（通信与信息系统专业论文）双向卫星时间传递调制解调器的研究.pdf

摘要 随着现代通信对时问同步性能的要求不断提高，时间传递的方式变得越来越 重要。现行的高精度远距离时间传递方式主要有g p s 共视法和双向卫星时间传递 技术( t w s t t ) 。虽然g p s 共视法被广泛应用，但它由美国国防部控制，其应用 范围受到限制。t w s t t 一直作为g p s 时间比对的一种辅助手段，由于其高精度的 时间传递性能，一直是这个领域的研究热点。 本文主要研究双向卫星时间传递中频调制解调器的实现。首先详细介绍了双 向卫星时间传递的基本原理和多站数据处理的方法，然后在t w t 1 0 0 设备的基础 上，分析了信号流程和系统的各个组成部分：接着对系统中所涉及的带通采样、 扩频解扩、载波恢复和锁相环技术进行了说明：随后给出了双向卫星时间传递系 统数字中频发射和接收部分的设计方案，对所采用技术的原理进行了详细的分析。 伪码捕获采用时域，频域二维n 通道捕获的方案，载波恢复采用f l l 和p l l 相结 合的方法，相位角的计算采用旋转坐标数字计算机的方法：最后给出了扩频模块、 载波数控振荡器模块、伪码捕获模块和c o r d i c 模块的硬件实现。 关键字：双向卫星时间传递时域频域二维捕获载波恢复 旋转坐标数字计算机 a b s t r a c t t i m et r a n s f e rm e t h o d sa r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt h ew o r l do f h i 曲一s p e e dc o m m u n i c a t i o n ，g l o b a ln a v i g a t i o na n dp r e c i s i o nm e t r o l o g y t h e r ea r et w o p r i m a r y m e t h o d so ft i m ed i s s e m i n a t i o na r o u n dt h e w o r l d ：t w o w a y s a t e l l i t et i m e t r a n s f e r _ ( t w s t t ) a n dc o m m o n v i e wg l o b a l p o s i t i o n s y s t e m _ ( g p s ) t i m et r a n s f e r t h e r ei sac a t c h ：g p si sau n i t e ds t a t e sd e p a r t m e n to fd e f e n s es y s t e m ，i t sa p p l i c a t i o n s a r el i m i t e d t w s t ti so f t e nu s e da sas e c o n d a r ym e a s u r e m e n tt og p so ras o l em e a n s t i m er e c o v e r yw i t hp e r f o r m a n c et h a ti ss u p e r i o rt og p st i m et r a n s f e r , s oi th a sb e e na h o t t o p i ci nt i m ec o m m u n i t y a l lt h et i m e i nt h i s t h e s i s ，d i g i t a l i ft i m et r a n s f e rm o d e mi s m a i n l ys t u d i e d i nt h es e c o n d c h a p t e r ，t h ep r i n c i p l e o ft w o - w a yt i m et r a n s f e rw i t h e m p h a s i s o ni t su s ew i t h c o m m e r c i a lc o m m u n i c a t i o n ss a t e l l i t e si sf i r s t l yi n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h e nan e wm e t h o d o fp r o c e s s i n gm u l t i s t a t i o n sd a t ai sp r e s e n t e d ；f i n a l l yt h es i g n a lf l o w sa n dc o m p o n e n t s a r ea n a l y z e db a s e do nt w t - 1 0 0 i nt h et h i r dc h a p t e r s o m ek e y t e c h n o l o g i e sc o n c