基于双移动站的卫星双向时间传递系统误差校准方法研究

发布时间：2017-08-29 11:34

  本文关键词：基于双移动站的卫星双向时间传递系统误差校准方法研究

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【摘要】：卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是目前最精确的远距离时间传递技术之一。其优势在于信号传输路径具有近似对称性,使信号路径时延几乎被抵消,然而双向地面站设备传输时延的变化导致TWSTFT需要定期校准。传统的校准方法主要有卫星模拟器法和单移动站法。卫星模拟器法是一种绝对校准方法,校准过程复杂、校准周期长。单移动站校准法是一种相对校准方法,它分别测出移动站和各个固定站的设备时延差,从而求出各个地面站之间的设备时延差。目前我国双向时间频率传递中,主要存在4种调制解调器,C频段和Ku频段两种信号。按照传统的单移动站校准方法需要研制8种移动站才能满足我国双向校准的需求,成本太高,多套移动站之间的系统差也难以校准。为此我们提出了一种新的双移动站校准方法。本文所做的工作和主要研究成果如下:(1)研究了卫星双向时间频率传递链路误差使用大气毫米波传播模型和Marini模型研究了对流层对TWSTFT的影响。结果表明对流层对TWSTFT仅有几个皮秒的影响,可以忽略不计。电离层时延对TWSTFT的影响可以使用双频改正模型加以修正。Sagnac效应对双向的影响较大,可以按照计算公式算出结果。卫星运动对双向的结果也有很大影响,需要对其影响加以考虑。设备时延是双向的主要误差,本文使用双移动站测量任意两个双向站间的设备时延差。(2)提出了一种新的双向校准方法针对我国双向校准的要求,提出使用两个双向移动站来校准任意两个双向地面站系统差的方法,并针对系统特点设计了校准步骤:第一步先将两个移动站放在A地进行零基线校准,获得两移动站在A地环境下的系统差T1(主要含设备时延差);第二步再将两个移动站分别放在A、B两地,以两地时钟为参考进行测试,测得结果 T2;第三步将两个移动站都放在B地,采用零基线方法复核两移动站的系统差,获得两移动站在B地环境下的系统差T3。将T1与T3的值平均后作为第二步校准时的系统差,T2值扣除系统差后即为A、B两地参考时间的实际钟差。用双移动站最终获得的两地钟差校准两地固定地面站的钟差测试结果,即可实现用双移动站对地面站系统差的校准。(3)研究了双移动站校准的影响因素研究了码速率、信号功率、温度、工作频率、雨衰、位置等因素对双移动站校准误差的影响。试验结果显示:样机的设备时延与发射、接收信号的功率有关,测试时需要使用固定的发射和接收功率,确保重复测试时设备时延受信号功率的影响最小;晴天的结果比雨天的结果好近1个数量级,不建议雨天测试。(4)研制了双移动站原理样机双移动站由两套完全相同的设备组成。单套设备包括频率脉冲信号分配放大器、时频调制解调器、Ku频段射频收发通道、网络时间服务器、数据传输模块和站间时间同步精度评估软件。(5)研制了高精度站间时间同步精度评估软件软件的主要功能是接收两站的测量数据,同时发送本地的测量数据,另外还具有参数设置、数据采集、数据处理、时差计算、状态监控、显示、数据保存、输出结果等功能,从而实现对站间时间同步精度的评估。(6)设计并完成了大量试验,验证了双向移动站的性能设计了设备时延拆装一致性试验和设备开关机时延一致性试验,验证了设备拆装和开关机前后性能的一致性。设计了零基线试验,准确测试了零基线系统差。设计了临潼-洛南短基线试验和临潼-长春长基线试验,验证了系统测试的性能;分别使用卫星1和卫星2研究了不同卫星对双向校准的影响。总体来说,本文在亚纳秒量级分析了卫星双向时间传递的误差分布规律及其校准方法,提出了基于双移动站的系统误差校准方法,大量理论分析和试验证明,使用双移动站方法,能将卫星双向时间传递的系统误差校准到0.5ns以内,并且这种方法脱离了信号体制、工作方式的限制,可以对其它比对手段的系统差进行校准,是一种非常有应用前景的方法。
【关键词】：卫星双向时间频率传递 双移动站 设备时延校准
【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】：2015
【分类号】：TN96.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目录11-15
• 图表目录15-19
• 1 绪论19-25
• 1.1 远距离时间频率传递的意义19-21
