高精度站間雙向時(shí)間頻率傳遞關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、站間時(shí)間頻率傳遞是實(shí)現(xiàn)大型時(shí)間頻率系統(tǒng)的關(guān)鍵，是建立UTC/TAI的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)的核心。TWSTFT是最重要的站間時(shí)間頻率傳遞技術(shù)之一，進(jìn)一步修正其雙向傳播時(shí)延差以提高其準(zhǔn)確度，以及提高其時(shí)間頻率傳遞穩(wěn)定度是一直以來(lái)的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，光纖雙向時(shí)間頻率傳遞被認(rèn)為將帶來(lái)時(shí)間頻率傳遞的新紀(jì)元。論文結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中基于多GEO導(dǎo)航衛(wèi)星的TWSTFT架構(gòu)，并面向未來(lái)可用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)站間時(shí)間頻率傳遞的光纖雙向時(shí)間頻率傳遞

2、技術(shù)，開(kāi)展研究工作，取得以下研究成果：
　　（1）針對(duì) TWSTFT中修正衛(wèi)星相對(duì)地面站運(yùn)動(dòng)引入的雙向傳播時(shí)延差的問(wèn)題，提出了一種慣性系下的衛(wèi)星雙向時(shí)延模型，并給出了與星歷數(shù)據(jù)和 TWSTFT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相聯(lián)系的雙向時(shí)延（即光行時(shí)）迭代計(jì)算流程，稱(chēng)“光行時(shí)解”。該模型和計(jì)算方法一并簡(jiǎn)稱(chēng)為“光行時(shí)解法”。以三個(gè)地面站兩兩之間建立的三條TWSTFT鏈路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，衛(wèi)星相對(duì)地面站的周期運(yùn)動(dòng)引入了峰峰值最大為453ps，均值為-161ps的

3、雙向傳播時(shí)延差的日波動(dòng)。若不修正，將限制TWSTFT的時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度在0.2ns量級(jí)，且限制其平滑時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)閉合驗(yàn)證表明：光行時(shí)解法計(jì)算得三站閉合雙向傳播時(shí)延差峰峰值128ps的日波動(dòng)，與三站閉合鐘差測(cè)量值的峰峰值為147ps的日波動(dòng)吻合良好，說(shuō)明光行時(shí)解法在衛(wèi)星相對(duì)地面站運(yùn)動(dòng)的情況下正確計(jì)算雙向傳播時(shí)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(cè)量噪聲阿倫方差與鐘差阿倫方差的方法，直接計(jì)算鐘差阿倫方差。理論分析表明，經(jīng)過(guò)不同GEO衛(wèi)星的TWSTFT鏈路具有獨(dú)立的發(fā)射和接收設(shè)備，不同鏈路測(cè)量噪聲不相關(guān)，且測(cè)量值含有相同的鐘差值，可將測(cè)量噪聲的阿倫方差與鐘差的阿倫方差分離開(kāi)。進(jìn)一步對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明，在單鏈路測(cè)量噪聲阿倫偏差（阿倫方差的平方根）達(dá)3×10-10τ-1（τ為平滑時(shí)間）的情況下，已實(shí)現(xiàn)對(duì)阿倫偏差為7×10-12τ-0.65的鐘差

5、頻率穩(wěn)定度的估計(jì)，即提高TWSTFT頻率傳遞穩(wěn)定度兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
　?。?）為提高衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞穩(wěn)定度并保證鐘差測(cè)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(dòng)態(tài)加權(quán)平均方法。動(dòng)態(tài)加權(quán)平均方法以本文新提出的動(dòng)態(tài)時(shí)間方差來(lái)表征時(shí)間傳遞穩(wěn)定度，綜合多GEO衛(wèi)星TWSTFT鐘差測(cè)量值，抑制測(cè)量噪聲（特別是非平穩(wěn)測(cè)量噪聲）的影響，在改進(jìn)TWSTFT的動(dòng)態(tài)時(shí)間偏差（DTDEV）至原鏈路的1/ N(N為鏈路數(shù)量)的同時(shí)，保證

6、鐘差測(cè)量完好性?；谏鲜隼碚摲治?，仿真實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)比以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間方差為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)平均方法，應(yīng)對(duì)某鏈路測(cè)量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差突變、周期變化及線性增大100％的非平穩(wěn)情況時(shí)，以DTDEV衡量，本方法結(jié)果一直好于標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)平均方法結(jié)果，最多分別為43%，11%，12%；同時(shí)，對(duì)雙GEO衛(wèi)星TWSTFT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，應(yīng)用本文方法，綜合數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)時(shí)間偏差較單鏈路平均改進(jìn)了30%，即改進(jìn)TWSTFT的DTDEV至原測(cè)量鏈路的0.7倍，接近理論上的最優(yōu)結(jié)

7、果1/2。
　?。?）針對(duì)光幅度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)中如何選擇傳遞頻率信號(hào)的頻率，及如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間頻率傳遞的問(wèn)題，詳細(xì)分析了光纖色散對(duì)頻率信號(hào)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(jī)噪聲碼和載波相位測(cè)量的光纖雙向時(shí)間頻率傳遞方法，在詳細(xì)推導(dǎo)了偽隨機(jī)碼和載波的傳播速度的基礎(chǔ)上，給出了一種光幅度調(diào)制直接檢測(cè)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(shí)間頻率傳遞設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)