不同比对方式下的洲际标准时间复现性能分析

中国科学院国家授时中心研制的标准时间复现系统具备支持洲际用户对标准时间频率信号的需求。本文以位于欧洲白俄罗斯明斯克的复现终端为分析对象,分析了共视、全视不同比对方式对复现时频信号性能的影响。对于洲际范围的时间复现,复现终端与参考端共同可视卫星数变少。单一卫星导航系统可利用的共视卫星数明显减少,GPS/BDS共视可明显增加可视卫星数量,提高共视时间比对精度,全视比对对两地共同可视卫星数没有要求。分析结果表明,单GPS全视比对就可以达到优于GPS/BDS的共视比对复现效果。受BDS卫星星间偏差的影响,基于单BDS全视比对的复现效果比GPS稍差,GPS/BDS全视比对效果略有改善。复现终端运行在GPS/BDS共视比对融合GPS全视比对模式复现的时频信号的性能最优,可以满足洲际范围内5 ns的时间同步要求,为后续洲际大尺度范围的标准时间复现终端的运行模式提供参考。

多基准终端星站钟差融合方法对比分析

随着科技的发展,国民经济、国防建设等行业对高精度时间的要求越来越高。目前通过标准时间复现系统可以实现2 ns以内的授时精度,但是仍然不能满足一些高精度时间频率用户的需求。当前使用的单一基准站在实际观测中会产生随机误差从而影响复现结果,为了将随机误差降到最小,提出了4种基于多基准终端的钟差数据融合方法,用于提高系统中标准时间的复现精度。通过对这4种方法进行分析研究,发现通过将各个基准终端GPS(global positioning system)和BDS(Beidou navigation satellite system)的星站钟差数据分开进行3σ剔除粗差后,再进行加权平均的方法,复现效果最优,可以有效解决只用单一基准终端数据所造成的复现精度低的问题,通过测试分析,相较使用单一基准终端,使用多基准终端的复现精度可由2 ns提升至0.35 ns。

最大时间间隔误差与Allan方差关系研究

最大时间间隔误差和Allan方差都是常用于对时间频率信号生成与传递系统进行分析或评价的统计量。在有些应用中,测量最大时间间隔误差较测量Allan方差更为方便。为了确定一个信号的最大时间间隔误差和Allan方差之间是否存在一定的统计关系以及是否可以通过最大时间间隔误差对Allan方差做出估计,介绍了最大时间间隔误差和Allan方差的数学定义,通过数学分析推导,得到了最大时间间隔误差与Allan方差之间不能直接换算,而最大时间间隔误差一定时Allan方差存在上限。该关系对不同取样时间都成立。对幂律谱模型中常见的5种噪声类型,使用计算机程序生成每种噪声条件下的数值数据,对这一关系做了验证。数学推导计算和数值数据验证都表明:根据数据的最大时间间隔误差可以确定其Allan方差的上限。

基于“北斗”三号PPP-B2b的定位与时间传递

随着“北斗”三号的建成以及通过GEO卫星进行播发的PPP-B2b信号的公布,“北斗”卫星的定位与定时精度再一次得到提升。为了研究PPP-B2b的定位精度以及时间传递性能,开展了对“北斗”三号的PPP-B2b相关实验。首先选取亚太地区的6个测站静态与动态精密单点定位E(East)、N(North)、U(Up)方向上的误差分析,然后又选取了NTSC与USUD测站进行时间传递稳定度分析。定位结果表明,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b静态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在4.58 cm,5.34 cm,2.2 cm与4.18 cm,4.97 cm,2.22 cm,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b动态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在17.99 cm,19.41 cm,12.72 cm与22.47 cm,21.61 cm,15.11 cm,两种组合表现出定位精度的一致性。PPP-B2b零基线共钟的时间传递普遍在1 ns内波动,时间传递的STD为0.203,10^(5) s的稳定度达到了5.336×10^(-15);PPP-B2b长基线的时间传递普遍在5 ns内波动,时间传递的STD为1.585,10^(4) s稳达到了3.55×10^(-14)。因此,B2b产品能够满足亚太地区厘米级定位以及纳秒级授时的要求。

