專利名稱：基于速度改正的使用非geo衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，涉及高精度時(shí)間傳遞領(lǐng)域，屬于天體測(cè)量與天體力學(xué)學(xué)科。
背景技術(shù)：
通過地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)的“雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞”(TWSTFT)是目前BIPM 組織的國際時(shí)間比對(duì)所采用的一種主要方法。從1999年開始，TWSTFT方法被用于國際原子時(shí)(International Atomic Time，縮寫為 TAI)和協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time，縮寫為UTC)的計(jì)算。美國、歐洲和亞洲均已組建了的衛(wèi)星雙向比對(duì)網(wǎng)。TWSTFT方法由于信號(hào)傳遞路徑對(duì)稱，鏈路上所有傳播路徑的時(shí)延幾乎都可以抵消，因而時(shí)間同步精度高。目前TWSTFT準(zhǔn)確度可達(dá)到500-750ps，穩(wěn)定度可達(dá)到200ps?；贕EO衛(wèi)星的TWSTFT的不足之處在于高緯度地區(qū)的用戶觀測(cè)衛(wèi)星仰角低，并且地球同步軌道衛(wèi)星的軌位是一個(gè)有限資源。如何利用非GEO衛(wèi)星，例如中軌道衛(wèi)星(MEO)和傾斜同步軌道衛(wèi)星衛(wèi)星(IGSO)，來開展TWSTFT，對(duì)于綜合利用多種衛(wèi)星資源和擴(kuò)展TWSTFT 方法，是一個(gè)很有意義的研究工作?，F(xiàn)有針對(duì)GEO衛(wèi)星的TWSTFT方法，在用非GEO衛(wèi)星開展TWSTFT時(shí)，會(huì)面臨一個(gè)問題衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)給TWSTFT帶來了非對(duì)稱的幾何路徑，因此降低了時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度。使用非GEO 衛(wèi)星進(jìn)行雙向時(shí)間傳遞(TWSTFT)的時(shí)候，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)會(huì)造成TWSTFT幾何路徑的不對(duì)稱， 對(duì)TWSTFT準(zhǔn)確度造成較大影響。2010年楊旭海等人申請(qǐng)的、專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010013714. 8的發(fā)明專利基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法。其技術(shù)手段為步驟1 計(jì)算任意兩個(gè)雙向比對(duì)地面站A和B相互鐘差tAB的衛(wèi)星速度改正項(xiàng)
^ =，其中vAU為A站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速
度為負(fù)；Vbu為B站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；At為兩項(xiàng)內(nèi)容之和，即At= At1+At2，其中At1為A站到衛(wèi)星的距離減去B站到衛(wèi)星的距離，再除以光速；Δ t2為A、B兩站鐘差、值；步驟2 采用標(biāo)準(zhǔn)的GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞歸算公式， 得到不含改正項(xiàng)的兩站鐘差；步驟3 將兩站鐘差加上衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，得到使用非GEO 衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞的站間鐘差為^ab = Tab+Xa問題是在根據(jù)該技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施時(shí)，步驟1中(vAU+vBU)的量綱是速度，At的量綱是時(shí)間，所以△的量綱為長度，且不含改正項(xiàng)的^^的量綱為時(shí)間。而在步驟3中傳遞的站間鐘差為As =‘+Δ，式中左邊的量綱是時(shí)間，而右邊的量綱是時(shí)間+長度?？梢?Gs = ;β+Δ左右兩邊的量綱不相同，說明等式不成立，也就是說該專利申請(qǐng)給出的技術(shù)手段是含糊不清，根據(jù)該申請(qǐng)文件也無法實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞。
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，通過在TWSTFT計(jì)算中，加入衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，以修正衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì) TffSTFT準(zhǔn)確度的影響，提高站間時(shí)間同步準(zhǔn)確度。技術(shù)方案一種基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，其特征在于在非GEO 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞中，增加了上下行幾何路徑不對(duì)稱的改正項(xiàng)，該改正項(xiàng)是衛(wèi)星速度、兩站鐘差以及兩站到衛(wèi)星的距離差的函數(shù)。增加該改正項(xiàng)后，使得非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度可達(dá)到亞納秒量級(jí)。在非GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞中，站間鐘差計(jì)算的具體步驟如下步驟1 計(jì)算任意兩個(gè)雙向比對(duì)地面站A和B相互鐘差tAB的衛(wèi)星速度改正項(xiàng)
Az^O^W+vwyMVc，其中vAU為A站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的
速度為負(fù)；vBU為B站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；At為兩項(xiàng)內(nèi)容之和，即At= Atl+At2，其中At1為A站到衛(wèi)星的距離減去B站到衛(wèi)星的距離，再除以光速；At2為A、B兩站鐘差tAB值；c為光速(即c = 29979M58m/s)；步驟2 采用標(biāo)準(zhǔn)的GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞歸算公式，得到不含改正項(xiàng)的兩站鐘差 7 ·