e m e d w i t hd i g i t a li fm o d e ma r ei n t r o d u c e d ，s u c h 髂p ns e q u e n c ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g c a r r i e r r e c o v e r y a n dp h a s el o c k e d l o o p i n t h ef o u r t h c h a p t e r , t h e i fm o d e m i m p l e m e n t a t i o ns t r u c r a r eo ft w o w a yt i m et r a n s f e ri sp r e s e n t e d f r e q u e n c y t i m et w o d i m e n s i o nnc h a n n e l sa c q u i s i t i o ni sa d o p t e di np ns e q u e n c ea c q u i s i t i o n ，厅e q u e n c y l o c k e dl o o pa n dp h a s el o c k e dl o o pa r cu s e di nc a r r i e rr e c o v e r y , c o o r d i n a t e dr o t a t i o n d i g i t a lc o m p u t e r i s e m p l o y e d i n p h a s ec o m p u t i n g i nt h e f i f t h c h a p t e r , h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no fs p r e a ds p e c t r u mm o d u l a t i o nm o d u l e , s e q u e n c ea c q u i s i t i o nm o d u l e ， c a r r i e rn c om o d u l ea n dc o r d i cm o d u l ea l eg i v e n ， k e y w o r d ：t w o o w s y s a t e l l i t et i m et r a n s f e rc a r r i e r r e c o v e r y f r e q u e n c y t i m e t w od i m e n s i o n a c q u i s i t i o n c o r i ) i c 创新性声明 y 6 9 5 4 s o 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蛰璧是 日期 j 础占， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍是西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公开论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：! 亟璧庭 翮签名：主亟 日期_ 2 p 醇i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 时间是物理学的基本参量之一，时间单位的定义与测量是历史最悠久、情况 最复杂、目前测量精度最高的一个基本单位。 天文学时间标准在人类社会活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大的作用， 但是，由于它的实测精度很难提高，难于适应飞跃发展的技术，所以在2 0 世纪5 0 年代以后，逐步被新兴的物理学原子标准所取代。 建立在量子物理学基础上的铯原予时间标准诞生于1 9 5 5 年，经过十几年的理 论分析、交替测量和技术协调，原子时间计量标准在1 9 6 7 年正式取代了天文学时 间计量标准的秒长的定义，并在1 9 7 1 年出现了全世界统一的原子时间标准一国际 原子时( i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e ，t a i ) 。 定时校频的发展时间服务是国家的基本技术支撑，而高精度时间传递与同 步是其主要的部分。统计分析表明：原予钟性能每七年提高一个数量级。伴随着 原子钟技术的快速发展，时间同步手段也因为通信技术的飞速发展而不断进步， 精度不断提高。 随着无线电信号传播的发明和石英时钟的发展，单向时间频率测量用于时间 比对。1 9 0 5 年，美国首先实现了短波无线电授时，解决了大范围内时间比对问题， 比对精度为毫秒级。短波无线电授时作为时间比对的主要手段长达半个多世纪。 在此期间，时钟从天文摆钟发展成石英钟、氨分子钟( 1 9 5 0 年) 、铯原予钟( 1 9 7 0 年) 。