隔时间为0.5 d时，非连续与连续观测结果之差的RMS值小于0.5ns。

双向卫星时间频率传递（TWSTFT）；时间比对；时延

0 引言

双向卫星时间传递（two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）是一种高精度的时间比对手段，是国际权度局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）组织国际时间比对所采用的主要方法之一[1]。由于信号传递路径对称，链路上传播路径时延大部分可以相互抵消，因而时间比对精度高。目前TWSTFT方法的稳定度可达0.2 ns，结果的准确度可达0.5~0.75 ns[2]。

1999年初，TWSTFT方法用于国际原子时（international atomic time，TAI）和协调世界时（coordinated universal time，UTC）的计算。美国、欧洲和亚洲地区均组建了卫星双向比对网。中国科学院国家授时中心（National Time Service Centre，NTSC）参加了亚太卫星双向时间比对网[3]，并与德国PTB、荷兰VSL、意大利IEN、法国OP等欧洲时间频率机构建立了双向时间比对链路。此外，NTSC组建的C波段双向卫星时间比对网可以在国内5站之间进行不间断的卫星双向时间比对。

TWSTFT需要租用卫星转发器，而卫星转发器资源有限、租金昂贵，连续租用代价比较高。近年来，多手段并址观测成为一种发展趋势。甚长基线干涉（very long baseline interferometry，VLBI）站、国际GNSS服务（international GNSS service，IGS）站、TWSTFT站等并址建设具有钟资源共享、便于管理等优势。但TWSTFT需要向卫星发射信号，其运行时会对并址观测的VLBI等其他设备的电磁环境造成干扰。

基于上述原因，国际上TWSTFT系统通常不是连续进行比对的。如1998年起NTSC与日本国家信息通信技术研究所（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）建立的双向法比对系统在正式常规运行中每星期比对2次，每次30min[3]，通过内插获得二地钟差结果。为了保证TWSTFT的精度，BIPM组织的TWSTFT在逐渐加密：2004年以前，BIPM每周组织3次TWSTFT；2004年加密到每天4次；2005年10月起欧亚链路每天组织12次比对；2005年11月起亚太链路每天组织24次比对[4]。目前NTSC与PTB之间的双向链路每天比对12次，每次5min。BIPM组织的TWSTFT在各个守时实验室之间进行，比较各守时实验室的时间标准之间的钟差。但是对于一般工程使用的铯钟、氢钟而言，非连续TWSTFT结果与连续TWSTFT结果之间的差异是亟待研究的内容之一。

本文使用一般氢钟和铯钟作为时间源，对不同时间间隔的TWSTFT观测结果进行内插，将内插结果与全天工作条件下的TWSTFT观测结果进行比较，以确定非连续TWSTFT在一般工程应用中的可靠性。文中分析了C波段TWSTFT的主要误差源，以C波段卫星双向时间比对网（TW（C））为试验平台开展试验研究，并处理和分析了试验数据。

1 C波段TWSTFT的主要误差源

图1为TWSTFT的原理示意图，图中A，B两站地位相同，A站将其主钟秒信号调制后向卫星发射，卫星转发后由B站接收，B站解调A站秒信号，将其与B站主钟秒信号进行比较，测定该两者之间的时差。B站的工作情况与A站相同[1]。

图1 TWSTFT原理示意图

TWSTFT的计算表达式如下[5]：

本文中认为传输路径对称，即认为AS链路与SA链路、BS链路与SB链路中的几何路径时延和对流层时延均相同，并且ASB链路和BSA链路中的转发器时延相同。于是有：

本文中认为上行和下行的Sagnac效应大小一样，只相差1个符号[7]，所以有：

由式（1）至式（11）可得：

一般认为GEO卫星相对于地球静止不动，实际上其星下点会发生接近周期的变化，进而影响Sagnac效应的计算。但是GEO卫星运动对Sagnac效应的影响约在10-2ns级别[9]，在进行亚纳秒级的时间比对时尚不需考虑。

