高精度站間雙向時間頻率傳遞關鍵技術研究.pdf

1、站間時間頻率傳遞是實現(xiàn)大型時間頻率系統(tǒng)的關鍵，是建立UTC/TAI的基礎，是實現(xiàn)衛(wèi)星導航定位授時服務的核心。TWSTFT是最重要的站間時間頻率傳遞技術之一，進一步修正其雙向傳播時延差以提高其準確度，以及提高其時間頻率傳遞穩(wěn)定度是一直以來的研究熱點。同時，光纖雙向時間頻率傳遞被認為將帶來時間頻率傳遞的新紀元。論文結(jié)合我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)中基于多GEO導航衛(wèi)星的TWSTFT架構(gòu)，并面向未來可用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)站間時間頻率傳遞的光纖雙向時間頻率傳遞

2、技術，開展研究工作，取得以下研究成果：
　?。?）針對 TWSTFT中修正衛(wèi)星相對地面站運動引入的雙向傳播時延差的問題，提出了一種慣性系下的衛(wèi)星雙向時延模型，并給出了與星歷數(shù)據(jù)和 TWSTFT實測數(shù)據(jù)相聯(lián)系的雙向時延（即光行時）迭代計算流程，稱“光行時解”。該模型和計算方法一并簡稱為“光行時解法”。以三個地面站兩兩之間建立的三條TWSTFT鏈路實測數(shù)據(jù)為例，衛(wèi)星相對地面站的周期運動引入了峰峰值最大為453ps，均值為-161ps的

3、雙向傳播時延差的日波動。若不修正，將限制TWSTFT的時間傳遞準確度在0.2ns量級，且限制其平滑時間為0.5day的頻率穩(wěn)定度（阿倫偏差表示）至1.05×10-14。三站鐘差測量數(shù)據(jù)閉合驗證表明：光行時解法計算得三站閉合雙向傳播時延差峰峰值128ps的日波動，與三站閉合鐘差測量值的峰峰值為147ps的日波動吻合良好，說明光行時解法在衛(wèi)星相對地面站運動的情況下正確計算雙向傳播時延差。
　?。?）為提高衛(wèi)星雙向頻率傳遞穩(wěn)定度，提出了

4、利用雙GEO衛(wèi)星TWSTFT架構(gòu)，分離測量噪聲阿倫方差與鐘差阿倫方差的方法，直接計算鐘差阿倫方差。理論分析表明，經(jīng)過不同GEO衛(wèi)星的TWSTFT鏈路具有獨立的發(fā)射和接收設備，不同鏈路測量噪聲不相關，且測量值含有相同的鐘差值，可將測量噪聲的阿倫方差與鐘差的阿倫方差分離開。進一步對實測數(shù)據(jù)的分析表明，在單鏈路測量噪聲阿倫偏差（阿倫方差的平方根）達3×10-10τ-1（τ為平滑時間）的情況下，已實現(xiàn)對阿倫偏差為7×10-12τ-0.65的鐘差

5、頻率穩(wěn)定度的估計，即提高TWSTFT頻率傳遞穩(wěn)定度兩個數(shù)量級。
　?。?）為提高衛(wèi)星雙向時間傳遞穩(wěn)定度并保證鐘差測量完好性，利用多GEO衛(wèi)星的TWSTFT架構(gòu)，提出了多鏈路鐘差動態(tài)加權平均方法。動態(tài)加權平均方法以本文新提出的動態(tài)時間方差來表征時間傳遞穩(wěn)定度，綜合多GEO衛(wèi)星TWSTFT鐘差測量值，抑制測量噪聲（特別是非平穩(wěn)測量噪聲）的影響，在改進TWSTFT的動態(tài)時間偏差（DTDEV）至原鏈路的1/ N(N為鏈路數(shù)量)的同時，保證

6、鐘差測量完好性?；谏鲜隼碚摲治?，仿真實驗表明：對比以標準時間方差為基礎的標準加權平均方法，應對某鏈路測量噪聲標準差突變、周期變化及線性增大100％的非平穩(wěn)情況時，以DTDEV衡量，本方法結(jié)果一直好于標準加權平均方法結(jié)果，最多分別為43%，11%，12%；同時，對雙GEO衛(wèi)星TWSTFT實測數(shù)據(jù)分析表明，應用本文方法，綜合數(shù)據(jù)的動態(tài)時間偏差較單鏈路平均改進了30%，即改進TWSTFT的DTDEV至原測量鏈路的0.7倍，接近理論上的最優(yōu)結(jié)

7、果1/2。
　?。?）針對光幅度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)中如何選擇傳遞頻率信號的頻率，及如何實現(xiàn)時間頻率傳遞的問題，詳細分析了光纖色散對頻率信號傳遞頻率穩(wěn)定度的影響，給出了傳遞頻率選擇原則；提出了基于偽隨機噪聲碼和載波相位測量的光纖雙向時間頻率傳遞方法，在詳細推導了偽隨機碼和載波的傳播速度的基礎上，給出了一種光幅度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)中載波相位整周模糊度求解方法；采用10MHz碼率和30MHz載波頻率的自研光纖雙向時間頻率傳遞設備進行實驗，結(jié)