钟蛉特性有了凡个数量级的提高，而此时的授对技术显然不能满足要求。 1 9 5 8 年，罗兰c ( l o l m n - c ) 长波导航系统开始工作，它的时间同步精度达 到微秒级。但是由于罗兰c 系统覆盖范围积精度有限，远不能满足科学研究的需 要。目前罗兰c 在相应领域已经处于次要地位，而以g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ， c a p s ) 为代表的星基导航则占据主导地位。 自从1 9 5 7 年第一颗人造卫星上天，人们就探讨用卫星进行时间同步的可能性。 1 9 6 2 年美国海军天文台( t h e u n i t e d s t a t e s n a v a l o b s c r v a l o r y ，u s n o ) 和英国皇家 物理实验室( n a t i o n a lp l a y s i c a ll a b o r a t o r y ，n p l ) 用t e l s t a r ( 第一颗主动式通 信卫星) 作横跨大西洋的时间比对试验。1 9 6 5 年u s n o 和日本通信综合研究所 ( c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ，c r l ) 用r e l a y n 作横跨太平洋的时间比 对试验，比对精度在0 1 _ 卜1 0 _ 5 之间。 2 0 世纪8 0 年代，美国建成g p s ，前苏联建成g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ，g l o n a s s ) 。两者在星上都放置有高性能的星载原子钟，并且都 2双向卫星时间传递调制解调器的研究 采用“测时一测距”体制。路径时延的测量是测距和导航定位的基础，因此具备 高精度的授时功能。g p sc a 码单站时阊比对精度为3 4 0 n s ( 有s a ，s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 和5 0 n s ( 无s a ) 。同期，美国国家标准局( n a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d s a n d t e c h n o l o g y 。n i s t ) 提出了g p s 共视方法，使得时间传递的精度达到纳秒级。 为了进一步提高时间传递精度，需要更好的解决路经时延问题。于是出现了 双向卫星时间传递( t w o w a ys a t e l l i t e t i m e t r a n s f e r , t w s t t ) 。小口径终端( v e r y s m a l l a p e r t u r et e r m i n a l s ，v s a t ) 的出现，使t w s t t 得以推广。经国际电联推荐， 1 9 9 9 年双向卫星法比对结果正式参加国际原子时计算。 随着计算机通信技术特别是i n t e r n e t 技术的发展，通过互联网进行标准时间信 号的传递应运而生。2 0 世纪8 0 年代后期，n i s t 率先开始了网络授时技术的研究， 9 0 年代该技术得到了迅速发展。网络授时由于路经时延不易准确扣除，所以精度 较低。通常情况下，广域网上为几百毫秒，局域网内为毫秒量级。但是由于普通 电脑时钟的守时性能很差，因此网络授时就提供了一种最方便、快捷的方法来使 用户终端时间与标准时间服务器保持同步。 高精度定时的应用领域在现代通信系统中，数字同步网与电信管理网，以 及信令网一起并列为电信网的三大支撑网，它是通信网正常运行的基础，也是保 障各种业务网正常运行和提高质量的重要手段。数字同步潮主要需要频率同步， 在其基础上的业务网，如s d h 通信网时间同步，c d m a 基站问的对间同步等，不 仅需要频率同步，而且需要高精度的时间同步。 在导航系统中，尤其是星基导航系统，如g p s 、g l o n a s s 等，都是采用测 时测距体制，高精度的时间频率测量和同步是导航系统的关键和核心，整个g p s 星座的星载钟之间的同步精度在几个纳秒的水平。 在很多科学研究领域，在计量和校准领域，以及高精度的事件时间戳等方面 都需要高精度定时。在航天领域，如火箭发射等都需要高精度的时间和频率同步。 国内高精度定时的现状对于广泛应用的g p s 定位定时接收机( o e m 板) ， 国内大量使用的还都是国内外各大公司的o e m 援，如m o t o r o l a ，a s h t e c h ，g a r m i n 等。目前，台湾已经有了专业的o e m 板生产厂家，如“飞鹰航太”等公司。 更高精度的时间频率传递设备，如目前国家授时中心用于g p s 共视比对的共 视接收机，t t r - 6 、3 0 0 t 、r 1 0 0 等均从国外购买。 国内目前最高精度的时间同步设备一卫星双向比对设备( 目前，进行中日 卫星双向比对，已经加入了t a i 计算) ，由美国a t l a n t i c 公司研制。