动态站的卫星双向时间传递关键技术研究

发布时间：2018-04-14 22:15

  本文选题：卫星双向时间传递 + 移动站　； 参考：《中国科学院研究生院(国家授时中心)》2016年博士论文

【摘要】：卫星双向时间传递(Two-Way Satellite Time Transfer,TWSTT)是当今最精确的远距离时间比对技术之一,其时间比对精度国际上可达到0.3ns,国内可达到0.3-0.5ns。由于其时间传递精度很高,现已经广泛地应用于时频、导航和通信等领域。军事应用中,时间同步技术必须充分考虑到战略需要,须具有高精度、动态性、灵活性、抗干扰能力和自主运行能力。众多时间同步技术中,卫星双向时间比对技术具有比对时间短、精度高的特点,其方法是BIPM国际计量局在国际时间比对中所采用的重要方法。同时,因国家授时中心与海军合作项目需要,提出了本论文课题研究,即对动态站的卫星双向时间传递关键技术进行初步分析和研究。(1)分析了固定站的卫星双向时间传递原理和时间比对中的各误差源对比对精度的影响。影响TWSTT精度的主要因素有:设备时延误差;传播路径时延误差;卫星运动引起的时延误差,最主要的误差源是设备时延误差。其中,设备时延误差主要包括计数器时延误差、调制解调器时延误差、卫星转发器时延误差与地面站设备发射与接收时延误差;传播路径时延误差主要指大气传播时延(对流层、电离层)误差;卫星运动引起的误差主要包括Sagnac效应时延误差和两站到卫星的几何路径不对称引起的几何路径时延误差。(2)基于固定站的卫星双向时间传递原理基础上,分析了动态站的卫星双向时间比对原理,提出在测量时间间隔内,?prop_delay是比对站平台的相对运动引起的传播时延变化量,?Sagnac变化量取决于两个站的绝对位置。同时,提出了动态站的TWSTT的关键技术问题分别是稳定的天线系统、移动站站坐标快速捕获、数据处理与误差补偿、信号接收质量对时间比对精度的影响。(3)稳定的天线系统是动态站的卫星双向时间传递中的关键问题之一。因外界因素或人为因素干扰,天线指向发生了变化,使卫星与天线的指向相对位置之间发生改变,造成地面站天线接收不到信号或者接收信号质量变差,并使信号在站与卫星之间传播的上下行几何路径不对称。通过测试天线指向误差对TWSTT性能的影响实验,并得到一些初步数据,经过分析得出天线方位角比俯仰角变化敏感。理论上讲,不管是方位角还是俯仰角向两边偏离中心位置的最大角度都是对称的,但在实际实验过程中,由于受到周围环境的影响(如天气情况、电磁波等因素),两个角偏离角度都是各自不对称的,因此在进行调节天线位置时,在保证信号接收质量的前提下,方位角与俯仰角偏离稳定转态的的角度范围是不同的,这为TWSTT地面站的天线对星调节工作及分析因比对站的运动而产生的对TWSTT时间比对精度影响提供了有力地参考价值。(4)移动站站坐标快速捕获是动态站的卫星双向时间传递中的关键问题之一。利用车载实验动态实时定位采集的数据来研究移动站位置变化对TWSTT的影响,包括两个方面:星到站的几何路径时延与Sagnac效应。经分析得出移动站位置变化1m,星到站的几何路径时延变化约为3.1ns,地面站经度、纬度和卫星经度误差对站到卫星的Sagnac效应影响变化量与地面站高度和卫星纬度误差对Sagnac效应的影响比较,前者影响量大。因此在动态站的TWSTT中,计算Sagnac效应时,要尽量保证地面站经度、纬度和卫星经度的位置准确,同时也说明了移动站引起的位置变化对动态站的TWSTT时间比对结果的影响,指出了使用中星-10作为转发卫星时,若使时间比对精度保持在几ns量级,地面位置经度、纬度和卫星经度的变化范围。(5)因实验条件所限,利用岸船卫星双向时间比对技术对动态站的卫星双向时间比对技术进行了仿真模拟,以微积分和矢量代数方法对低速的船载运动对卫星双向比对技术精度影响进行了分析,得出影响岸船卫星双向时间比对的数学模型,并通过数学模型对航速、航向及海浪起伏等各种因素对时间比对的影响误差进行了计算仿真与总结,同时指出船的高程变化与海浪的高度及海浪的波长与船长的比值有关,提出了一种船载在运行过程中,提高岸船卫星双向时间比对技术精度的初步的误差补偿方式。(6)空间信号质量对时间比对精度的影响是动态站的TWSTT的关键问题之一,卫星运动与时间比对站运动是相对的,则卫星运动相对来讲即是时间比对地面站在运动,同时衡量空间信号质量的一项重要指标是载噪比。为了分析卫星运动对卫星双向时间传递比对信号接收质量及比对精度的影响,以GPS精密单点定位为参考,分析了AM2卫星轨道开始倾斜前后对卫星双向时间比对欧亚链路中NTSC-PTB链路的影响,得出卫星运动会引起卫星天线接收定位(即方位角、仰角和馈源的极化角)不准确,影响天线接收到的信号强度和质量变差,使接收信号的载噪比变低,Drms值变大,使TWSTT传递方法测量精度降低,这对研究分析卫星运动对TWSTT或者地面站运动对动态站的TWSTT的测量精度影响具有一定的参考价值。总之,本论文基于固定站的TWSTT基础上,提出了动态站的TWSTT的关键技术问题,同时针对每个技术问题,进行了实验测试或模拟仿真分析,并得出结论。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB939
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本文编号：1751213