1AB 9步驟3 將兩站鐘差加上衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，得到使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞的站間鐘差為^= ;β+Δ。根據(jù)上面所述的基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，其特征在于和基于GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞的計(jì)算方法相比，增加了幾何路徑不對(duì)稱的改正項(xiàng)。有益效果本發(fā)明提出的基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，通過對(duì)衛(wèi)星的測(cè)軌定軌，得到衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度(它隨時(shí)間而不斷變化)的基礎(chǔ)上，通過在TWSTFT計(jì)算中加入衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，來消掉衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)TWSTFT幾何路徑不對(duì)稱的影響，實(shí)現(xiàn)亞納秒量級(jí)的站間時(shí)間同步。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，這種改正方法效果很好。


圖 1 雙向時(shí)間傳遞原理示意圖為“Two-way Satellite Time and Frequency Transfer TffSTFT”；圖2 亞太1號(hào)衛(wèi)星在UTC時(shí)間2006年12月27日一天內(nèi)的星下點(diǎn)軌跡；圖3 當(dāng)兩站有Is的鐘差的時(shí)候，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)雙向時(shí)間傳遞的影響；圖4 2006年11月四日，臨潼到亞太一號(hào)衛(wèi)星連線方向上的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度；圖5 2006年11月四日，烏站到亞太一號(hào)衛(wèi)星連線方向上的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度；圖6 :2006. 11. 29用亞太1號(hào)衛(wèi)星和鑫諾1號(hào)衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞結(jié)果的比較。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
1.本實(shí)施例中使用的衛(wèi)星和地面站a)本實(shí)施例中的IGSO衛(wèi)星為亞太一號(hào)衛(wèi)星，該衛(wèi)星在赤道上的星下點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)142° E，該衛(wèi)星目前在南北方向不做軌道機(jī)動(dòng)，屬于小傾角IGSO衛(wèi)星。下面給出亞太1號(hào)衛(wèi)星在UTC時(shí)間2006年12月27日的雙行軌道根數(shù)APSTAR 11 23185U 94043A 06360.01808406-· 00000252 00000-0 10000-3 0 52722 23185 2.1800 84.3565 0002250 190.1428 328.4205 1.00271522 45516基于上述雙行軌道根數(shù)(TLE)，使用T. S. kelso的Trakstar軟件計(jì)算衛(wèi)星的軌道速度等參數(shù)，給出1天內(nèi)衛(wèi)星在地固系下的經(jīng)度、緯度、和到地心的距離，可畫出星下點(diǎn)軌跡圖，如圖2所示。b)本實(shí)施例中的地面站使用臨潼站(在國家授時(shí)中心，縮寫為NTSC)和烏魯木齊站(在烏魯木齊天文站，縮寫為U0)。并對(duì)UO站的時(shí)間進(jìn)行調(diào)偏，使得UO站時(shí)間等于臨潼站時(shí)間加1秒。c)本實(shí)施例中選用的參考衛(wèi)星，是鑫諾一號(hào)地球靜止軌道衛(wèi)星(星下點(diǎn)為東經(jīng) 142° E)。使用鑫諾一號(hào)衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，來檢驗(yàn)本專利方法中使用亞太一號(hào)衛(wèi)星做雙向時(shí)間傳遞的效果。2本實(shí)施例的觀測(cè)過程本示例中的觀測(cè)方法為在2006年11月和12月，烏站(UO)和臨潼站(NTSC)用 IGSO衛(wèi)星作TWSTFT，首先兩站觀測(cè)亞太一號(hào)1小時(shí)，然后觀測(cè)鑫諾一號(hào)1小時(shí)，然后休息1 小時(shí)，作為1個(gè)觀測(cè)周期；1天可進(jìn)行8個(gè)周期的觀測(cè)。兩站的配置為原子鐘為HP5071A， 0SA5585PRS。我們使用了 20Mchips的偽碼，以提高雙向時(shí)間傳遞的觀測(cè)精度。3測(cè)定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度在本實(shí)施例的試驗(yàn)中，使用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)定軌系統(tǒng)，來測(cè)定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到衛(wèi)星在地固系下的運(yùn)動(dòng)速度，這是后續(xù)的“衛(wèi)星速度改正項(xiàng)”的前提工作。臨潼站到亞太一號(hào)衛(wèi)星連線方向上的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度如圖4所示；烏魯木齊站到亞太一號(hào)衛(wèi)星連線方向上的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度如圖5所示。3本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理過程(1)計(jì)算衛(wèi)星速度改正項(xiàng)本專利針對(duì)使用非GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞時(shí)的幾何路徑時(shí)延無法完全對(duì)消的情況，推導(dǎo)了“衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度改正項(xiàng)”的公式。