[0002] 高精度時間比對技術已經滲透到國家科技、經濟、軍事和社會生活的諸多方面,隨著科學技術的發(fā)展,時間比對精度要求也越來越高。目前常用的高精度遠距離時間比對方法主要包括導航衛(wèi)星共視時間比對、基于通信衛(wèi)星的雙向時間比對和光纖時間比對。導航衛(wèi)星共視時間比對和雙向時間比對方法都可以實現遠距離的時間比對,比對距離可達上千公里,精度卻只能達到納秒量級。納秒級的時間比對精度并不能滿足許多
基礎前沿研究的需要,例如精細結構常數測量、引
力紅移測量等基礎物理實驗,對時間比對精度提出了更高的要求。目前可實現的精度最高的時間比對技術是基于光纖鏈路的,能達到幾十皮秒,但需要提前鋪建光纖鏈路,存在較大的應用局限性,例如深空探測要求時間比對的精度在幾十皮秒量級,然而光纖時間比對技術并不適用。且隨著比對距離的增加,光纖比對鏈路的
節(jié)點增多,時間比對性能也隨之下降。
[0003] 目前中國和歐洲都在建設空間站工程,軌道高度距離地面300至500公里,空間站配備高精度的
原子鐘,能產生比地面原子鐘性能更優(yōu)的時間
頻率信號,且空間站與地面之間規(guī)劃建設有
微波通信鏈路,通過微波鏈路可以實現地面原子鐘與空間站原子鐘的時間比對,應用傳統(tǒng)方法即可實現百皮秒精度的時間比對。如果把空間站當作中間媒介,即可以實現兩個地面站之間的遠距離時間比對。但是空間站的軌道特性一方面影響地面站的可視時間,另一方面使得時間比對的精度在百皮秒量級。為了達到和光纖時間比對相當的精度,需要克服空間站軌道誤差的影響,尋找新的時間比對方法。因此,如果能克服空間站軌道誤差的影響,利用空間站進行兩個地面站間的時間比對,一方面能達到和光纖比對相當的精度,另一方面也避免了搭建物理比對鏈路的應用局限性,具有更廣泛的應用范圍。此外,也能對光纖時間比對技術進行檢核,互相驗證。
[0004] 為了克服
現有技術的不足,本發(fā)明提供一種基于空間站的時間比對方法,能讓兩個地面站的時間比對精度優(yōu)于50皮秒,比對距離可達上千公里。該方法實現的比對精度和現有的最高精度的時間比對技術——光纖時間比對技術相當,且是基于自由空間的時間比對方法,不要提前鋪建物理鏈路,克服了光纖比對技術的應用
缺陷。
[0006] 1)挑選待比對地面站中的任意兩個,計算其軌道誤差對消時刻的判決因子flag=|cosαSA-cosαSB|+cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|,其中,αSA、βSA、γSA分別為空間站在某一時刻與其中一個地面站之間的矢量與軌道徑向、切向和法向之間的夾
角,αSB、βSB、γSB分別為空間站在另一時刻與另一地面站之間的矢量與軌道徑向、切向和法向之間的夾角,Thod為設定的判決
門限;仿真計算出flag小于等于Thod時的兩個時刻t1和t2即為兩個地面站分別進行軌道誤差對消的時刻;
[0008] 3)在兩個地面站放置空間站定時接收機,通過ρI=rI+c·δtI-S+εI計算兩個地面站與空間站的鐘差δtI-S,其中I表示不同的地面站,ρI為地面站I的定時接收機原始觀測量,rI為空間站到地面站的幾何距離,c為光速,εI為其它誤差修正項,包括電離層延遲、
對流層延遲、Sagnac效應影響、地球引力延遲和
廣義相對論的影響;
[0009] 4)在兩個地面站中選取原子鐘性能較優(yōu)的地面站,對其鐘差建模,模型表示為δtI-S=a+b×(t-t0),其中,a為常數項,b為一次項系數,t0為模型起點,通過采用普通的最小二乘法進行多項式擬合獲得;t表示在一個建模周期內當前時刻的秒累計數;