• 1.2 卫星双向时间频率传递的发展历程21-23
• 1.3 研究目的及意义23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-25
• 2 卫星双向时间频率传递系统25-31
• 2.1 卫星双向时间频率传递原理25-26
• 2.2 卫星双向时间频率传递系统构成26-28
• 2.2.1 调制解调器27
• 2.2.2 甚小口径卫星终端站（VSAT）27-28
• 2.3 卫星双向时间频率传递链路要求28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 3 卫星双向时间频率传递链路误差研究31-57
• 3.1 大气传播延迟的影响及其改正方法31-35
• 3.1.1 对流层影响分析31-33
• 3.1.2 电离层误差33-35
• 3.2 Sagnac效应影响分析35-45
• 3.2.1 Sagnac效应产生的原因35-36
• 3.2.2 Sagnac效应算法及其在TWSTFT中的修正36-38
• 3.2.3 卫星运动对Sagnac效应的影响38-45
• 3.3 卫星运动的影响及其改正方法45-52
• 3.3.1 影响原因45-46
• 3.3.2 卫星运动对TWSTFT几何路径不对等时延差的影响46-52
• 3.4 地面站设备时延的影响及其校准方法52-55
• 3.5 本章小结55-57
• 4 传统卫星双向时间频率传递校准方法研究57-63
• 4.1 主要的校准方法57-62
• 4.1.1 卫星模拟器法57-59
• 4.1.2 单移动校准站法59-62
• 4.2 我国双向地面站校准现状62
• 4.3 本章小结62-63
• 5 双移动站校准方法研究63-67
• 5.1 双移动站校准方法原理63-65
• 5.2 双移动站校准系统的组成65-66
• 5.3 本章小结66-67
• 6 双移动站设计与实现67-105
• 6.1 双移动站总体设计67-68
• 6.2 双移动站硬件设计68-77
• 6.2.1 硬件总体设计68
• 6.2.2 硬件各模块的设计68-77
• 6.3 双移动站软件设计77-84
• 6.3.1 软件总体设计77-78
• 6.3.2 软件任务分析78-79
• 6.3.3 软件详细设计79-84
• 6.4 双移动站校准方法的误差分析84-102
• 6.4.1 码速率对时延的影响84-85
• 6.4.2 发射接收功率对时延的影响85-87
• 6.4.3 温度对时延的影响87-93
• 6.4.4 发射接收频率对时延的影响93-95
• 6.4.5 雨衰对时延的影响95-99
• 6.4.6 位置对双向时延的影响99-102
• 6.5 本章小结102-105
• 7 双移动站性能测试与分析105-131
• 7.1 单机性能测试105-110
• 7.1.1 设备拆装时延一致性105-109
• 7.1.2 设备开关机时延一致性109-110
• 7.2 零基线校准试验110-116
• 7.2.1 试验目的110-111
• 7.2.2 试验方法111
• 7.2.3 试验条件111-112
• 7.2.4 试验结果112-116
• 7.2.5 试验分析116
• 7.3 短基线性能测试验证试验116-119
• 7.3.1 试验目的116
• 7.3.2 试验方法116-117
• 7.3.3 试验条件117
• 7.3.4 试验结果117-119
• 7.3.5 试验分析119
• 7.4 长基线性能测试验证试验119-123
• 7.4.1 试验目的119
• 7.4.2 试验方法119-120
• 7.4.3 试验条件120
• 7.4.4 试验结果120-123
• 7.4.5 试验分析123
• 7.5 比较基于不同卫星转发的试验123-129
• 7.5.1 试验目的123
• 7.5.2 试验方法123-124
• 7.5.3 试验条件124
• 7.5.4 试验结果124-128
• 7.5.5 试验分析128-129
• 7.6 本章小结129-131
• 8 总结与展望131-135
• 8.1 工作总结131-133
• 8.2 工作展望133-135
• 参考文献135-141
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果141-14

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