基于最优控制理论的国产光抽运小铯钟频率控制算法

原子钟频率控制是时间保持工作中的关键技术.当前守时工作中的频率控制主要针对国外微波钟采用开环控制算法,但由于国产光抽运小铯钟(下称国产钟)的工作原理和性能不同于国外同类型原子钟,因此该算法不能很好适应国产钟.为了提升我国标准时间的自主性和安全性,本文基于国产钟的噪声特性,在最优控制理论的框架下研究了线性二次高斯控制算法,该算法属于闭环控制算法,从同步时间、频率控制准确度和频率控制稳定度方面研究国产钟性能,最后分析了不同控制间隔对国产钟性能的影响.结果表明随着二次损失函数中约束矩阵W_(R)的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高.W_(R)相同情况下,随着控制间隔的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高,对于W_(R)=1时,控制间隔为1 h的同步时间为5小时,控制准确度为1.83 ns,1 h的Allan偏差为1.81×10^(-13);控制间隔为8 h的同步时间为28 h,控制准确度为4.48 ns,1 h的Allan偏差为1.48×10^(-13).控制国产光抽运小铯钟的中长期稳定度都得到提高.

基于卡尔曼滤波的综合脉冲星时驾驭原子时算法研究

利用综合脉冲星时(PT)具有较好长期频率稳定度的优点,将原子时驾驭到综合脉冲星时,可以改进其长期频率稳定度水平。文章描述了综合脉冲星时驾驭原子时的卡尔曼滤波方法。以美国海军天文台地方原子时TA(USNO)为例,采用卡尔曼滤波方法将地方原子时驾驭到国际原子时TAI,进而利用综合脉冲星时PT数据将其再驾驭到综合脉冲星时系统,最后得到经过2次频率驾驭后的PT-TA(USNO)钟差序列。考虑到综合脉冲星时PT包含有较大白频噪声,利用滤除其高频噪声后的PT驾驭原子时,能够获得更佳频率驾驭效果,驾驭后的钟差序列长期频率稳定度有明显提高。采用同样算法,将美国国家标准和技术研究院地方原子时TA(NIST)驾驭到TAI,再驾驭到PT,也得到相似结果。

VLBI观测对转发式测距GEO卫星定轨精度的贡献分析

联合甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)时延数据与转发式(orbit determination by transfer tracking,ODTT)测距数据能够有效提高地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星定轨精度。参照位置精度衰减因子(position dilution of precision,PDOP)的改变,研究不同VLBI基线时延数据与转发式测距数据的联合对GEO卫星定轨精度的改善,可为特定条件下联合观测时VLBI基线的最优选择提供参考。基于中国科学院国家授时中心宽带VLBI系统和转发式测轨系统的实测数据,开展中星12号GEO卫星的定轨试验。试验结果表明定轨精度的提高与PDOP的降低成正相关。相比于转发式单独定轨,联合VLBI系统中的喀什—三亚基线,PDOP降低了3.00,定轨精度提高了11.48%;联合VLBI系统中的吉林—喀什基线,PDOP降低了3.38,定轨精度提高了14.73%;联合VLBI系统中的吉林—三亚基线,PDOP降低了6.90,定轨精度提高了19.75%;联合VLBI系统中的吉林—三亚和吉林—喀什两条基线,PDOP降低了9.94,定轨精度提高了27.23%。

温度对GNSS卫星共视设备时延的影响分析

在高精度地基授时系统中,新建的增强型罗兰授时系统与现有长波授时系统相结合,将实现长波授时信号全国土覆盖,通过差分技术,实现国家标准时间在重点区域授时精度优于100 ns。GNSS(global navigation satellite system,GNSS)卫星共视设备为差分技术提供时间频率信号,对GNSS卫星共视设备的环境适用性提出了要求,作为高精度授时设备,设备时延的准确度关系到授时精确度,是影响系统时间统一的核心要素。本文研究了在不同环境温度下GNSS卫星共视设备的时延变化,通过实验验证了GNSS卫星共视设备的设备时延与温度变化呈正相关关系,当温度从-20℃升高至60℃时,设备时延变化了近3 ns,同时说明了设备在-20℃~60℃环境温度范围内是可以正常工作的。此研究结果对增强型罗兰授时系统差分增强系统的用时统一起到了积极作用,通过监测环境温度变化实时修正GNSS卫星共视设备时延提高其授时精度,扩展了GNSS卫星共视设备的应用场景。