[0011] 6)分別設定兩個地面站A和B的數據搜索時段分別為[t1-T,t1+T]和[t2-T,t2+T],其中T為設定的數據搜索秒數;兩個地面站分別在數據搜索時段內進行數據搜索,并同時在
數據處理時段[t2-T,t2+T]內計算flag,對于滿足flag小于等于Thod的所有A站時刻ti和B站時刻tj,利用A站ti時刻的鐘差解算值δtA-S(ti)和B站t2時刻的鐘差解算值δtB-S(tj)計算A、B兩站在tj時刻的鐘差δtA-B(tj)=δtA-S(ti)+b×(tj-ti)-δtB-S(tj);
[0016] 在數據處理時段內,若t2-t1<2T,則兩個地面站在t2-T+f時刻利用A站[t1-T,t2-T+f-1]時段的數據和B站t2-T+f-1時刻的數據計算flag,f=2、3、…、2T+1。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是:充分利用國內外正在建設的空間站資源,主要涉及空間站高精度原子鐘和高性能微波比對鏈路資源,以空間站原子鐘作為媒介,實現兩地面站間的高精度時間比對,比對精度優(yōu)于50皮秒,比對距離可達上千公里。這是目前時間比對領域所能達到的在上千公里時間比對基線下的最高比對精度,比目前普遍采用的導航衛(wèi)星共視時間比對方法和衛(wèi)星雙向時間比對方法精度高兩個數量級,能夠滿足高精度基礎前沿研究的需要。另一方面,本發(fā)明所提出的時間比對方法是基于自由空間來進行的,不需要提前建設時間比對物理鏈路,避免了光纖時間比對方法需要提前鋪建光纖鏈路而帶來的應用局限性。本發(fā)明較現有的時間比對方法精度更高,應用范圍更廣。此外,本發(fā)明解決了空間站軌道誤差對時間比對精度的限制問題,拓寬了載人航天空間站在高精度時間比對領域的應用范圍。
附圖說明
[0023] 下面結合附圖和
實施例對本發(fā)明進一步說明,本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。
[0025] 1)結合A,B兩個地面站的坐標和空間站運行軌道,事先仿真計算出A,B兩站軌道誤差的對消時刻。軌道誤差對消時刻對兩個地面站來說并不一定是同時的,例如,A站t1時刻數據和B站t2時刻的數據進行軌道誤差對消處理,t1、t2的單位為秒。可以進行軌道誤差對消的時刻的選取依據為判決因子flag的計算公式flag=|cosαSA-cosαSB|+|cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|≤Thod,式中αSA、βSA、γSA分別為空間站在某一時刻例如t1時刻與地面A站之間的矢量與軌道徑向、切向和法向之間的夾角,αSB、βSB、γSB分別為空間站在某一時刻例如t2時刻與地面B站之間的矢量與軌道徑向、切向和法向之間的夾角,Thod為判決門限。空間站軌道誤差優(yōu)于0.1米,判決門限Thod一般設置為0.03,則空間站軌道誤差對消后的殘差對時間比對的影響小于10皮秒。仿真計算出flag小于或者等于判決門限時A,B兩站的任意觀測時刻,即為兩站可以進行軌道誤差對消的時刻。由于空間站運行軌道和地面站的關系具有以天為單位的周期重復性,所計算出的軌道誤差對消時刻也具有日重復性;
[0026] 2)確定兩個地面站間的時間比對時刻。通過計算出的軌道誤差對消時刻,確定兩地時間比對時刻,確定原則為:后發(fā)生的軌道誤差對消時刻為時間比對時刻。例如,A站t1時刻和B站t2時刻為軌道誤差對消時刻,t2晚于t1,則t2時刻為兩站的時間比對時刻,單位為秒;
