高精度站间双向时间频率传递关键技术研究

发布时间：2018-03-18 11:15

本文选题：卫星双向时间频率传递　切入点：光纤双向时间频率传递　出处：《国防科学技术大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：站间时间频率传递是实现大型时间频率系统的关键,是建立UTC/TAI的基础,是实现卫星导航定位授时服务的核心。TWSTFT是最重要的站间时间频率传递技术之一,进一步修正其双向传播时延差以提高其准确度,以及提高其时间频率传递稳定度是一直以来的研究热点。同时,光纤双向时间频率传递被认为将带来时间频率传递的新纪元。论文结合我国卫星导航系统中基于多GEO导航卫星的TWSTFT架构,并面向未来可用于卫星导航系统站间时间频率传递的光纤双向时间频率传递技术,开展研究工作,取得以下研究成果：(1)针对TWSTFT中修正卫星相对地面站运动引入的双向传播时延差的问题,提出了一种惯性系下的卫星双向时延模型,并给出了与星历数据和TWSTFT实测数据相联系的双向时延(即光行时)迭代计算流程,称“光行时解”。该模型和计算方法一并简称为“光行时解法”。以三个地面站两两之间建立的三条TWSTFT链路实测数据为例,卫星相对地面站的周期运动引入了峰峰值最大为453ps,均值为-161ps的双向传播时延差的日波动。若不修正,将限制TWSTFT的时间传递准确度在0.2ns量级,且限制其平滑时间为0.5day的频率稳定度(阿伦偏差表示)至1.05×10-14。三站钟差测量数据闭合验证表明：光行时解法计算得三站闭合双向传播时延差峰峰值128ps的日波动,与三站闭合钟差测量值的峰峰值为147ps的日波动吻合良好,说明光行时解法在卫星相对地面站运动的情况下正确计算双向传播时延差。(2)为提高卫星双向频率传递稳定度,提出了利用双GEO卫星TWSTFT架构,分离测量噪声阿伦方差与钟差阿伦方差的方法,直接计算钟差阿伦方差。理论分析表明,经过不同GEO卫星的TWSTFT链路具有独立的发射和接收设备,不同链路测量噪声不相关,且测量值含有相同的钟差值,可将测量噪声的阿伦方差与钟差的阿伦方差分离开。进一步对实测数据的分析表明,在单链路测量噪声阿伦偏差(阿伦方差的平方根)达3×10-10τ-1(τ为平滑时间)的情况下,已实现对阿伦偏差为7×10-12τ-0.65的钟差频率稳定度的估计,即提高TWSTFT频率传递稳定度两个数量级。(3)为提高卫星双向时间传递稳定度并保证钟差测量完好性,利用多GEO卫星的TWSTFT架构,提出了多链路钟差动态加权平均方法。动态加权平均方法以本文新提出的动态时间方差来表征时间传递稳定度,综合多GEO卫星TWSTFT钟差测量值,抑制测量噪声(特别是非平稳测量噪声)的影响,在改进TWSTFT的动态时间偏差(DTDEV)至原链路的1/(?)(N为链路数量)的同时,保证钟差测量完好性。基于上述理论分析,仿真实验表明：对比以标准时间方差为基础的标准加权平均方法,应对某链路测量噪声标准差突变、周期变化及线性增大100%的非平稳情况时,以DTDEV衡量,本方法结果一直好于标准加权平均方法结果,最多分别为43%,11%,12%；同时,对双GEO卫星TWSTFT实测数据分析表明,应用本文方法,综合数据的动态时间偏差较单链路平均改进了30%,即改进TWSTFT的DTDEV至原测量链路的0.7倍,接近理论上的最优结果1/(?)。(4)针对光幅度调制直接检测系统中如何选择传递频率信号的频率,及如何实现时间频率传递的问题,详细分析了光纤色散对频率信号传递频率稳定度的影响,给出了传递频率选择原则；提出了基于伪随机噪声码和载波相位测量的光纤双向时间频率传递方法,在详细推导了伪随机码和载波的传播速度的基础上,给出了一种光幅度调制直接检测系统中载波相位整周模糊度求解方法；采用10MHz码率和30MHz载波频率的自研光纤双向时间频率传递设备进行实验,结果表明在共钟情况下,采用室内1km卷轴光纤实现阿伦偏差1.57×10-12τ-1(τ为平滑时间,1s-τ≤104s)的频率传递,以及时间偏差20ps(τ=100s)的时间传递。
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【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN967.1

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