专利名称：基于速度改正的使用非geo卫星的双向时间传递方法
技术领域：
本发明涉及一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，涉及高精度时间传递领域，属于天体测量与天体力学学科。
背景技术：
通过地球静止轨道卫星(GEO)的“双向卫星时间频率传递”(TWSTFT)是目前BIPM 组织的国际时间比对所采用的一种主要方法。从1999年开始，TWSTFT方法被用于国际原子时(International Atomic Time，缩写为 TAI)和协调世界时(Coordinated Universal Time，缩写为UTC)的计算。美国、欧洲和亚洲均已组建了的卫星双向比对网。TWSTFT方法由于信号传递路径对称，链路上所有传播路径的时延几乎都可以抵消，因而时间同步精度高。目前TWSTFT准确度可达到500-750ps，稳定度可达到200ps。基于GEO卫星的TWSTFT的不足之处在于高纬度地区的用户观测卫星仰角低，并且地球同步轨道卫星的轨位是一个有限资源。如何利用非GEO卫星，例如中轨道卫星(MEO)和倾斜同步轨道卫星卫星(IGSO)，来开展TWSTFT，对于综合利用多种卫星资源和扩展TWSTFT 方法，是一个很有意义的研究工作。现有针对GEO卫星的TWSTFT方法，在用非GEO卫星开展TWSTFT时，会面临一个问题卫星运动给TWSTFT带来了非对称的几何路径，因此降低了时间传递准确度。使用非GEO 卫星进行双向时间传递(TWSTFT)的时候，由于卫星运动会造成TWSTFT几何路径的不对称， 对TWSTFT准确度造成较大影响。2010年杨旭海等人申请的、专利申请号为201010013714. 8的发明专利基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法。其技术手段为步骤1 计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差tAB的卫星速度改正项
^ =，其中vAU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速
度为负；Vbu为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；At为两项内容之和，即At= At1+At2，其中At1为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δ t2为A、B两站钟差、值；步骤2 采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式， 得到不含改正项的两站钟差；步骤3 将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO 卫星的双向时间传递的站间钟差为^ab = Tab+Xa问题是在根据该技术方案进行实施时，步骤1中(vAU+vBU)的量纲是速度，At的量纲是时间，所以△的量纲为长度，且不含改正项的^^的量纲为时间。而在步骤3中传递的站间钟差为As =‘+Δ，式中左边的量纲是时间，而右边的量纲是时间+长度。可见 Gs = ;β+Δ左右两边的量纲不相同，说明等式不成立，也就是说该专利申请给出的技术手段是含糊不清，根据该申请文件也无法实现发明目的基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递。
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，通过在TWSTFT计算中，加入卫星速度改正项，以修正卫星运动对 TffSTFT准确度的影响，提高站间时间同步准确度。技术方案一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于在非GEO 卫星双向时间传递中，增加了上下行几何路径不对称的改正项，该改正项是卫星速度、两站钟差以及两站到卫星的距离差的函数。增加该改正项后，使得非GEO卫星的双向时间传递准确度可达到亚纳秒量级。在非GEO卫星双向时间传递中，站间钟差计算的具体步骤如下步骤1 计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差tAB的卫星速度改正项
Az^O^W+vwyMVc，其中vAU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的
速度为负；vBU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；At为两项内容之和，即At= Atl+At2，其中At1为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；At2为A、B两站钟差tAB值；c为光速(即c = 29979M58m/s)；步骤2 采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差 7 ·
1AB 9步骤3 将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为^= ;β+Δ。根据上面所述的基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于和基于GEO卫星的双向时间传递的计算方法相比，增加了几何路径不对称的改正项。有益效果本发明提出的基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，通过对卫星的测轨定轨，得到卫星的运动速度(它随时间而不断变化)的基础上，通过在TWSTFT计算中加入卫星速度改正项，来消掉卫星运动对TWSTFT几何路径不对称的影响，实现亚纳秒量级的站间时间同步。实际试验结果表明，这种改正方法效果很好。
图 1 双向时间传递原理示意图为“Two-way Satellite Time and Frequency Transfer TffSTFT”；图2 亚太1号卫星在UTC时间2006年12月27日一天内的星下点轨迹；图3 当两站有Is的钟差的时候，卫星运动对双向时间传递的影响；图4 2006年11月四日，临潼到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度；图5 2006年11月四日，乌站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度；图6 :2006. 11. 29用亚太1号卫星和鑫诺1号卫星的双向时间传递结果的比较。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述