[0027] 3)在A,B兩個地面站放置空間站定時接收機,用于監(jiān)測空間站原子鐘與地面站原子鐘的鐘差,通過ρI=rI+c·δtI-S+εI計算兩個地面站與空間站的鐘差δtI-S,其中I表示地面站,此處是A站或者B站,ρI為接收機原始觀測量,rI為空間站到地面站的幾何距離,c為光速,εI為其它誤差修正項,包括電離層延遲、
對流層延遲、Sagnac效應影響、地球引力延遲、廣義相對論的影響。電離層延遲通過雙頻觀測量計算求解,對流層延遲通過精確測量各項氣象參數和
水汽含量,通過常用對流層延遲模型即可求解,其它各項延遲也可通過專門的計算公式獲?。?/div>
[0028] 4)對A站近三天的歷史鐘差數據進行建模,如果沒有這么長時間的歷史數據,可以先用短期數據建模。由于需要進行幾十皮秒量級精度時間比對的地面站都配備高性能的原子鐘,老化系數的影響可以忽略,采用一次多項式進行建模即可滿足性能要求,目的是提取A站鐘差的線性變化系數。也可以對B站鐘差進行建模,一般選取AB兩站中原子鐘性能較優(yōu)的地面站對其鐘差建模,可以減少后續(xù)時間比對的誤差,提高比對精度。模型可以表示為δtA-S=a+b×(t-t0),t表示在一個建模周期內當前時刻的秒累計數,a為常數項,b為一次項系數,t0為模型起點,單位為秒,模型參數可以通過采用普通的最小二乘法進行多項式擬合獲得;
[0029] 5)兩站通過Internet網絡或無線專用網絡交換實時的鐘差解算數據,A站還需要把一次項系數發(fā)給B站,如果B站建模則B站把一次項系數發(fā)給A站;
[0030] 6)時間比對數據搜索和數據處理,以A站建模,t1、t2時刻分別為A站和B站的軌道誤差對消時刻,t2為時間比對時刻為例分別說明A、B兩站的數據搜索和處理方法。A站數據索時段為[t1-T,t1+T],B站數據搜索時段為[t2-T,t2+T],即在軌道誤差對消時刻前后T秒內進行數據搜索(T取值為600~3600),例如T為3600,則在軌道誤差對消時刻前后1小時內進行數據搜索。因為地球和其它天球的攝動力作用,空間站的軌道每天并不完全相同,會有小范圍的變化,以擴
大數據搜索范圍來適應空間站軌道的小幅度變化。A、B兩站的數據處理時段均為[t2-T,t2+T],即在時間比對時刻前后T秒內進行數據處理。在數據處理時段內,A、B兩站均對兩站在數據搜索時段內的數據計算flag,例如T=3600,兩站在t2-3599時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據或者[t1-3600,t2-3600]時段的數據(此時t2-t1<2T)和B站t2-3600時刻的數據計算flag,兩站在t2-3598時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據或者[t1-3600,t2-3599]時段的數據(此時t2-t1<2T)和B站t2-3599時刻的數據計算flag,以此類推,直到t2+3601時刻,該時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據和B站t2+3600時刻的數據計算flag。flag計算公式參見步驟1),空間站的軌道數據來源于微波下行鏈路中的數據信息。如果flag小于或者等于判決門限Thod,則進行時間比對計算。例如A站t1時刻和B站t2時刻計算的flag小于判決門限,則利用A站t1時刻的鐘差解算值δtA-S(t1)和B站t2時刻的鐘差解算值δtB-S(t2)計算A、B兩站在t2時刻的鐘差δtA-B(t2),計算公式為:δtA-B(t2)=δtA-S(t1)+b×(t2-t1)-δtB-S(t2),其中b為在步驟4)通過建模獲取的A站鐘差一次項系數。獲取了鐘差δtA-B(t2),也就完成了在t2時刻的兩站時間比對。同理,可以采用該方法完成其它時刻的時間比對。如果在步驟4)中采用的是B站鐘差數據建模,則在本步驟需要計算的是A、B兩站在t1時刻的鐘差δtA-B(t1),計算公式為δtA-B(t1)=δtA-S(t1)-(δtB-S(t2)+b×(t1-t2))。需要特別注意的是,如果在數據搜索和數據處理時段,地面站對空間站不可視,則自動跳過該時刻的數據搜索和處理。
