史豐豐,李兆南

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)的性能分析

史豐豐,李兆南

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

摘要：利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)的原理,將監(jiān)測得到的授時(shí)偏差結(jié)果與衛(wèi)星廣播的星歷信息進(jìn)行比對(duì)分析,對(duì)衛(wèi)星的解算星歷和廣播星歷進(jìn)行分析,分析結(jié)果說明:當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到赤道上方時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最小,速度最大,星歷預(yù)報(bào)誤差最大,衛(wèi)星徑向距離偏差最大,此時(shí)授時(shí)偏差最大;衛(wèi)星從赤道上方運(yùn)動(dòng)到南北兩端過程中,z方向的運(yùn)動(dòng)加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預(yù)報(bào)誤差逐漸變小,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到南北兩端時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最大,速度最小,星歷預(yù)報(bào)誤差最小,衛(wèi)星徑向距離偏差最小,此時(shí)授時(shí)偏差最小。

關(guān)鍵詞：GEO;轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí);廣播星歷;解算星歷

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.004

中圖分類號(hào)：TN967.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0017-04

收稿日期：2015-03-21

作者簡介

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

授時(shí)是指確定、保持某種時(shí)間尺度,并通過一定方式將代表這種尺度的時(shí)間信息傳送給使用者的一系列工作[1]。高精度的授時(shí)在諸如3G、4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等有著廣泛的應(yīng)用。目前,大多數(shù)授時(shí)方法都以某種類型的無線電發(fā)播為基礎(chǔ)。根據(jù)授時(shí)手段的不同分為短波授時(shí)、長波授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)、互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)和電話授時(shí)等。其中,衛(wèi)星授時(shí)由于精度高、成本低,具有廣闊的發(fā)展前景。

GEO衛(wèi)星是位于赤道上空,距離地面高度約36 000 m的地球同步軌道衛(wèi)星,在某導(dǎo)航系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用,除具有定位、導(dǎo)航、短報(bào)文通信等功能外,還可提供高精度的轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)[2]。

本文闡述了在某導(dǎo)航系統(tǒng)中利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)的原理;通過搭建測試平臺(tái),監(jiān)測了利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)的授時(shí)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其精度可以達(dá)到50 ns,但具有周期性波動(dòng)現(xiàn)象,波動(dòng)周期為日,通過對(duì)授時(shí)結(jié)果與星歷信息的比對(duì),并利用衛(wèi)星精密星歷計(jì)算星歷偏差,找到授時(shí)結(jié)果周期性波動(dòng)現(xiàn)象的規(guī)律及星歷偏差對(duì)授時(shí)結(jié)果周期性波動(dòng)現(xiàn)象的影響。

1授時(shí)原理

利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)首先由地面原子鐘控制并產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的頻率、編碼速率、相位、導(dǎo)航電文,由發(fā)射設(shè)備經(jīng)天線發(fā)送到GEO衛(wèi)星,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將授時(shí)信號(hào)下行傳遞到用戶接收終端,用戶終端的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以本地鐘秒信號(hào)1 PPS作為開門脈沖,以調(diào)制解調(diào)器檢測出的第n幀信號(hào)的參考時(shí)標(biāo)作為關(guān)門脈沖,可得測量的時(shí)間間隔。根據(jù)已知用戶坐標(biāo)、上行時(shí)延、衛(wèi)星坐標(biāo)和電離層等參數(shù),可計(jì)算出信號(hào)傳播時(shí)延。通過信號(hào)傳播時(shí)延以及時(shí)間間隔可計(jì)算得到用戶本地鐘與地面中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間鐘的鐘差,然后調(diào)整本地鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)對(duì)齊,從而完成GEO衛(wèi)星授時(shí)過程。圖1為授時(shí)流程示意圖,圖2為授時(shí)原理圖。

圖1　授時(shí)流程示意圖

圖2　授時(shí)原理

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聯(lián)系人： 李兆南 E-mail: lizhaonan0127@gmail.com

如圖2所示,Δt=t-k·Δτ-τ,式中Δτ為1幀所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔,是已知量,τ為信號(hào)的正向傳播時(shí)延(地面站-衛(wèi)星-用戶),τ=t設(shè)備單+tR0+tRu, t設(shè)備單是指用戶終端由天線接收到信號(hào)輸出的內(nèi)部時(shí)延,作為已知量存儲(chǔ)在用戶終端中,tR0為地面站到GEO衛(wèi)星的距離時(shí)延以及該路徑上對(duì)流層和電離層修正值,tRu為用戶到GEO衛(wèi)星的時(shí)延及該路徑上對(duì)流層和電離層修正值。

2授時(shí)監(jiān)測

2.1　監(jiān)測方法

授時(shí)接收機(jī)的天線接收衛(wèi)星信號(hào),并以授時(shí)模式對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào),一路將解調(diào)出的衛(wèi)星廣播電文等信息通過USB接口傳送至監(jiān)控臺(tái),另一路將解調(diào)出的1 PPS秒脈沖信號(hào)與本地氫原子鐘(SOHM-4)輸出的1 PPS脈沖信號(hào)接至測量設(shè)備(計(jì)數(shù)器SR620),測量兩路1 PPS的時(shí)差值,并將時(shí)差值送至監(jiān)控臺(tái),完成單向授時(shí)結(jié)果的監(jiān)測，如圖3所示。

