基于改进的卫星共视法的远程时间比对研究

为了解决标准卫星共视法中存在的两个局限性:一是其完整的观测周期为16 min,只有13 min有观测数据,存在3 min观测间隙;二是数据事后交换处理模式,导致比对结果生成严重滞后,不满足实时性的要求。本文提出了一种改进的卫星共视法,改进的卫星共视法不使用国际权度局规定的共视跟踪表,而是采用时间频率连续比对的方法,以10 min(或其整数倍)作为一个观测周期,并同时对观测数据进行处理,当一个周期结束时,立即进入下一个观测周期,去除了标准卫星共视法中每个观测周期内的观测死区时间,增加了观测数据量,实现了时间频率的连续比对。最后,文中利用改进的卫星共视法研制了一套高精度远程时间频率校准系统,并与标准卫星共视法比对结果进行了对比分析,得出零基线情况下,改进的卫星共视法授时精度达到0.295 ns,与相同条件下标准卫星共视法比对结果 0.554 ns相比有了提高。另外,在长基线条件下,改进卫星共视法的授时精度达到3.12 ns,频率稳定度天稳达到8.24 e-14。     

不同比对方式下的洲际标准时间复现性能分析

中国科学院国家授时中心研制的标准时间复现系统具备支持洲际用户对标准时间频率信号的需求。 本文以位于欧洲 白俄罗斯明斯克的复现终端为分析对象,分析了共视、全视不同比对方式对复现时频信号性能的影响。 对于洲际范围的时间复 现,复现终端与参考端共同可视卫星数变少。 单一卫星导航系统可利用的共视卫星数明显减少,GPS / BDS 共视可明显增加可 视卫星数量,提高共视时间比对精度,全视比对对两地共同可视卫星数没有要求。 分析结果表明,单 GPS 全视比对就可以达到 优于 GPS / BDS 的共视比对复现效果。 受 BDS 卫星星间偏差的影响,基于单 BDS 全视比对的复现效果比 GPS 稍差,GPS / BDS 全视比对效果略有改善。 复现终端运行在 GPS / BDS 共视比对融合 GPS 全视比对模式复现的时频信号的性能最优,可以满足 洲际范围内 5 ns 的时间同步要求,为后续洲际大尺度范围的标准时间复现终端的运行模式提供参考。     

北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。 本文基于我国国家标准时间频率 UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载 波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与 GPS 融合载波相位时间比对试验。 结 果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于 0. 3 ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比 对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于 GPS 时间比对链路获得的钟差具 有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于 0. 25 ns,试验结 果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。     

卫星双向时间传递链路校准及其不确定度分析

卫星双向时间传递(TWSTFT)和GPS精密单点定位(GPS PPP)是目前全球守时实验室参与协调世界时(UTC)计算的主要时间比对技术,校准不确定度是当前限制高精度时间比对的关键因素。利用国际权度局(BIPM)的GPS移动校准站对中国科学院国家授时中心(NTSC)的TWSTFT链路进行校准测量。首先通过BIPM在NTSC的GPS移动校准站与德国物理技术研究院(PTB)建立GPS PPP时间比对链路,然后利用7 d的观测数据与NTSC-PTB链路的卫星双向时间传递结果进行比对,实现了对TWSTFT链路的校准。结果表明,TWSTFT链路的校准不确定度从校准前的5 ns减小到了1.5 ns,明显改善了UTC-UTC(NTSC)的不确定度。     

基于北斗共视的国际时间比对研究

基于全球卫星导航系统的时间比对是当前国际标准时间产生过程中的主要技术之一,美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统都已被国际权度局正式列为国际标准时间比对的手段。为促使北斗尽早加入国际标准时间的计算,中国科学院国家授时中心和瑞典国家技术研究院以及比利时国家天文台等欧洲守时实验室在全球卫星导航系统时间比对标准的框架下,基于上述3个守时实验室各自保持的各国时间基准系统,利用北斗伪码实测数据,在国内外首次开展了北斗卫星导航系统亚欧长基线高精度共视时间比对试验。结果表明,该试验中北斗零基线共钟比对结果的标准偏差(STDEV)优于1 ns,亚欧长基线北斗共视时间比对STDEV优于2.5 ns,天稳可达10-14量级,这与GPS共视性能基本相当。表明我国北斗卫星导航系统现已可用于纳秒级高精度时间传递与远距离时间比对,该试验的完成为北斗正式纳入国际标准时间的计算提供了技术支持。     