[0031] 本發(fā)明的實施例包括以下1~8個步驟:
[0032] 步驟1.標定好需要進行時間比對的兩個地面站中空間站定時接收機天線所在地的坐標,例如為A、B兩個地面站;
[0033] 步驟2.利用仿真工具對一天的空間站軌道進行仿真,然后結合兩個地面站的坐標分別計算出兩個地面站一天內對空間站的可視時刻,并記錄在該時刻
時空間站的
位置坐標。計算可視時刻時的兩個地面站與空間站視線方向與空間站軌道徑向、切向和法向之間的夾角余弦值,對兩個地面站可視時刻的余弦值進行組合利用公式flag=|cosαSA-cosαSB|+|cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|計算判決因子flag,判決門限Thod設置為0.03。把flag值與判決門限進行比較,當flag值小于或者等于判決門限時記錄兩個地面站的觀測時刻,該時刻為一組軌道誤差對消時刻,以此循環(huán)計算,直到遍歷完兩個地面站所有的可視時刻的組合。把確定的軌道誤差對消時刻輸入兩站的時間比對數據處理
軟件;
[0034] 步驟3.對比步驟2中計算的每組軌道誤差對消時刻,把后發(fā)生的軌道誤差對消時刻確定為時間比對時刻,記錄時間比對時刻和該時刻可視空間站的地面站名,即記錄是地面站A還是地面站B在該時刻可視空間站。以此類推,確定完成所有的時間比對時刻。把確定的時間比對時刻輸入兩站的時間比對數據處理軟件;
[0035] 步驟4.連接原子鐘性能較優(yōu)的地面站的時間比對設備,例如地面站A原子鐘性能優(yōu)于地面站B,則按照設備連接圖連接好地面站A的各個時間比對設備,A站比B站提前采集空間站的觀測數據,例如提前一天,時間提前量可以適當增加。然后通過公式ρA=rA+c·δtA-S+εA計算面站A與空間站的鐘差δtA-S,εA包括電離層延遲、對流層延遲、Sagnac效應影響、地球引力延遲、廣義相對論的影響,電離層延遲通過雙頻觀測量計算求解,對流層延遲通過精確測量各項氣象參數和水汽含量,通過常用對流層延遲模型即可求解,其它各項延遲也可通過專門的計算公式進行計算;
[0036] 步驟5.對步驟4中獲取的地面站A與空間站一天的鐘差δtA-S進行建模,模型為δtA-S=a+b×(t-t0),a為常數項,b為一次項系數,t0為模型起點,此處為0,t為一天的秒累計數,模型參數可以通過采用普通的最小二乘法進行多項式擬合獲得;
[0037] 步驟6.在地面站A采集了一天的觀測數據并完成步驟5的操作后,連接地面站B的時間比對設備,并接入兩個地面站進行數據交互的網絡,兩個地面站均進行空間站的觀測并計算各自地面站原子鐘與空間站原子鐘的鐘差,同時兩地的鐘差數據通過數據交互網絡進行交互,A站還需要把在步驟5中確定的一次項系數發(fā)送給B站;