式（14）中，表示信号频率。由于TW（C）上行频率为6.3 GHz，下行频率为4.1GHz，所以上下行电离层时延无法抵消。电离层对C波段信号传播时延的影响大约在0~0.5 ns范围内，是亚纳秒级时间比对中必须消除的重要误差[12]。

2 试验方法与试验结果

本试验使用的数据为NTSC的C波段双向卫星时间比对网2005年6月10日至19日（年积日为161至170）连续10 d的观测数据，每秒钟记录一次计数器读数；其中6月11日约有8h的数据缺失；观测卫星为鑫诺1号，星下点位于东经110.5°；观测站为NTSC和上海站。该两站使用的伪码码率是20 MChips；上行频率为6.3GHz，下行频率为4.1GHz；上海站配备型号为SONH的氢原子钟，NTSC配备型号为HP5071A铯原子钟。

试验分析中扣除了电离层延迟和Sagnac效应的影响，试验中Sagnac效应对TWSTFT的影响如图2所示，电离层对C波段TWSTFT的影响如图3所示。

图2 Sagnac效应对TWSTFT的影响（两站互差后）

图3 电离层对C波段TWSTFT的影响（两站互差后）

图4 连续TWSTFT观测结果

图5 连续TWSTFT线性拟合残差图

BIPM组织TWSTFT计算TAI时，使用线性方法进行内插。文献[4]和[13]中认为大多数情况下Vondrak平滑较其他方法更好，但是不同评价方式下的优势并不明显。在本文试验条件下，平滑因子为105的Vondrak平滑插值结果与线性插值结果相差不超过0.01 ns，且在不同间隔时间下各有优劣，无法判断其有效性，所以本文使用目前国际上主要使用的线性内插方法作为插值方法。用连续TWSTFT评价非连续TWSTFT的计算表达式如下：

表1 不同情况下非连续与连续观测结果之差的统计情况

3 结论

图7 观测间隔时间对非连续与连续观测结果之差RMS值的影响

[1] 李志刚, 李焕信, 张虹. 卫星双向法时间比对的归算[J]. 天文学报, 2002, 43(4): 422-431.

[2] 李孝辉. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[3] 张虹, 李志刚, 李焕信. 中日卫星双向时间比对稳定度的测定方法[J]. 宇航计测技术, 2007, 27(3): 21-24.

[4] JIANG Z. Smoothing and interpolation techniques for a TW measurement series in TAI calculation[R]. 13th Meeting of the TWSTFT, 2005.

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[6] WU Wen-jun, LI Zhi-gang, YANG Xu-hai, et al. Satellite orbit determination and time transfer based on TWSTFT[C]//2011 Joint Conference of the IEEE International, Frequency Control and the European Frequency and Time Forum(IFCS/EFTF). San Francisco, CA, United States: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2011: 1-4.

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Result analysis of non-continuous two-waysatellite time comparison

WEI Pei1,2,3, YANG Xu-hai1,2, GUO Ji1,2, LI Zhi-gang1,2, QIN Wei-jin1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

The two-way satellite time and frequency transfer(TWSTFT) is a kind of remote time comparison method with high precision. Generally, the comparison is not carried out continuously. The data from C-band TWSTFT Network of the national time service center(NTSC) was used for analyzing the level of non-continuous TWSTFT. The raw data of non-continuous TWSTFT was dealt with linear interpolation method and the result was compared with the continuous TWSTFT. The comparison shows that the RMS of the difference between non-continuous and continuous TWSTFT is less than 1ns when the interval time is less than 2.5d, and the RMS is less than 0.5 ns when the interval time is 0.5 d.

TWSTFT; time comparison; time delay

TM935

A

1674-0637(2013)04-0214-08

2012-02-01

中国科学院“西部之光”联合学者资助项目（2007LH01）；国家自然科学基金重点资助项目（11033004）；国家自然科学基金资助项目（11173026）

韦沛，男，硕士，主要从事高精度时间传递方面研究。