武文俊，張虹，廣偉,3，張繼海，董紹武,4，李煥信

?

利用AM22進(jìn)行國(guó)際衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞

武文俊1,2，張虹1,2，廣偉1,2,3，張繼海1,2，董紹武1,2,4，李煥信1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

2016年2月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心和德國(guó)物理技術(shù)研究所利用俄羅斯AM22衛(wèi)星重新開(kāi)通了已停止兩年六個(gè)月的歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路。為降低該時(shí)間傳遞鏈路的不確定度，利用國(guó)際權(quán)度局的GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站對(duì)其進(jìn)行了直接校準(zhǔn)，使其總不確定度達(dá)到了1.5 ns。選取2016年8月中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心和德國(guó)物理技術(shù)研究所的國(guó)際衛(wèi)星雙向比對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)其分析，結(jié)果表明：利用AM22通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路1d內(nèi)的頻率相對(duì)不確定度和時(shí)間不確定度分別可以達(dá)到10-15和1ns。

TWSTFT；GPS PPP；時(shí)間傳遞

0 引言

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞（TWSTFT）是目前世界上最準(zhǔn)確的遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì)技術(shù)之一，它是國(guó)際權(quán)度局（BIPM）實(shí)現(xiàn)國(guó)際原子時(shí)（TAI）和協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的主要時(shí)間比對(duì)手段[1]。近年來(lái)，歐美各大實(shí)驗(yàn)室通過(guò)TELSTAR 11N衛(wèi)星一直都保持有穩(wěn)定的高性能衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞鏈路。2014年12月，由于俄羅斯的AM2衛(wèi)星壽命到期，已連續(xù)運(yùn)行兩年六個(gè)月的歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞鏈路中斷。在國(guó)際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)（CCTF）衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞工作組及歐亞各時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室的積極努力下，俄羅斯衛(wèi)星公司決定提供AM22通信衛(wèi)星繼續(xù)為歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路服務(wù)。2016年2月，德國(guó)物理技術(shù)研究所（PTB）和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）等亞洲時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室之間的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路重新恢復(fù)工作，并于2016年7月完成校準(zhǔn)。2016年10月發(fā)布的BIPM第345期時(shí)間公報(bào)（Cirt-345）已正式將歐亞TWSTFT列入了UTC的計(jì)算，并取得了良好的效果[2]。

1 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞

1.1 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞原理

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞基本原理是在地面站1使用調(diào)制解調(diào)器將本地原子鐘的時(shí)間信號(hào)經(jīng)偽隨機(jī)碼調(diào)制，通過(guò)甚小口徑終端天線（VSAT）將調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)射給衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器把1站的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至地面，地面站2接收經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的1站的時(shí)間信號(hào)，解調(diào)信號(hào)后并與2站的原子鐘信號(hào)相比較，從而測(cè)量1站傳到2站信號(hào)的傳遞時(shí)延。在1站發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，2站以同樣方式發(fā)射信號(hào)被1站接收。通過(guò)兩站數(shù)據(jù)交換，去除各種誤差項(xiàng)后即可獲得兩地原子鐘間的高精度鐘差，如圖1所示[3-4]。

圖1 TWSTFT原理圖

1.2 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞算法

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞過(guò)程中站1時(shí)延測(cè)量的讀數(shù)為：

站2時(shí)延測(cè)量的讀數(shù)為：

式（1）減去式（2）并整理得：

目前，國(guó)際上主要使用Ku頻段的電磁波來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞。無(wú)線電波在Ku波段工作時(shí)，式（3）中的時(shí)間比對(duì)兩站幾何路徑時(shí)延、對(duì)流層時(shí)延和電離層時(shí)延完全可以忽略[5-7]，而Sagnac效應(yīng)對(duì)于固定的兩地面站，它有準(zhǔn)確的計(jì)算公式可以求解[8]。當(dāng)時(shí)間比對(duì)雙方用同一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延也可以相互抵消。當(dāng)兩站使用不同轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，該項(xiàng)需要考慮，屬于衛(wèi)星硬件時(shí)延。TWSTFT互相比對(duì)兩站的硬件時(shí)延需要準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

2 基于GPS移動(dòng)站的校準(zhǔn)