目前研制成功 双向比对设备的还有德国的t i m e t e c h 公司。日本的c r l 也已经成功研制出了多 通道的卫星双向调制解调器( m o d e m ) 【“。 第一章绪论 1 2 研究目的和意义 随着科学技术的发展，高精度的时间和频率传递在国民经济发展中的地位日 趋重要。在国民经济建设和高新技术产业诸如通信、电力、交通、高速数字网同 步等领域有着广泛的应用。近年来，随着国防和空间技术的发展，对高精度时间 和频率传递提出了更高的要求。我国虽然在九十年代自主建立了独立的长波授时 体系，但其时间传递精度只能达到微秒萤级，其时问覆盖每天只有八小时。随着 我国载人航天计划的实施，对时间和频率传递精度的要求达到亚微秒量级，特别 是s d h 通信网的时间同步和频率校准、空中目标的探测和拦截，对时间和频率传 递精度要求达纳秒量级。 但是，纳秒量级精度的时间传递设备国内尚不能自行生产，其需求主要依赖 进口，西方国家在高精尖技术领域对我国实行封锁和禁运。因此，开展高精度时 间传递研究对于发展我国的通信事业和国防建设事业具有极其重要的意义。 双向卫星时间传递能够实现高精度和离准确度的时闻同步。新一代的时间传 递调制解调器和小口径终端的应用，使得这种方式能够应用到时间传递这一领域。 当前t w s t t 的测量数据已经成为国际原子时归算的组成部分。近年来。在能与 美国g p s 系统分廷抗衡的欧洲伽利略计划中，对时间传递的两种主要方法一 o p s c v 和1 w s t t 进行了比较实验，在分析报告中1 2 l ，给出了比较结果。虽然对 t w s t t 技术在实际应用中的性能提高缺乏信心，但是出于打破g p s 一统天下和安 全方面的考虑，欧洲时间协会更喜欢并推荐在伽利略系统中使用t w s t t 技术【朝。 对于这个计划，中国政府也积极的参与了进去，因此深入展开这方面的研究有必 要也是有意义的。 本文研究双向卫星时间传递技术。主要针对中频调制解调器的整体设计和系 统中所涉及到的关键技术。首先阐述了双向卫星时间传输的原理，分析了其实现 高精度的原因，及在此方面的新的技术；然后以t w t 1 0 0 为参考，完成中频部分 调制解调器系统的整体方案设计，并依此详细地分析了实现方案中所采用的技术， 给出实现框图，最后给出了部分硬件的实现结构。 1 3 国内外双向卫星时间传递的现状和动态 双向卫星时间传递一直以来作为g p s 授时的一种辅助手段。目前世界上些 主要的时间实验室( 如美国的u s n o 。英国的n p l ，中国的国家授时中心等) 都 把t w s t t 作为一种时间传递的方法，其测量结果参与到t a i 的计算。双向卫星时 间比对设备有美国a t l a n t i c 公司研制的t w t - 1 0 0 ，德国t i m e t e c h 公司研制的 m i t e x 一2 5 0 0 ，日本的c r l 也已经成功研制出了多通道的卫星双向m o d e m 。近 4取向卫星时间传递调制解调器的研究 年来针对其应用，国内外也产生了一些新的研究思路，最有代表性的是：t e c e l a n o 在文中提及的通过商用调制解调器实现连续卫星的双向卫星耐阃传递，将授时功 能作为一个普通的数据业务，以低廉的价格实现高精度时间传递【2 】：陕西天文台李 志刚在文中所提及的多站数据处理方法，在实现更为精确的时阊比对效果的同时， 还可以得到基站到卫星之间的传播时延 3 1 ；t o m c e l a n o 在文中提及的在移动平台的 动态双向卫星时间传递。改变了以往时间传递的平台都为固定基站的概念，使得 时间比对能在固定基站和移动平台上进行 4 1 。同时，对于双向卫星时间传递时间误 差的研究也在展开，g a f r a n k l i n 在文中分析了系统中对延不稳定的误差源和降低 系统不稳定性，提高系统性能的方法【7 j 。 1 4 论文的结构安排 本章简单的介绍了时间传递的应用背景和应用领域，国内外这方面的现状和 发展动态。 第二章对双向卫星时间传递基本原理和多站数据处理的原理进行了详缅的描 述，给出了单通道时阀传递的信号流程和t w t - 1 0 0 的参考设计方案。 第三章主要介绍双向卫星时间传递中频调卷4 解调器设计的理论。详细地介绍 了中频数字化技术，伪码捕获与跟踪及载波跟踪一般所使用的方法，并对数字锁 相环技术进行了介绍。 第四章为双向卫星时间传递中频调制解调器的设计方案，分模块详细介绍了 采用的技术和使用的器件。对接收信号直接在中频避行数字化，便于f p g a 和d s p 进行处理：伪码捕获采用时域，频域二维n 通道捕获的方法；伪码跟踪采用延迟锁 定环；载波恢复采用f l l 和p l l 相结合的方法；由同相和正交分量镊到掘位角的 计算采用旋转坐标数字计算机的方法：在同步码检铡的时候采取了加前方和后方 保护时间的保护措施。 第五章为系统的硬件实现。主要完成了扩频信号的产生、载波数控振荡器、 伪码捕获和c o r d i c 算法的硬件实现，对各个模块的结构和信号进行了说我。 