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sen-tinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1min,低轨卫星钟差预报精度(预报与解算值之差的RMSE)在0.1ns之内,当预报时长小于5min,预报精度在0.3ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。

基于低通滤波器的原子钟时差测量数据降噪处理及其性能分析

时间间隔计数器是守时中获取原子钟比对数据最常见的比对设备,但其获取的比对数据会受硬件性能、被测信号质量和测量方法的影响,在测量脉冲信号之间的时间差时,引入一定的不确定度。直接使用原始数据对原子钟中短期稳定度评估可能会带来不可忽略的影响,简要分析了经Savitzky-Golay滤波器降噪后的计数器测量噪声与频率稳定度之间的关系,并结合K折交叉验证方法确定了滤波器各项参数,以避免滤波失真。实验表明在滤波器多项式阶数为2,窗口宽度为141时,所获得的时差数据滤波后能够准确反应被测原子钟平均时间为100 s及以上的频率稳定度,为准确评估原子钟的短期稳定度提供了一种有效的数据处理方法。

基于IERS1972—2023年间日长变化数据的中短周期分析

近年来地球自转加速现象引起时间保持领域的特别关注。利用国际地球自转和参考服务(IERS)提供的1972—2023年地球定向参数序列EOP C04数据,定位到最近的一次日长变化ΔLOD的拐点发生时间在2015—2016年间。本文针对地球自转加速是否会导致ΔLOD序列的中短周期项发生改变这一问题开展研究,采用了经验模态分解和快速傅里叶变换方法对拐点前后ΔLOD序列的中短周期项及其误差进行了细致的比较分析。数据分析表明,在目前数据和周期分析工具的精度水平上,未探测到由于地球自转加速导致的ΔLOD数据9.131,13.666,27.566,182.625和365.250 d周期成分的周期改变。

基于DP83640的秒脉冲移相器设计与实现

使用DP83640 IEEE 1588精密时间协议(PTP)收发芯片设计实现了一款秒脉冲精密移相器,它能与外部的标准秒脉冲(1 PPS)进行同步并进行精密相位微调,可应用于高精度相位微跃器。秒脉冲移相器采用DP83640芯片进行级联实现秒脉冲精密移相:利用ARM微处理器控制第二级DP83640实现与外部标准秒脉冲的相位粗调,控制第一级DP83640实现相位微调。相位调整时将外部输入的相位偏移量换算为8 ns整周期倍数的相位粗调值,以及不同时间长度档位的相位微调值,分别写入第二级和第一级DP83640共同实现高精度相位微跃。由于硬件电路特性和器件综合噪声的影响,经测试平均相位微跃准确度可以达到0.1 fs。

数字预失真系统整数时延估计方法研究

在数字预失真系统中,相关检测法是常用的时延估计算法。为了降低相关函数对噪声的敏感度,减少数字预失真系统时间延迟估计误差,将希尔伯特差值法和不同加权函数的广义相关时延估计算法相结合,并通过仿真比较,选取时延估计性能较好的基于CC(cross correlation)加权的广义相关希尔伯特差值算法用于数字预失真系统的整数时延估计。仿真结果表明:基于CC加权的广义相关希尔伯特差值算法用时较少,受噪声影响较小,时延估计性能较好,能有效降低时间延迟估计误差,提高系统性能,有利于实际应用。