2.1 校準(zhǔn)算法

自1980年美國(guó)NIST學(xué)者提出GPS共視技術(shù)以來(lái)，GPS一直在時(shí)間傳遞方面發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)IGS提供的軌道精度從起初的30 cm發(fā)展到了3～5 cm，鐘差精度達(dá)到了0.1～0.2 ns。除此之外，電離層、固體潮等修正項(xiàng)也有了較好的解決辦法。2001年，加拿大Kouba等在各種技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了GPS精密單點(diǎn)定位（PPP）算法，現(xiàn)其時(shí)間傳遞A類不確定度已高達(dá)0.3ns[9-10]。

GPS時(shí)間傳遞具有花費(fèi)低、觀測(cè)分辨率和精度高等特點(diǎn)，可以對(duì)衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞時(shí)間比對(duì)鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)。本文采用了基于GPS PPP的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞校準(zhǔn)方式。該校準(zhǔn)方法的基本公式如下：

在校準(zhǔn)NTSC-PTB鏈路時(shí)，和分別為NTSC和PTB。

2.2 校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

國(guó)際權(quán)度局是UTC計(jì)算與分析的中心，而德國(guó)PTB是目前國(guó)際權(quán)度局指定的全球唯一物理時(shí)間比對(duì)節(jié)點(diǎn)。因此，全球參與UTC計(jì)算的時(shí)間比對(duì)都是通過(guò)各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室與PTB直接建有的時(shí)間比對(duì)鏈路實(shí)現(xiàn)的比對(duì)。為提高國(guó)際時(shí)間比對(duì)的準(zhǔn)確性，BIPM建有GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站以實(shí)現(xiàn)全球國(guó)際比對(duì)鏈路的校準(zhǔn)[11]。2016-07-19至2016-07-31期間，利用國(guó)際權(quán)度局的GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站對(duì)NTSC-PTB的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)量。該次校準(zhǔn)是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路近年來(lái)第1次實(shí)現(xiàn)國(guó)際權(quán)度局直接校準(zhǔn)。本次校準(zhǔn)采用閉環(huán)校準(zhǔn)的模式進(jìn)行：首先，利用BIPM已知時(shí)延的本地GPS參考接收機(jī)對(duì)GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站進(jìn)行本地零基線比對(duì)測(cè)量；然后，將校準(zhǔn)站運(yùn)送至中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）與被校準(zhǔn)的時(shí)間傳遞設(shè)備進(jìn)行并址校準(zhǔn)觀測(cè)。GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站在NTSC觀測(cè)期間，校準(zhǔn)站與德國(guó)PTB的GPS主接收機(jī)（時(shí)延已測(cè)定）可以形成一條硬件設(shè)備已知的GPS PPP時(shí)間比對(duì)觀測(cè)鏈路，而中德之間的TWSTFT是另一條待校準(zhǔn)的并址時(shí)間比對(duì)鏈路，二者之間進(jìn)行差分可以實(shí)現(xiàn)GPS PPP對(duì)TWSTFT的校準(zhǔn)；最后，為確保GPS校準(zhǔn)站在巡回校準(zhǔn)期間的時(shí)延穩(wěn)定性，其返回國(guó)際權(quán)度局后還須與本地GPS參考接收機(jī)進(jìn)行閉環(huán)測(cè)量驗(yàn)證。國(guó)際權(quán)度局的GPS移動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備框圖如圖2所示。

圖2 GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站框圖

該次校準(zhǔn)依據(jù)式（4），利用2016-07-25至2016-07-30期間的TWSTFT和GPS PPP相互比對(duì)來(lái)完成計(jì)算（MJD 57598缺失0.5 d數(shù)據(jù)，但不影響校準(zhǔn)），其校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站對(duì)NTSC-PTB的TWSTFT校準(zhǔn)是穩(wěn)定的。另外，GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站在校準(zhǔn)前后與BIPM本地主接收機(jī)的零基線閉環(huán)差測(cè)量?jī)?yōu)于0.5 ns[12]。因此，該次校準(zhǔn)是成功的。

圖3 NTSC-PTB的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路校準(zhǔn)結(jié)果

3 衛(wèi)星雙向比對(duì)結(jié)果及其不確定度分析

3.1 衛(wèi)星雙向比對(duì)結(jié)果

2016年2月至今，通過(guò)AM22衛(wèi)星工作的NTSC-PTB歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路已連續(xù)運(yùn)行15個(gè)月。本文選取2016年8月觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)式（3）及校準(zhǔn)值應(yīng)用給出NTSC與PTB的TWSTFT比對(duì)結(jié)果，如圖4所示。為對(duì)TWSTFT進(jìn)行驗(yàn)證，圖4還給出了NTSC-PTB之間同時(shí)間段內(nèi)的GPS PPP時(shí)間比對(duì)結(jié)果。