基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

PPP 时间频率传递技术是高精度 GNSS 时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频 率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进 PPP 时 间传递方法。 实验选取了 5 个连接 UTC(k)和 1 个外接高精度氢原子钟的 IGS 测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估 该方法的时频传递性能,实验结果表明,以 IGS 最终钟差产品为时间参考,改进 PPP 时间传递精度相比 PPP 提高了 2. 55% ~ 17. 78% 。 零基线链路频率稳定度达到 2. 0×10 -17 / 600 000 s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于 PPP,长期频率稳定度 与 PPP 相当;非零基线链路中各链路的改进 PPP 在时间间隔 10 000 s 以后的频率稳定度相对于 IGS 最终产品和 BIPM PPP 有 10% 左右的提升。     

基于北斗的时间传递方法及其精度分析

GNSS时间传递技术是卫星导航技术在时间频率领域的重要应用,也是时间传递的主要技术手段之一。随着我国北斗卫星导航系统的不断建设,北斗系统在时间频率领域应用的研究也逐步深入。主要基于北斗卫星导航系统特有的IGSO、MEO、GEO卫星星座,开展了基于北斗共视和载波相位时间传递算法研究,研制了北斗时间传递软件包(PPTSlo),并对其时间传递链路精度、稳定度进行了定性、定量分析,实验结果表明北斗共视时间传递精度优于6 ns,北斗载波相位时间传递精度能达到亚纳秒-纳秒精度。     

北斗卫星天线相位中心改正在PPP中的应用研究

基于我国时间基准UTC(NTSC)系统,开展北斗天线相位中心(APC)改正在精密单点定位(PPP)以及高精度时间比对中的应用研究。通过接收机实测的北斗数据以及国际GNSS服务(IGS)中心提供的北斗精密钟差产品、轨道产品和IGS发布的多系统APC改正文件,进行北斗精密单点定位数据处理。结果表明,APC改正前后的精密单点定位X、Y、Z 3个方向上的误差均方根分别为0. 011 0、0. 021 2、0. 009 5 m以及0. 002 6、0. 007 1、0. 003 7 m,可以看出修正后的定位精度具有明显的提高。同样在零基线共钟时间比对以及远距离时间比对方面,两接收机同源零基线比对结果的标准偏差由未进行APC修正前的0. 148 2 ns降到修正后的0. 093 0 ns;远距离高精度时间比对结果的标准偏差从修正前的0. 302 9 ns降低到修正后的0. 266 8 ns,时间比对的短期稳定度也有所提高。因此,随着北斗系统的建设以及国际GNSS服务分析中心的相关北斗精密产品的不断完善,北斗的服务精度将越来越高。     

北斗测距信号评估与精密单点定位应用研究

随着全球导航系统的建设和发展应用,我国北斗导航系统也开始逐步向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。基于我国时间基准UTC(NTSC)系统,开展北斗导航系统测距信号评估与精密单点定位(PPP)应用研究。通过实测数据首先分析北斗测距B1、B2频点的信噪比以及周围观测环境所引起的多路径影响。同时,讨论了北斗精密单点算法,并利用实测数据以及GNSS服务中心IGS国际多模GNSS实验工程(MGEX)提供的精密轨道和钟差产品进行精密定位解算。结果表明,B2频点信号的接收性能优于B1频点,北斗精密单点定位计算的结果在X、Y、Z 3个方向上的误差基本保持在cm级,解算的本地时相对于IGST偏差的频率稳定度短稳达到了10~(-14)量级,与全球定位系统(GPS)精密单点定位性能基本相当,表明我国北斗系统可用于ns级高精度时间传递。     