圖3　單向授時(shí)監(jiān)測設(shè)備連接圖

2.2　授時(shí)結(jié)果

對(duì)授時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,圖4示出了某GEO衛(wèi)星7日的授時(shí)曲線,發(fā)現(xiàn)其授時(shí)精度可以達(dá)到50 ns,但是存在明顯的周期性波動(dòng)現(xiàn)象,波動(dòng)的周期為日。

圖4　某GEO衛(wèi)星7日授時(shí)曲線

圖5示出了某GEO衛(wèi)星南北軌道保持期間的單向授時(shí)曲線,軌道保持是指GEO衛(wèi)星在隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)過程中,會(huì)出現(xiàn)逐漸偏離其相對(duì)地球的固定點(diǎn)位的情況,這種偏離達(dá)到一定程度的時(shí)候,需要進(jìn)行軌道保持使其回到固定點(diǎn)位附近。可以看到,衛(wèi)星在南北方向軌道保持后,授時(shí)結(jié)果的波動(dòng)幅度明顯變小。

圖5　某GEO衛(wèi)星南北軌道控制期間的授時(shí)曲線

圖6示出了GEO衛(wèi)星7日在CGCS2000坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以看出,該星并不是嚴(yán)格與地球同步,而是以地球赤道上空某固定點(diǎn)位為中心,相對(duì)于地球做以日為周期的運(yùn)動(dòng)。

圖6　某GEO衛(wèi)星7日運(yùn)動(dòng)軌跡

3授時(shí)結(jié)果分析

3.1　授時(shí)結(jié)果與廣播信息對(duì)比

根據(jù)授時(shí)原理,授時(shí)結(jié)果由四個(gè)因素決定:地面站信號(hào)發(fā)射時(shí)刻、信號(hào)上行時(shí)延、信號(hào)下行時(shí)延和用戶設(shè)備、大氣層時(shí)延等其他時(shí)延修正。其中,信號(hào)上行時(shí)延和下行時(shí)延是由GEO衛(wèi)星的廣播電文信息中的星歷信息與地面站及用戶位置計(jì)算得到。圖7示出了t時(shí)刻授時(shí)結(jié)果分別與廣播電文信息中GEO衛(wèi)星的星歷x、y、z方向的位置及速度變化情況進(jìn)行對(duì)比。

圖7　授時(shí)結(jié)果分別與x、y、z方向位置及速度對(duì)比

3.2　解算星歷與發(fā)播星歷對(duì)比

星歷指衛(wèi)星軌道,即衛(wèi)星在某坐標(biāo)系下的位置,星歷誤差指同一時(shí)刻由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間中的位置與衛(wèi)星的實(shí)際位置之差。衛(wèi)星的實(shí)際位置無法確切知道,但是可以用精密星歷代替,精密星歷通過多個(gè)坐標(biāo)精確已知的地面基站根據(jù)測距值后期解算得到,一般來說,精密星歷的誤差在5 cm之內(nèi)。圖8示出了t時(shí)刻衛(wèi)星的解算星歷與發(fā)播星歷在x方向、y方向和z方向的偏差結(jié)

圖8　衛(wèi)星解算星歷與廣播星歷在各方向差值

果,可以看出,衛(wèi)星在z方向上偏差越大,授時(shí)誤差越大。圖9示出了t時(shí)刻衛(wèi)星的解算星歷與發(fā)播星歷與地面用戶之間的徑向距離之差。對(duì)比圖9和圖7中的授時(shí)結(jié)果,并結(jié)合圖7所示的衛(wèi)星位置及速度情況,可以得出:當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到赤道上方時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最小,速度最大,星歷預(yù)報(bào)誤差最大,衛(wèi)星徑向距離偏差最大,此時(shí)授時(shí)偏差最大;衛(wèi)星從赤道上方運(yùn)動(dòng)到南北兩端過程中,z方向的運(yùn)動(dòng)加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預(yù)

圖9　衛(wèi)星解算星歷與廣播星歷與地面用戶之間的徑向距離之差

報(bào)誤差逐漸變小,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到南北兩端時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最大,速度最小,星歷預(yù)報(bào)誤差最小,衛(wèi)星徑向距離偏差最小,此時(shí)授時(shí)偏差最小。

4結(jié)束語

本文通過測試某導(dǎo)航系統(tǒng)中利用GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)的結(jié)果,其精度可以達(dá)到50 ns,發(fā)現(xiàn)其具有周期性波動(dòng)現(xiàn)象,波動(dòng)周期為日,并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該波動(dòng)現(xiàn)象與星歷信息具有較大關(guān)聯(lián):當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到赤道上方時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最小,速度最大,星歷預(yù)報(bào)誤差最大,衛(wèi)星徑向距離偏差最大,此時(shí)授時(shí)偏差最大;衛(wèi)星從赤道上方運(yùn)動(dòng)到南北兩端過程中,z方向的運(yùn)動(dòng)加速度逐漸增大,速度逐漸減小,星歷預(yù)報(bào)誤差逐漸變小,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到南北兩端時(shí),z方向的運(yùn)動(dòng)加速度最大,速度最小,星歷預(yù)報(bào)誤差最小,衛(wèi)星徑向距離偏差最小,此時(shí)授時(shí)偏差最小。對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)結(jié)果中周期性波動(dòng)現(xiàn)象的消減是下一步研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]吳海濤,李孝輝,華宇,等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社, 2011.

[2]漆貫榮.時(shí)間科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

史豐豐(1976-),男,高級(jí)工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航、時(shí)間頻率工作。

李兆南(1982-),男,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航、時(shí)間頻率工作。

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