利用GEO卫星进行转发式授时的性能分析

史丰丰,李兆南

(北京卫星导航中心,北京 100094)

利用GEO卫星进行转发式授时的性能分析

史丰丰,李兆南

(北京卫星导航中心,北京 100094)

摘要：利用GEO卫星进行转发式授时的原理,将监测得到的授时偏差结果与卫星广播的星历信息进行比对分析,对卫星的解算星历和广播星历进行分析,分析结果说明:当卫星运动到赤道上方时,z方向的运动加速度最小,速度最大,星历预报误差最大,卫星径向距离偏差最大,此时授时偏差最大;卫星从赤道上方运动到南北两端过程中,z方向的运动加速度逐渐增大,速度逐渐减小,星历预报误差逐渐变小,卫星运动到南北两端时,z方向的运动加速度最大,速度最小,星历预报误差最小,卫星径向距离偏差最小,此时授时偏差最小。

关键词：GEO;转发式授时;广播星历;解算星历

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.004

中图分类号：TN967.1

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0017-04

收稿日期：2015-03-21

作者简介

Abstract:This paper introduces the principle of using GEO satellite to execute the repeater time service, compare and analysis between the time service error result and the satellite broadcast ephemeris information,analysis the satellite’s solver ephemeris and broadcast ephemeris.The result illustrates that when the satellite moves to the top of the equator,it has the minimum motion acceleration in the z direction,the maximum speed,the maximum ephemeris prediction error and the maximum deviation of radial distance,so it has the maximum time serves error at this time.When the satellite motions from above the equator to the north and south ends,its motion acceleration in the z direction has gradually increases,the speed has gradually decreases,the ephemeris prediction error has gradually decreases.When the satellite moves to the north and south ends,it has the maximum motion acceleration in the z direction, the minimum speed,the minimum ephemeris prediction error and the minimum deviation of radial distance,so it has the minimum time service error at this time.

0引言

授时是指确定、保持某种时间尺度,并通过一定方式将代表这种尺度的时间信息传送给使用者的一系列工作[1]。高精度的授时在诸如3G、4G移动通信网络、电力系统网络等有着广泛的应用。目前,大多数授时方法都以某种类型的无线电发播为基础。根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网授时和电话授时等。其中,卫星授时由于精度高、成本低,具有广阔的发展前景。

GEO卫星是位于赤道上空,距离地面高度约36 000 m的地球同步轨道卫星,在某导航系统中有重要的应用,除具有定位、导航、短报文通信等功能外,还可提供高精度的转发式授时[2]。

本文阐述了在某导航系统中利用GEO卫星进行转发式授时的原理;通过搭建测试平台,监测了利用GEO卫星进行转发式授时的授时结果,发现其精度可以达到50 ns,但具有周期性波动现象,波动周期为日,通过对授时结果与星历信息的比对,并利用卫星精密星历计算星历偏差,找到授时结果周期性波动现象的规律及星历偏差对授时结果周期性波动现象的影响。

1授时原理

利用GEO卫星进行转发式授时首先由地面原子钟控制并产生卫星导航信号的频率、编码速率、相位、导航电文,由发射设备经天线发送到GEO卫星,卫星转发器将授时信号下行传递到用户接收终端,用户终端的时间间隔计数器以本地钟秒信号1 PPS作为开门脉冲,以调制解调器检测出的第n帧信号的参考时标作为关门脉冲,可得测量的时间间隔。根据已知用户坐标、上行时延、卫星坐标和电离层等参数,可计算出信号传播时延。通过信号传播时延以及时间间隔可计算得到用户本地钟与地面中心标准时间钟的钟差,然后调整本地钟与标准时间信号对齐,从而完成GEO卫星授时过程。图1为授时流程示意图,图2为授时原理图。

图1　授时流程示意图

图2　授时原理

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联系人： 李兆南 E-mail: lizhaonan0127@gmail.com

如图2所示,Δt=t-k·Δτ-τ,式中Δτ为1帧所对应的时间间隔,是已知量,τ为信号的正向传播时延(地面站-卫星-用户),τ=t设备单+tR0+tRu, t设备单是指用户终端由天线接收到信号输出的内部时延,作为已知量存储在用户终端中,tR0为地面站到GEO卫星的距离时延以及该路径上对流层和电离层修正值,tRu为用户到GEO卫星的时延及该路径上对流层和电离层修正值。