第二章双向卫星时间传递系统 第二章双向卫星时间传递系统 本章从双向卫星时间传递的发展入手，介绍了双向卫星时间传递的原理，及 在此基础上发展起来的多站传递技术，并介绍了双向卫星时间传递能带来高精度 和高准确度的原因。接下来着重分析了双向卫星时间传递的系统结构，对信号流 程及其处理作了介绍。 2 1 双向卫星时间传递的原理 2 1 1 发展历史 采用双向方式进行时钟同步的实验早在1 9 6 2 年就展开了。之后尝试过各种 卫星、各种信号结构、各种调制方式和各种载波频率。早期实验的最大特点是采 用大的卫星地面站，消耗许多空间资源( 一定数量的功率和带宽) 和地面站的资 源，并且操作相当的复杂。每次实验都在某一方面或者多方面进行了改进。直到 现在所使用的小口径终端和卫星地面站，并且使用高效的扩频信号和码分多址的 方式，极大的节省了卫星所需的功率和带宽。 1 9 6 2 年，美国和英国之间进行了首次双向卫星时间传递，使用的是一种叫 t e l s t a r 的早期通信卫星。接着，美国、英国和日本之问使用t e l s t a r 和r e l a y 卫星也完成了类似的实验。在1 9 6 2 1 9 6 5 年这段时间，实验中使用的都为大的地 面站，采用脉冲信号，使用频分多址( f d m a ) 的方式，比对结果的精度为o i 一2 0 u s 。 虽然这些远没有发挥出它的优势，但显示了在全球范围内进行时间同步方面的巨 大技术进步。 1 9 6 7 - 1 9 7 5 年阀，在国家宇航局( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ， n a s a ) 操作的应用技术卫星上进行了时间同步实验。美国和日本大部分的时间实 验室参与了这些实验。在实验中首次使用了小型地面站和伪随机序列，使德空间 资源得到更好的利用实验得到了良好的时间传递质量，并且码分多址( c d m a ) 较好的满足了双向卫星时间传递中路径对称的假设。实验不仅获得了5 u s 的时间传 递精度，同时帮助确定了在这个应用中比较明显的s a g n a c 效应的影响。在这个时 期，虽然取得了很大的进步，但是考虑到箕商用价值，所以仍停留在实验阶段。 1 9 7 6 - 1 9 7 9 年，工作在k u 波段的离功率通信技术卫星第一次在加拿大和美国 之间提供了长期的时间比对。在时间实验室附近使用小型地面站，但采用的仍为 脉冲信号和频分多址( f d m a ) 的多址方式。 1 9 7 8 1 9 8 0 年期间，使用实验卫星s i r i o 在意大利的所有站点进行时间传递， 每个站点使用的为时分多址的方式。通过对传递期间的卫星运动进行补偿，能够 6双向卫星时间传递调制解调器的研究 达到几纳秒的准确度。 1 9 8 1 年c s 卫星在3 0 2 0 g h z 前频率上提供双向卫星时间传递，每个地面站 所使用的都为1 米大小的接收机，采用p n 码序列和c d m a 的多址方式，达到的 精确度为1 3 n s 。并通过陆地微波链接和便携式时钟的方式进行了验证。此次传递 中所用的载波频率一般在其它地方很少用到。 1 9 8 3 年，美国和德国之间的国际通信卫星v 型的应用意味着双向卫星时间传 递技术最终成熟，可以在实际中应用。使用小型地面站和商用的调制解调器，采 用p n 码序列和c d m a 多址方式，最终能达到i n s 的时间传递精度。 1 9 8 5 年，德国的s t u u t g a r t 大学研制的扩频测距调制解调器m i t r e x 2 5 0 0 成为 各主要时间实验室双向卫星时间传递的标准设备。所使用的扩频码为最长序列的 截断序列，码片速率为2 5 m h z 。 1 9 8 6 年n i s t 开始在k u 波段进行实验。实验中使用6 1 米的地面站和便携 式的小口径终端。同年，n i s t 和u s n o 开始为双向卫星时间传递制定日常的计划 表，时间传递每周三次，分别在周一、周三和周五，每次比对时间为半个小时， 三百个一秒间隔的数据点和相应的时刻被记录下来。这个双向卫星时间传递的协 议一直使用到现在。 1 9 8 8 1 9 8 9 年，n i s t 和u s n o 之间的双向卫星时间传递数据是可获得的。 j e s p e r s e n 在报告中给出了k u 波段双向卫星时间传递，由于上行和下行频率的不 同，引起的大气层路径不对称，电离层的最大路径不对称延时大约为l o o p s ，面 对流层则小于s o p s 刚。 到1 9 9 3 年，随着频率标准的发展，时频传递的方式也随着改进。此时t w s t t 已经应用在世界很多主要的时间实验室。一些限制t w s t t 性能的阿题也开始暴露 出来。其中最为明显的是由于不同码字之间的相关性引起的时间跟踪误差和由于 温度引起的日间延时的变化f 9 l 刈o l 。针对这些问题，对误差源展开了深入的研究并 采取了相应的措旖。1 w s t t 硬件设备延时的不稳性仍然是双向卫星时间传递中已 知的最大的误差源。当前一些研究机构试图测量系统的各个部分的延时来校正传 播延时，但是现在的分析报告并没有显示其性能有明显的提升。 