圖4 NTSC-PTB的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)結(jié)果

從圖4可以出，利用AM22工作的TWSTFT鏈路狀態(tài)良好。在不確定度允許的范圍內(nèi)，它與NTSC-PTB之間完全獨(dú)立于TWSTFT的GPS PPP時(shí)間傳遞相互一致。圖5和6分別給出該鏈路的修正Allan方差（MDEV）和時(shí)間方差（TDEV）。

圖5 修正Allan方差（MDEV）

圖6 時(shí)間方差（TDEV）

從圖5和6可以看出，利用AM22通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的NTSC-PTB歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路1 d內(nèi)的頻率相對(duì)不確定度和時(shí)間不確定度分別可以達(dá)到10-15和1 ns。

3.2 不確定度分析

通過(guò)國(guó)際權(quán)度局GPS移動(dòng)站對(duì)NTSC-PTB衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞鏈路成功標(biāo)定，其總不確定度達(dá)到了1.5 ns，各類不確定度預(yù)算如表1所示。

表1 GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站校準(zhǔn)過(guò)的TWSTFT的不確定度分析 ns

注：UA,1為移動(dòng)GPS接收機(jī)與參考站GPS接收機(jī)時(shí)間比對(duì)的A類不確定度；UA,2為衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的A類不確定度；UB,1為通過(guò)GPS移動(dòng)站校準(zhǔn)前后閉環(huán)測(cè)量得到的校準(zhǔn)器自身不確定度；UB,2()為GPS移動(dòng)接收機(jī)與本地時(shí)間參考點(diǎn)之間時(shí)延測(cè)量的不確定度，為被測(cè)站站號(hào)；UB,3()為衛(wèi)星雙向站與本地時(shí)間參考點(diǎn)之間時(shí)延測(cè)量的不確定度，為被測(cè)站站號(hào)；UB,4為GPS固定接收機(jī)與參考站本地時(shí)間參考點(diǎn)之間時(shí)延測(cè)量的不確定度；UB,5為其他未知的不確定度（例如多路徑效應(yīng)等）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于AM22衛(wèi)星的國(guó)際TWSTFT鏈路進(jìn)行了分析，其1 d的頻率相對(duì)不確定度和時(shí)間比對(duì)不確定度分別可以達(dá)到10-15和1 ns。在GPS PPP時(shí)間傳遞技術(shù)的基礎(chǔ)上，2016年7月中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心利用國(guó)際權(quán)度局的GPS移動(dòng)校準(zhǔn)站對(duì)NTSC-PTB之間的新衛(wèi)星雙向鏈路開(kāi)展了校準(zhǔn)工作，使該鏈路的校準(zhǔn)不確定度達(dá)到了1.5 ns。國(guó)際權(quán)度局于2016年10月發(fā)布時(shí)間公報(bào)已正式將通過(guò)AM22運(yùn)行的歐亞衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率鏈路納入了UTC/TAI計(jì)算的鏈路，該鏈路在UTC/TAI計(jì)算中的應(yīng)用，對(duì)國(guó)家授時(shí)中心的守時(shí)工作具有重要的意義。

[1] 董紹武, 屈俐俐, 袁海波, 等. NTSC守時(shí)工作: 國(guó)際先進(jìn)、貢獻(xiàn)卓越[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2016, 39(3): 129-137.

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The two-way satellite time and frequency transfer by AM22

WU Wen-jun1,2, ZHANG Hong1,2, GUANG Wei1,2,3, ZHANG Ji-hai1,2, DONG Shao-wu1,2,4, LI Huan-xin1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The Euro-Asia TWSTFT (Two-way Satellite Time and Frequency Transfer) link which has interrupted for two years and six months was re-worked between the NTSC and PTB by Russia AM22 in February 2016. To decrease the uncertainty, the link has been directly calibrated by the BIPM GPS calibrator, the uncertainty is 1.5 ns after the calibration. The data of August 2016 was analyzed through the NTSC-PTB link. It is showed that the uncertainty is less than 1ns in time and relative uncertainty is about 1 part in 1015in frequency at averaging times of one day.

TWSTFT; GPS PPP; time transfer

P127.1

A

1674-0637（2017）03-0155-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0155-06

2017-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（11303031）

武文俊，男，副研究員，主要從事時(shí)間保持與時(shí)間傳遞方面的研究。