1.本实施例中使用的卫星和地面站a)本实施例中的IGSO卫星为亚太一号卫星，该卫星在赤道上的星下点经度为东经142° E，该卫星目前在南北方向不做轨道机动，属于小倾角IGSO卫星。下面给出亚太1号卫星在UTC时间2006年12月27日的双行轨道根数APSTAR 11 23185U 94043A 06360.01808406-· 00000252 00000-0 10000-3 0 52722 23185 2.1800 84.3565 0002250 190.1428 328.4205 1.00271522 45516基于上述双行轨道根数(TLE)，使用T. S. kelso的Trakstar软件计算卫星的轨道速度等参数，给出1天内卫星在地固系下的经度、纬度、和到地心的距离，可画出星下点轨迹图，如图2所示。b)本实施例中的地面站使用临潼站(在国家授时中心，缩写为NTSC)和乌鲁木齐站(在乌鲁木齐天文站，缩写为U0)。并对UO站的时间进行调偏，使得UO站时间等于临潼站时间加1秒。c)本实施例中选用的参考卫星，是鑫诺一号地球静止轨道卫星(星下点为东经 142° E)。使用鑫诺一号卫星的双向时间传递结果作为标准，来检验本专利方法中使用亚太一号卫星做双向时间传递的效果。2本实施例的观测过程本示例中的观测方法为在2006年11月和12月，乌站(UO)和临潼站(NTSC)用 IGSO卫星作TWSTFT，首先两站观测亚太一号1小时，然后观测鑫诺一号1小时，然后休息1 小时，作为1个观测周期；1天可进行8个周期的观测。两站的配置为原子钟为HP5071A， 0SA5585PRS。我们使用了 20Mchips的伪码，以提高双向时间传递的观测精度。3测定卫星的运动速度在本实施例的试验中，使用转发式卫星测定轨系统，来测定卫星的运动状态，得到卫星在地固系下的运动速度，这是后续的“卫星速度改正项”的前提工作。临潼站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度如图4所示；乌鲁木齐站到亚太一号卫星连线方向上的卫星运动速度如图5所示。3本发明的数据处理过程(1)计算卫星速度改正项本专利针对使用非GEO卫星双向时间传递时的几何路径时延无法完全对消的情况，推导了“卫星运动速度改正项”的公式。若两站分别为A和B，两站的计算钟差中包含着速度引起的几何路径不对称，计算钟差和实际值的差(计算值-实际值)，我们用△表示。Δ =( -t/必)/2c-(dBU-dBD)/2c=[^(vau+Vbu)-MVC在上式中dAU :A站信号的上行几何路径；dAD =A站信号的下行几何路径；dBU =B站信号的上行几何路径；dDB =B站信号的下行几何路径；vAU为A站到卫星连线方向上的速度， 从地面站到卫星方向的速度为负；Vbu为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；At为两项内容之和，SP At= Atl+At2，其中At1为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δ t2为A、B两站钟差tAB值；c为光速。(2)采用传统的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差？;传统的GEO卫星双向时间传递(TWSTFT)的原理图1所示。使用GEO卫星实现TWSTFT的计算方法如下TIC(A) = tA-tB+dTB+dBS+dSBA+dSA+dEA+SB (1)TIC(B) = tB-tA+dTA+dAS+dSAB+dSB+dEB+SA (2)这里TIC(A)和TIC(B)是时间间隔计数器的读数；tA和、是两站各自的钟面时间；dxx是如图所示的各自的传播时延；Sa和&是Mgnac效应改正，注意SB = _SA。Sa的含义为信号从A站发出到达卫星，转发后再到达B站总共的Mgnac效应。&的含义为信号从B站发出到达卫星，转发后再到达A站总共的Mgnac效应。Sagnac效应的量值(即SA的绝对值)为2 EAp/c2 ；若电波传播方向与地球自转方向相同，则值为正。即如果B在A的东面，则\为正。上式中，ωΕ为地球自转角速度(即 ωΕ = 7292115*10-1 lrad/s) ；Ap为地球站、卫星和地心构成的三角形在赤道平面上的投影面积；c 为光速(即 c = 299792458m/s)。TIC的值在正常情况下总为正，因为对IGSO卫星来讲，信号从地面到卫星再返回地面，所需的时间大约为0. 25秒；对MEO卫星来讲，也在0. 15秒左右。而对TWSTFT，一般会在正式比对之前，实现两站原子钟的粗同步，精度在Ims之内。将(1)与⑵作差，移项得
权利要求
1.一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于步骤如下 步骤1 计算任意两个双向比对地面站A和B相互钟差tAB的卫星速度改正项Az^O^W+vwyMVc，其中vAU为A站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；vBU为B站到卫星连线方向上的速度，从地面站到卫星方向的速度为负；At为两项内容之和，即At= Atl+At2，其中At1为A站到卫星的距离减去B站到卫星的距离，再除以光速；Δ t2为A、B两站钟差tAB值；c为光速；步骤2 采用标准的GEO卫星双向时间传递归算公式，得到不含改正项的两站钟差 ;s ； 步骤3 将两站钟差加上卫星速度改正项，得到使用非GEO卫星的双向时间传递的站间钟差为^ab=Iib+^
全文摘要
本发明涉及一种基于速度改正的使用非GEO卫星的双向时间传递方法，其特征在于在非GEO卫星双向时间传递中，增加了上下行几何路径不对称的改正项，该改正项是卫星速度、两站钟差以及两站到卫星的距离差的函数。增加该改正项后，使得非GEO卫星的双向时间传递准确度可达到亚纳秒量级。通过对卫星的测轨定轨，得到卫星的运动速度(它随时间而不断变化)的基础上，通过在TWSTFT计算中加入卫星速度改正项，来消掉卫星运动对TWSTFT几何路径不对称的影响，实现亚纳秒量级的站间时间同步。实际试验结果表明，这种改正方法效果很好。
文档编号G04G7/00GK102540867SQ20121003311
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者何战科, 吴风雷, 弓剑军, 李伟超, 李志刚, 杨志强, 杨旭海, 陈亮, 雷辉 申请人:中国科学院国家授时中心