若兩站分別為A和B，兩站的計(jì)算鐘差中包含著速度引起的幾何路徑不對(duì)稱，計(jì)算鐘差和實(shí)際值的差(計(jì)算值-實(shí)際值)，我們用△表示。Δ =( -t/必)/2c-(dBU-dBD)/2c=[^(vau+Vbu)-MVC在上式中dAU :A站信號(hào)的上行幾何路徑；dAD =A站信號(hào)的下行幾何路徑；dBU =B站信號(hào)的上行幾何路徑；dDB =B站信號(hào)的下行幾何路徑；vAU為A站到衛(wèi)星連線方向上的速度， 從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；Vbu為B站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；At為兩項(xiàng)內(nèi)容之和，SP At= Atl+At2，其中At1為A站到衛(wèi)星的距離減去B站到衛(wèi)星的距離，再除以光速；Δ t2為A、B兩站鐘差tAB值；c為光速。(2)采用傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞歸算公式，得到不含改正項(xiàng)的兩站鐘差？;傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞(TWSTFT)的原理圖1所示。使用GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)TWSTFT的計(jì)算方法如下TIC(A) = tA-tB+dTB+dBS+dSBA+dSA+dEA+SB (1)TIC(B) = tB-tA+dTA+dAS+dSAB+dSB+dEB+SA (2)這里TIC(A)和TIC(B)是時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的讀數(shù)；tA和、是兩站各自的鐘面時(shí)間；dxx是如圖所示的各自的傳播時(shí)延；Sa和&是Mgnac效應(yīng)改正，注意SB = _SA。Sa的含義為信號(hào)從A站發(fā)出到達(dá)衛(wèi)星，轉(zhuǎn)發(fā)后再到達(dá)B站總共的Mgnac效應(yīng)。&的含義為信號(hào)從B站發(fā)出到達(dá)衛(wèi)星，轉(zhuǎn)發(fā)后再到達(dá)A站總共的Mgnac效應(yīng)。Sagnac效應(yīng)的量值(即SA的絕對(duì)值)為2 EAp/c2 ；若電波傳播方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，則值為正。即如果B在A的東面，則\為正。上式中，ωΕ為地球自轉(zhuǎn)角速度(即 ωΕ = 7292115*10-1 lrad/s) ；Ap為地球站、衛(wèi)星和地心構(gòu)成的三角形在赤道平面上的投影面積；c 為光速(即 c = 299792458m/s)。TIC的值在正常情況下總為正，因?yàn)閷?duì)IGSO衛(wèi)星來講，信號(hào)從地面到衛(wèi)星再返回地面，所需的時(shí)間大約為0. 25秒；對(duì)MEO衛(wèi)星來講，也在0. 15秒左右。而對(duì)TWSTFT，一般會(huì)在正式比對(duì)之前，實(shí)現(xiàn)兩站原子鐘的粗同步，精度在Ims之內(nèi)。將(1)與⑵作差，移項(xiàng)得
權(quán)利要求
1.一種基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，其特征在于步驟如下 步驟1 計(jì)算任意兩個(gè)雙向比對(duì)地面站A和B相互鐘差tAB的衛(wèi)星速度改正項(xiàng)Az^O^W+vwyMVc，其中vAU為A站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；vBU為B站到衛(wèi)星連線方向上的速度，從地面站到衛(wèi)星方向的速度為負(fù)；At為兩項(xiàng)內(nèi)容之和，即At= Atl+At2，其中At1為A站到衛(wèi)星的距離減去B站到衛(wèi)星的距離，再除以光速；Δ t2為A、B兩站鐘差tAB值；c為光速；步驟2 采用標(biāo)準(zhǔn)的GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞歸算公式，得到不含改正項(xiàng)的兩站鐘差 ;s ； 步驟3 將兩站鐘差加上衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，得到使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞的站間鐘差為^ab=Iib+^
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于速度改正的使用非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞方法，其特征在于在非GEO衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞中，增加了上下行幾何路徑不對(duì)稱的改正項(xiàng)，該改正項(xiàng)是衛(wèi)星速度、兩站鐘差以及兩站到衛(wèi)星的距離差的函數(shù)。增加該改正項(xiàng)后，使得非GEO衛(wèi)星的雙向時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度可達(dá)到亞納秒量級(jí)。通過對(duì)衛(wèi)星的測(cè)軌定軌，得到衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度(它隨時(shí)間而不斷變化)的基礎(chǔ)上，通過在TWSTFT計(jì)算中加入衛(wèi)星速度改正項(xiàng)，來消掉衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)TWSTFT幾何路徑不對(duì)稱的影響，實(shí)現(xiàn)亞納秒量級(jí)的站間時(shí)間同步。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，這種改正方法效果很好。
文檔編號(hào)G04G7/00GK102540867SQ20121003311
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者何戰(zhàn)科, 吳風(fēng)雷, 弓劍軍, 李偉超, 李志剛, 楊志強(qiáng), 楊旭海, 陳亮, 雷輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院國家授時(shí)中心