近些年来，针对双向卫星时间传递系统在实际中的应用展开了大量的研究。 c e l a n ot p _ 在文中提及的通过商用调制解调嚣实现连续卫星的双向时间传递，将授 时功能作为一个普通的数据业务，以低廉的价格实现高精度时间传递 2 1 ；陕西天文 台李志刚在文中所提及的多基站的数据处理方法，在实现更为精确的时间比对效 果的同时，还可以得到基站到卫星之间的传播时延1 3 1 ；t o mc e l a n o 在文中提及的在 移动平台的动态双向卫星时间传递，改变了以往时问传递的平台都为固定基站的 概念，使得时间比对在固定基站和移动平台上进行1 4 1 ：g a f r a n k l i n 在文中分析了 系统中时延不稳定的误差源和降低系统不稳定性，提高系统性能的方法 6 1 1 7 1 。 第二章双向卫星时间传递系统7 2 1 2 双向卫星时间传递的优点 双向卫星时间传递作为有巨大潜力的高精度时间传递方法，其基本原理是用 户之间通过卫星同时交换时间信息，若两信号经过的路径对称或者准对称的话， 就可以抵消传播时延。其最大的优势在于不需要非常精确的知道地面站和卫星的 位置，就能很准确的计算出s a g n a c 效应。主要的不利之处在于，系统需要参与时 间传递的地面站同时发射和接收信号。 相较于其它的时间传递方式，双向卫星时间传递有以下一些优势： ( 1 ) 由于系统中卫星只是作为转发，所以空间部分不需要特殊的硬件，可租用其 它的卫星信道；并且不需要卫星星历，一般来说，要得到精确的卫星星历是非常 困难的。 ( 2 ) 由于时间传递双方信号的传播几乎是同时进行的，路径时延基本相同，这样 能把电离层和对流层的影响降到纳秒以下； ( 3 ) 对地面站的位置精度要求不是很高。在处理s a g n a e 效应时由于位置不精确 所带来的时间误差是非常小的。 ( 4 ) 地面站设备的绝对时延可以通过个可移动的标准接收机进行校正； ( 5 ) 通过地面站之间数据交换，可以得到多个基站之间的时间差，并计算出各地 面站到卫星之间的传播时延。 由于采取了很多消除误差的方法，时间比对的效果好，能够达到纳秒以下的 精度p 1 1 6 1 。 2 1 3 t w s 丌的原理 c l o c k i f p a t h s r e c i p r o c a l i d = d s a , t h e nc l o c k d i f f e r c n c et 一t b = r ( a f ) - r ( b ) 图2 1 双向时间传递基本原理图 双向卫星时间传递技术的基本原理( 不考虑卫星) 如图2 1 所示，主要由时钟 a 、时钟b 和两个时间间隔计数器( t i m ei n t e r v a lc o u n t e r ，t i c ) 组成。左边的t i c 8双向卫星时间传递调制解调器的研究 用来测量时钟a 的1 p p s ( o n ep u l s ep e rs e c o n d ) 与经过电缆时延d 。后的时钟b 的1 p p s 之间的差值，用r ( a ) 表示。同样，右边的t i c 的值用r ( b ) 表示。这里假 设连接时钟和t i c 之间的电缆延时很小或者为零，列两者的钟差瓦一不可由两个 t i c 的读数表示，如式( 2 - 1 ) 所示。 瓦一瓦= r c a ) 一r ( b ) 2 + ( 九日一d “) 2 ( 2 - 1 ) 如果路径对称，也就是说双方电缆的延时是相等的。即d 。= d n a ，此时，两者的 钟差就为t i c 差值的一半，可以表示为： l 一瓦= 【r ( a ) 一r ( s ) i 2 ( 2 2 ) 如果两个时钟分布在距离较远的地方时，这种用电缆跨接的方法就行不通了， 需要借助于通信卫星所提供的通信信道来实现。图2 2 为其示意图，由发射机、天 线、上行链路、卫星转发通路、下行链路、天线和接收机替代了图2 1 中的电缆。 图2 2 双向卫星时间传递原理圉 与方程( 2 i ) 有相似的形式，在加入了一些新的延时项后，得到时钾a 和时钟b 的钟差如式( 2 - 3 ) 所示。 l 一瓦- 【r ( a ) 一r c b ) 2 一( 如一) 2 + ( 屯一九) 1 2 + ( 一氏) 2 一( d 耶一镕) 2 + ( 谚娜一d 矗) 2 2 0 a a c 2( 2 - 3 ) s a g n a c 延时 式( 2 - 3 ) 式中的最后一项s a g t m e 效应可以由理论工具导出。图2 3 给出了一 个简单的示意图。在b 站发射脉冲信号的时刻，地面站a 和b 、卫星所处的位置 记为”，地球以角速度0 7 旋转，这样b 站的信号通过卫星转发到达a 站时，a 的位置为”。地球的自转和信号传播速度的有限性使得从b 到a 的路径增长了。 相反，信号从a 到b 所经历的路径减小了。相应的路径长度的改变量为2 脚a c 2 ， 这里c 为光速，为地球的自转速度，彳为卫星、地心和地面站连线部分在赤道平 第二章双向卫星时闻传递系统9 面的投影，如图2 4 所示。只要知道地面站和卫星的粗略位置信息，这项就可以 精确到纳秒以下。