2授时监测

2.1　监测方法

授时接收机的天线接收卫星信号,并以授时模式对卫星信号进行解调,一路将解调出的卫星广播电文等信息通过USB接口传送至监控台,另一路将解调出的1 PPS秒脉冲信号与本地氢原子钟(SOHM-4)输出的1 PPS脉冲信号接至测量设备(计数器SR620),测量两路1 PPS的时差值,并将时差值送至监控台,完成单向授时结果的监测，如图3所示。

图3　单向授时监测设备连接图

2.2　授时结果

对授时数据进行监测,图4示出了某GEO卫星7日的授时曲线,发现其授时精度可以达到50 ns,但是存在明显的周期性波动现象,波动的周期为日。

图4　某GEO卫星7日授时曲线

图5示出了某GEO卫星南北轨道保持期间的单向授时曲线,轨道保持是指GEO卫星在随时间运动过程中,会出现逐渐偏离其相对地球的固定点位的情况,这种偏离达到一定程度的时候,需要进行轨道保持使其回到固定点位附近。可以看到,卫星在南北方向轨道保持后,授时结果的波动幅度明显变小。

图5　某GEO卫星南北轨道控制期间的授时曲线

图6示出了GEO卫星7日在CGCS2000坐标系下的运动轨迹,可以看出,该星并不是严格与地球同步,而是以地球赤道上空某固定点位为中心,相对于地球做以日为周期的运动。

图6　某GEO卫星7日运动轨迹

3授时结果分析

3.1　授时结果与广播信息对比

根据授时原理,授时结果由四个因素决定:地面站信号发射时刻、信号上行时延、信号下行时延和用户设备、大气层时延等其他时延修正。其中,信号上行时延和下行时延是由GEO卫星的广播电文信息中的星历信息与地面站及用户位置计算得到。图7示出了t时刻授时结果分别与广播电文信息中GEO卫星的星历x、y、z方向的位置及速度变化情况进行对比。

图7　授时结果分别与x、y、z方向位置及速度对比

3.2　解算星历与发播星历对比

星历指卫星轨道,即卫星在某坐标系下的位置,星历误差指同一时刻由卫星星历给出的卫星在空间中的位置与卫星的实际位置之差。卫星的实际位置无法确切知道,但是可以用精密星历代替,精密星历通过多个坐标精确已知的地面基站根据测距值后期解算得到,一般来说,精密星历的误差在5 cm之内。图8示出了t时刻卫星的解算星历与发播星历在x方向、y方向和z方向的偏差结

图8　卫星解算星历与广播星历在各方向差值

果,可以看出,卫星在z方向上偏差越大,授时误差越大。图9示出了t时刻卫星的解算星历与发播星历与地面用户之间的径向距离之差。对比图9和图7中的授时结果,并结合图7所示的卫星位置及速度情况,可以得出:当卫星运动到赤道上方时,z方向的运动加速度最小,速度最大,星历预报误差最大,卫星径向距离偏差最大,此时授时偏差最大;卫星从赤道上方运动到南北两端过程中,z方向的运动加速度逐渐增大,速度逐渐减小,星历预

图9　卫星解算星历与广播星历与地面用户之间的径向距离之差

报误差逐渐变小,卫星运动到南北两端时,z方向的运动加速度最大,速度最小,星历预报误差最小,卫星径向距离偏差最小,此时授时偏差最小。

4结束语

本文通过测试某导航系统中利用GEO卫星进行转发式授时的结果,其精度可以达到50 ns,发现其具有周期性波动现象,波动周期为日,并进一步发现该波动现象与星历信息具有较大关联:当卫星运动到赤道上方时,z方向的运动加速度最小,速度最大,星历预报误差最大,卫星径向距离偏差最大,此时授时偏差最大;卫星从赤道上方运动到南北两端过程中,z方向的运动加速度逐渐增大,速度逐渐减小,星历预报误差逐渐变小,卫星运动到南北两端时,z方向的运动加速度最大,速度最小,星历预报误差最小,卫星径向距离偏差最小,此时授时偏差最小。对GEO卫星进行转发式授时结果中周期性波动现象的消减是下一步研究的方向。

参考文献

[1]吴海涛,李孝辉,华宇,等.卫星导航系统时间基础[M].北京:科学出版社, 2011.

[2]漆贯荣.时间科学基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

史丰丰(1976-),男,高级工程师,主要从事卫星导航、时间频率工作。

李兆南(1982-),男,工程师,主要从事卫星导航、时间频率工作。

The Performance Analysis of Using GEO Satellite to

Execute the Repeater Time Service

SHI Fengfeng,LI Zhaonan

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Key words: GEO; repeater time service; broadcast ephemeris; solver ephemeris