[0038] 步驟7.兩站的時間比對數據處理軟件在時間比對時刻前后1小時的時段內進行數據搜索并進行時間比對數據處理,則本實施例中T=3600。例如t1和t2為一組軌道誤差對消時刻,A站數據索時段為[t1-3600,t1+3600],B站數據搜索時段為[t2-3600,t2+3600],A、B兩站的數據處理時段均為[t2-3600,t2+3600]。在數據處理時段內,A、B兩站均對兩站在數據搜索時段內的數據計算flag,例如兩站在t2-3599時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據或者[t1-3600,t2-3600]時段的數據(此時t2-t1<2*3600)和B站t2-3600時刻的數據計算flag,兩站在t2-3598時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據或者[t1-3600,t2-3599]時段的數據(此時t2-t1<2*3600)和B站t2-3599時刻的數據計算flag,以此類推,直到t2+3601時刻,該時刻利用A站[t1-3600,t1+3600]時段的數據和B站t2+3600時刻的數據計算flag。如果在數據搜索和數據處理時段,地面站對空間站不可視,則自動跳過該時刻的數據搜索和處理。flag計算公式參見步驟2,空間站的軌道數據來源于微波下行鏈路中的數據信息。
[0039] 步驟8.如果步驟7中計算的flag小于判決門限Thod,則進行時間比對計算。例如A站t1時刻和B站t2時刻計算的flag小于判決門限,則利用A站t1時刻的鐘差解算值δtA-S(t1)和B站t2時刻的鐘差解算值δtB-S(t2)計算A、B兩站在t2時刻的鐘差δtA-B(t2),計算公式為δtA-B(t2)=δtA-S(t1)+b×(t2-t1)-δtB-S(t2),其中b為在步驟5通過建模獲取的A站鐘差一次項系數。獲取了鐘差δtA-B(t2),也就完成了在t2時刻的兩站時間比對。同理,可以采用該方法完成其它時刻的時間比對。如果在步驟5中采用的是B站鐘差數據建模,則在本步驟需要計算的是A、B兩站在t1時刻的鐘差δtA-B(t1),計算公式為δtA-B(t1)=δtA-S(t1)-(δtB-S(t2)+b×(t1-t2))。
[0040] 從上述實施步驟可知,本發(fā)明所提的基于空間站的高精度遠距離時間比對方法的實施過程主要包括軌道誤差對消時刻和時間比對時刻的初始計算、單站鐘差的預先建模、兩地實時鐘差的解算與數據交互、判決條件的計算與時間比對計算四大部分。前兩個部分屬于兩站時間比對數據的預先處理,為后面開展時間比對計算作準備。后兩個部分屬于時間比對數據的實時處理。最后一個部分——判決條件的計算與時間比對計算,可以在兩個站同時進行計算也可以僅在單站進行計算,兩個站同時計算則兩站都能同時獲取時間比對結果,單站計算則僅僅是該站能獲取時間比對結果,可以根據需要進行軟件配置。在本實施例中,兩地面站同時進行判決條件的計算與時間比對計算。
[0041] 由以上實施例可以看出,本發(fā)明的主要特點是利用判決因子flag來選取空間站軌道誤差對兩個地面站時間比對影響較小的時間比對時刻,充分利用高精度原子鐘的特性采用建模外推的方法實現兩個地面站的同時刻時間比對。本發(fā)明一方面解決了空間站軌道誤差對時間比對的影響問題,把軌道誤差的影響從百皮秒量級降低至十皮秒量級,使得利用空間站進行地面站間時間比對的精度大大提高,達到目前技術的最高精度。另一方面,由于兩個地面站的軌道誤差對消時刻可以是非同時發(fā)生的,即兩個地面站并不要求同時可視空間站也可以利用本發(fā)明進行時間比對,本發(fā)明改善了因為空間站的對地可見時間短而帶來的部分地面站間不能同時開展共視時間比對的缺陷。此外,從實施例還可以看出,本發(fā)明的時間比對信號是空間站發(fā)射的
電磁波,電磁波在自由空間傳播,不需要物理傳導介質。兩個地面站之間的數據交互網絡可以是Internet網絡也可以是無線傳輸網絡,也是非常方便即可實現的。因此,本發(fā)明較光纖時間比對技術具有更廣泛的應用范圍。