一种卫星双向时频传递设备时延差的标定方法

利用卫星双向时间频率传递方法可以实现精度优于1 ns的远程时间同步。卫星双向设备时延差是影响双向比对结果的一项主要误差。目前,国际上通用的方法是利用一套可移动的双向校准设备实现对两套卫星双向设备时延差的校准。该方法存在设备成本高、占用通信卫星资源且对天气条件要求较高等问题。随着i GMAS站和其他监测站点的建设,越来越多站点的接收机监测数据资源可用。提出一种利用各站点监测数据实现对卫星双向设备时延差的校准方法。当卫星双向比对两地同时具有监测数据可用时,可以通过事后数据处理的方式校准两地卫星双向设备的时延差。校准的主要思路是利用精密星历、钟差和电离层产品,从每颗星的伪距测量值中扣除传播路径中的各项延迟,得到本地与导航系统时间的时差。通过对所有可见星的时差结果进行加权、滤波,并扣除接收机间的相对时延,得到比对两地的全视站间钟差。最后,通过与同时段的卫星双向结果进行比较,得到两地卫星双向设备的时延差,校准精度优于1 ns。虽然该方法无法实现亚纳秒量级的校准,但是可以较为简单地标定出两地卫星双向设备的时延差,可以满足纳秒级的时间同步应用需求。     

钙离子光时标守时技术研究

近年来光学频率标准(光钟)技术快速发展,国际时间频率咨询委员会计划于 2030 年用光钟重新定义“秒”,并提出了 技术路线,光时标的研究也成为时间频率领域的研究热点。 利用钙离子光钟驾驭微波氢钟,开展高精度光时标信号 TS(Ca + )产 生技术研究。 结果表明,钙离子光钟准连续稳定运行率可达 87% ,稳定度达 8×10 -17 / day。 对光钟和氢钟的频率比对测量分别 采用微波频率锁定方案(上转换)和光生超稳微波方案(下转换),上转换方案引入了并放大了噪声,测量数据比氢钟稳定度差, 而下转换方案产生超稳微波,测量数据频率稳定度与氢钟几乎重合,实现了光钟对氢钟的准确测量。 将测量得到的频差数据直 接置入相位微跃计,产生光时标 TS(Ca + ),独立运行的光时标 TS(Ca + )在一个月内与 UTC 偏差保持在 0. 6 ns 以内。 研究成果 为报送秒定义数据和驾驭自由原子时 TAI 提供技术基础,为提升我国光时标守时能力提供了宝贵的技术支持和工程经验。     

一种微机械谐振传感器的频率读出及分析方法

为了对微机械谐振传感器的振动信号频率进行读出及短期稳定度分析,文中以静电驱动的某微机械振动双框架陀螺为例,介绍了频率调制解调的接口信号读取方法,并利用频率计和软件插件对振动频率进行了采样,最后利用Al-lan方差分析了频率的短期稳定性.利用介绍方法测得实验室制作的微机械振动陀螺驱动模态谐振频率为13.552 kHz,7 min内频率偏差在±10 ppm(1 ppm=10-6)以内,稳定度达到应用要求.     

频率源稳定度的测量方法

随着卫星导航系统的广泛应用,利用卫星导航系统确定位置和时间的用途越加广泛。本文首先介绍了频率源稳定度在利用卫星确定位置和时间原理中的重要性,然后介绍了频率标准的稳定度,最后对两种频率源稳定度的测量方法进行了说明。     

NIM5 驾驭氢钟守时能力分析

时间频率量值源头的独立自主是建设我国综合 PNT 体系的重要基础。 为进一步评估基于我国国家秒长基准的原子时 标守时能力,利用改进的有限脉冲响应钟差预测与频率调控方法,对激光冷却铯原子喷泉钟与氢钟的频差实测数据进行后处 理,分别产生了自主型时标和溯源型时标。 通过国际原子时合作链路将两个时标与协调世界时进行了长期比对实验,结果表 明:2021 年 12 月~2022 年 12 月期间,两个时标的时间偏差均优于±4 ns、频率稳定度均优于 8×10 -16 / 5 d。     

基于共视法的电压源远程校准方法及一致性评价研究

本文针对传统电压源校准方法存在的问题，提出了一种基于卫星共视法的电压源远程校准方法，该方法以非实物标准传递为基础，实现将标准器置于实验室而无需传递至现场进行远程校准，可解决引入附加误差的问题，通过设计基于共视法的电压源远程校准系统，建立校准模型，根据共视原理，实现标准端和被校端电压值远程比对，完成校准。本文对远程校准方法和传统校准方法在直流0～1 V校准点校准结果进行了对比，结果显示两种方法的校准结果差距在5.2×10^-5 V以内。本文给出了两种方法在直流1 V校准点的不确定度评定过程，并通过传递比较法对两种方法的校准结果进行了一致性评价，结果表明，远程法在1 V校准点的扩展不确定度为9.182 44×10^-5 V(k=2),且校准结果与传统法具有一致性。     