例如，n i s t 和u s n o 之间的时间传递使用的地球同步卫星位于 西经9 5 。，在计算s a g n a c 效应时，由于存在1 0 的卫星位置误差所引起的时间误差 仅为1 0 0 p s 。使用c v - g p s 传递时间时，卫星位置在时间的计算中极其重要，由于 卫星位置误差所带来的时间误差是很大的。而一般来说要得到精确的卫星星历表 比较困难。因此从这个方面来说，双向时间传递要由于其它的传递方式。 图2 3 地球自转引入的非对称 设备延时 s t a r i o n b s a t e l l i t e e 8 ( a ) 图2 4s a g n a c 效应中的面积 式( 2 3 ) 中，一d 一d ) 2 + ( 南一d 。) 2 表示地面站发射和接收时的设备延 时。若两个地面站经过配置能抵消传播时延和没有s a g n a c 效应，并且时钟a 和b 同步：假设卫星的转发时延时相等，即屯。= 戎。( 屯。表示从a 站到b 站的信号， 经过卫星时的延时) ，对于这个条件大部分工作在c d m a 模式下的卫星系统来说都 是满足的。这样，t i c 读数之间的差值就为所期望的设备延时，由式( 2 4 ) 表示。 r ( a ) - r ( b ) 2 = 一( 屯一) 2 + ( 一) 2( 2 - 4 ) 在大多数情况下，由于两个地面站不处在同一个地方，因而不能够采取这种校正 方法。但可以借助便携或可移动的第三方校准站来完成这些测量。用校准站来配 置a 站，t i c 读数的差值陴( c ) 。一r ( a ) 2 如式( 2 - 5 ) 所示。 r ( c ) 一r ( a ) 1 2 = 一( 良一如) 2 + ( 屯一屯) 2( 2 5 ) 这里r ( c ) 。表示在对a 站进行配置时校准站c 的t i c 读数；同理，可以得到配置 b 站时的表达式( 2 6 ) 。 r ( c ) 口一r ( b ) 2 = ( c k z w ) 2 + ( d r s z ) 2 ( 2 - 6 ) 如果在两站的校准中d 。一谚。( 仅与校准站有关) 为常数，则通过这两次测量将得 到所期望的结果，如式( 2 7 ) 所示。 r ( c ) 口一只( 占) 】2 一 r ( c ) 一只( 彳) 】2 = 一( d r a 一( k ) 2 + ( c 一d r 。) 2( 2 - 7 ) 这样，在双向卫星时间传递中最困难的非交互问题就很容易通过校准站的方法而 解决。 一 o 双向卫星时间传递调制解调器的殒究 传播时延 与上行链路和下行链路相关的信号延时由式( 2 - 8 ) 给出。 一( d a s 一矿”) 2 + ( d m d ) 2 ( 2 - 8 ) 对于固定卫星服务( f i x e ds a t e l l i t es e r v i c e ，f s s ) 其上行载波频率一般为6 g 和1 4 g 。 与此相对应的下行频率为4 g 和1 2 g 。信号路径主要是自由空间中的对流层和电离 层。上行和下行链路本质上是相同的路径。对于对流层来说，群延时或者信号延 时是与频率无关的。而电离层的信号延时的频率相关性为1 厂2 。对于典型的仰视 角，这个延时项的差别很小，并且在取一半后，差别将更小。 卫星延时 卫星的转发时延d 。表示由a 站到b 站的信号在经过卫星时的延时；相反， d 。表示b 站到a 站的延时。一般来说卫星设备的延时变化是很小的，甚至对于 f d m a 方式，差别也仅为几纳秒。当使用c d m a 模式时，从每一个地面站来的信 号以相同频率通过相同卫星设备的延时是相同的，因此差别为零【6 】。 2 1 4 双向卫星时间传递多站传递原理 两站的双向卫星时间传递不能独立测定地面站到卫星的距离它仅仅能抵消 两个时间信号所通过路径的延时。 根据2 1 f 3 节的知识，可以得到两站之间时间传递t i c 的读数表示两者之间的 路径时延和钟差的总和可以用式( 2 9 ) 表示。 这里，r 表示1 p p s 离开，站时的时刻：7 ：为f 站检测到1 p p s 的时刻；f j 表示，站 设备的发射延时：f ? 表示信号从，站到卫星之间的传播时延：妒表示信号从卫星 1 到i 站的传播时延：矿表示f 站设备的接收时延：f ：为卫星的转发肘延。竺# 是 。 c 地球自转而引入的传播时延。正负号的选取由两站的地理位置和地球的自转方向 决定，当信号的传播方向和地球自转方向一致时，取负号；反之，则取正号。 通过2 1 3 节对信号各项延时的分析可知，在已知两站位置的条侔下，苎竺竺 r 就为一常数，可以归并到t i c 的读数足。里面去；考虑到在使用c d m a 方式时， 卫星转发时延是相等的，这样f ：和可以用珞来表示；由于卫星和某一基站之间 的传递路径是相同的，这里可以假设r ? = r ? = f ：在设备的发射和接收时间为常 数的情况下，式( 2 - 9 ) 可以改写为式( 2 1 0 ) 。 母 伫 等等 千 一 p ， + ， 十 + 妒 芎 + 一， 。 + + 一， ， 卜 + 一 z k 、 = = 巴 吩 第二章双向卫星时间传递系统 z ：囊+ + f h s 仔呐 【以= l z + 一+ 一+ h 一 定义： 毛= 霉一弓( 2 1 1 ) 对于三个站点的时间传递系统假设站1 为主站，定义所有的钟差都与站1 相关。 这样，可以定义墨：和互，弓，就可以根据式( 2 1 1 ) 计算出来。根据式( 2 9 ) 、( 2 。1 0 ) 及( 2 1 1 ) 可以得到观测方程的矩阵表示为： 101101 il 巧： 一1oll0l o1lo11 0110ll 一1l0l1l 1一l0l1l r 2 1 2 ) 上式中未知数的个数为六个，而方程正好也为六个。从理论上来说，可以得到唯 一的解。但是系数矩阵的秩为5 ，是不可解的。银显然，未知量和奄是相关的， 如果将。的一半加到，表示为：f + l 2 、= 彳，则观测方程的矩阵表示可以 简化为： a b = r ( 2 - 1 3 ) 这里：a = 1o 一10 01 ol l1 l一1 l1o llo 1o1 lol 0ll 01l 占= 巧：? i ，彳 r = 【置：坞。r i ，马，是，如】 式( 2 1 3 ) 可以通过最小二乘法解出。 爿7 一b = a 7 r f 2 ，1 4 ) 其中：4 7 4 = 4 -2 - 24 oo 00 oo o 0o o0 0 4 22 2 4 2 224 ，a 7 胄： ( r l ：一b ，) + ( 马：一是，) ( 焉，一玛。) + ( 马，一马：) ( 墨：+ 足，) + ( 墨。+ 玛，) ( 蜀：+ 马，) + ( r ，+ 岛：) ( r 。，+ b ，) + ( r ，+ 咫：) 根据系数矩阵a 7 a 的特点，由式( 2 - 1 4 ) 得到式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 。 匕德 1 糕麓：r 矧3 弘嘲 l 2 4 j l 墨，j l 墨：一马。+ ( r ，一：) 、。1 。7 如肠瓜m 肠如 正力以乃“ ! !翌壹至呈壁塑堡垒塑塑坚塑墅塑塑蒌 最终的解为： 卧 r l r 蜀 + r ， + 墨 足 r 。，+ r 3 。) 吃，+ r s 2 ) 1 ( 2 1 6 ) 氏十墨：) j 王：= 1 3 ( r ：一r 2 。) + 1 2 ( r 。- r 3 ，) + 1 2 ( 马：一r 2 3 ) 夏，= 1 1 3 ( 墨，一恐。) + 1 1 2 ( r i ：一 ：；) + i 1 2 ( 岛，一是：) r ? = 1 2 1 1 2 ( r 1 2 + r 2 ) + 1 2 ( r l ，+ r 3 。) 一1 1 2 ( r 2 3 + 月”) ( 2 - 1 7 ) r ；= 1 2 1 1 2 ( r ：，+ r ：) + 1 2 ( r ：，+ 马：) 一1 2 ( r 。，+ r 3 ) r ；= l 2 1 1 2 ( 足，+ r ，) + 1 2 ( 心：+ r 2 ，) 一1 1 2 ( r ；：+ 只：，) | 由于兀、的值与五，和五，是相关的，根据式( 2 - 1 1 ) ，其值可以由式( 2 - 1 8 ) 给出。 瓦，= 巧，一i ：= i 3 1 2 ( 尺：。一r 。：) + i 2 ( 置3 一r j 。) + ( r ，一r 3 ：) ( 2 1 8 ) 对于有n 站的系统，每一个地面站都有n 1 个独立的观测方程，所以整个系统 有n ( n i ) 个方程。如式( 2 - 1 1 ) 所定义的一样，以地面站i 为主站一这样： l = r t = i ，一互 ( 2 1 9 ) 每个地面站和主站l 之间的钟差都是独立的。这样，r 1 个站就有n 一1 个独立的钟 差，考虑到每一个基站到卫星之间的延时都是不一样的，所以，总的未知数的个 数为2 n 1 。当n 3 时，n ( n - 1 ) ( 2 n 1 ) ，这就意味着方程将有一组唯一的解，式( 2 - 2 0 ) 给出了n 站双向卫星时间传递观测方程的矩阵表示形式。 a b = r( 2 - 2 0 ) 其中：a 2 ，：。一，j ：一 1000ol l00 00 1000 0l100 00 0l00 0l0l0 00 0 一l0 00l 0 io 00 0010 0l00l 00 00 1 001 0 0l 00 - - t - - 一i10 ooo l lo 00 11o000110 00 - _。 o00 一l10 0 00 i 1 000 l一100 00 l1 b = r7 ；：互，互。彳c 丁 第二章双向卫星时间传递系统 r = 曷：r ：r ，马。r 。r ，r ：，马：r 2 4 r 4 ： 还是通过最4 , - 乘法来解方程组。 a 7 a b = a 7 r 得到最终的结果如式( 2 - 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 所示。 瓦= 1 h 笔e1 2 ( r ：一心) + i 2 ( r 旷r j ，) s = 1 ( 2 ( n 一2 ) ) f ( 以+ r , , ) - i ( n - o bl l hnn i l ，l，l i ，1 j 瓦= l l n