基准频标与守时频标联合的频率驾驭算法研究

基准频标中铯喷泉钟实现了最佳的"秒"定义,光钟比铯喷泉钟在精度和稳定性方面高出一个量级以上,因此将基准频标与守时型频标联合,可以产生一个更加准确、稳定的时间尺度。设计了基准频标与守时型频标联合的频率驾驭算法,采用卡尔曼加权算法计算联合时间尺度,基准频标预测守时型频标的频率和频漂,并采用最优二次型高斯控制算法,实现最优的频率驾驭量生成。通过对各类频标数据的模拟,对一台氢钟进行为期100 d的频率驾驭,当铯喷泉钟参与时间保持,驾驭后信号保持在1 ns以内,稳定度为1.8×10~(-16)/10 d。如果光钟可用率达到50%参与时间保持,驾驭后信号保持在0.3 ns内,稳定度为3.3×10~(-17)/10 d。最终试验表明,利用该算法可以显著提高驾驭后信号性能。     

指针式电秒表检定装置中的关键原理

目前,大部分时间测量设备均使用恒温高稳定度晶振作为内部频率标准,而在进行指针式电秒表检定时,由于标准器内部晶振与市电信号不同源,会引入工频电源的频率准确度造成的误差,进而导致检定结果错误.本文首先分析了锁相环的原理,然后通过对衰减后的工频信号进行倍频,将倍频后的信号作为频标信号输入到检定装置中的方法,设计并实现了指针式...     

多模式组合定时设备设计与研制

根据多尺度数据融合理论设计了一种多模式组合定时设备,通过对GPS/GLONAS/“北斗”授时信号进行数据融合,综合得到更高精度的时间频率信号.GPS/GLONAS/“北斗”授时信号分别在不同小波尺度上进行小波分解,通过在不同小波尺度上进行小波加权,通过逆小波变换重构时间尺度,该时间尺度在理论上与UTC保持一致.测试结果表明:经过对本地晶体振荡器进行驯服后,该设备输出的频率稳定度达10-12,比单个模式的授时设备驯服前提高一个量级.     

超视距宽带信号同步测量技术研究

本文提出了一种新颖的超视距条件下信道的宽带信号同步测量技术。首先在发射端和接收端各利用一台基带信号发生器产生相同频率的宽带步进频率信号。然后,通过两台锁定于同一颗卫星的GPS时钟频率参考源,输出极高稳定度的10 MHz信号作为基带信号发生器的外参考源,使得宽带信号的相位保持一致。接下来,利用GPS时钟频率参考源产生的秒脉冲信号作为触发信号,保证基带信号发生器和矢量网络分析仪同步发射和接收信号。通过对宽带信号的频域响应进行逆傅里叶变换,间接获得了信道的时域脉冲响应。实验在相距几十 km 的海面利用蒸发波导作为传输信道。通过对信道的衰落特性多径时延分布情况的观测与分析,该方法可获得200 MHz带宽信号的频域响应,比相同条件下时域测量的信号带宽提高10倍,等效的时域脉冲宽度达到5 ns,实验结果验证了技术的有效性。     

接收机位置误差对GNSS定时的影响分析

不准确的接收机位置信息将会影响用户的定时结果。从理论推导和试验两方面研究了接收机位置误差对定时结果的影响。首先理论上通过对伪距观测方程求一阶微分推导得出定时接收机位置误差对定时的最大影响量;为排除卫星位置误差的影响,利用IGS提供的卫星精确位置,通过引入不同量级的接收机位置误差开展试验,对理论分析结果进行了验证;再通过接收机坐标置偏试验分析不同方向置偏不同量级的位置误差下GPS/GLONASS接收机的观测数据,分析了实际运行环境中的位置误差对接收机定时结果的影响。试验结果表明接收机的纬度、经度分量误差均会对定时结果的准确度和稳定度产生影响,纬度误差每增大1″,对GPS和GLONASS定时准确度的影响分别小于5、15 ns,对稳定度的影响分别小于10和15 ns;经度误差每增大1″,对GPS和GLONASS准确度的影响均小于1 ns,对稳定度的影响均小于10 ns;高程坐标分量误差每增加1 m,会出现约3 ns的定时偏差,对定时稳定度的影响则最大约0.3 ns/m。在实际应用中,用户可参考本文的结论根据所需定时精度的需求,考虑定时接收机输入坐标的精确度。