利用射电暴发信号测量系统间时延的研究

利用中国科学院国家授时中心昊平站的射电望远镜,开展基于PSR J0534+2200发射的巨脉冲信号测量两个观测系统之间时间延迟的研究。两个时间频率参考信号不同的观测系统同时对射电望远镜接收到的PSRJ0534+2200脉冲星信号进行独立观测,一共观测4次,共观测4.5h。经测量,PSR J0534+2200发射的同一巨脉冲信号在两个系统中到达时间不同,巨脉冲到达时间之差即为两个系统之间的时间延迟。采用三次样条内插法和高斯拟合法对巨脉冲的轮廓拟合,将拟合轮廓的峰值相位作为巨脉冲的到达时间。通过对测量系统时延的误差统计,结果表明:利用原始轮廓的峰值相位测量系统误差均方根小于57µs,三次样条内插法测得均方根误差小于13µs,高斯拟合法测得均方根误差小于7µs。相较于利用原始轮廓的峰值相位测量系统误差,采用三次样条内插法以及高斯拟合法对于系统延迟的精度分别提升了3.9倍和8.6倍,为利用射电暴发信号进行高精度的时间同步打下基础。

基于区块链的GEO/LEO卫星网络安全认证技术研究

由于卫星网络高暴露、高时延的特点,不同系统星座组网进行遥控指令发布及遥测信息回传时,容易受到其他卫星恶意接入导致信息泄露。卫星网络安全认证成为天基测控实现过程中必须解决的技术问题。面向高轨和低轨双层卫星网络场景下的安全组网需求,提出了一种基于区块链的星间组网认证技术,该技术包括基于区块链的卫星身份认证和星间消息认证。研究设计将卫星临时身份登记上区块链,通过比对链上信息完成卫星的身份认证。为进一步增强消息传输安全性,采用椭圆曲线数字签名算法对星间消息进行签名验证。通过仿真分析,验证了所提技术能够以较小的时间开销满足卫星在组网认证阶段的多种安全需求。

一种时域频域综合处理消除射电干扰的方法

针对时域和频域无线电干扰的不同特征,提出了一种时域频域综合处理的消除脉冲星观测数据中射电干扰的方法。利用中国科学院国家授时中心昊平40 m射电望远镜观测的脉冲星计时数据和单个脉冲观测数据,对比分析了该方法与PSRCHIVE自动消干扰方法的效果。对计时观测数据消干扰结果表明,当阈值k=0.4时消干扰处理后信噪比达到最大,约为25.8,比原始数据信噪比提高大约3.8倍,比PSRCHIVE自动消干扰方法处理效果提高大约3.3倍。对单个脉冲数据消干扰结果表明,消干扰处理后信噪比比处理前信噪比提高大约5.8倍,比PSRCHIVE自动消干扰算法处理后信噪比提高约1.8倍。实验结果表明时域频域综合处理消除射电干扰的方法能够很好地消除无线电干扰信号对脉冲星观测数据的影响、提高脉冲星数据的信噪比、在一定程度上缓解了阈值选取带来的困难。

基于载波相位的视距内动态无线时间比对关键技术研究

针对视距内动态时间比对用伪距观测量解算钟差噪声较大的问题,用载波相位观测量可以大幅度减小解算钟差的噪声,但载波相位存在求解整周模糊度和周跳等问题。本文首先研究了双向伪距和载波相位测量原理以及配对解算钟差的方法,并提出了一种采样提取双向载波相位观测量的新方法,减小了双向载波相位因采样时刻不一致导致的链路非对称对钟差测量结果的影响。针对载波相位双向时间比对中整周模糊度的求解和周跳探测与修正2个技术难点,用改进的伪距法估算整周模糊度,并用卡尔曼滤波实时的探测修正周跳。最后搭建车载试验平台验证动态时间比对效果,载波相位相较于伪距双向时间比对的精度提升了71.3%,测量钟差的均方根误差达到了百皮秒量级。

ARM架构下的低轨卫星实时定轨精度及运算效率分析

针对基于ARM架构计算平台的低轨卫星实时定轨由于主频限制导致的运算效率瓶颈问题,旨在尽量不牺牲实时定轨精度的情况下,缩短对应实时窗口所需的预报时间,从而提高低轨卫星实时轨道精度及运算效率。本研究使用Sentinel-6A卫星星载GPS观测数据为例,结合法国国家空间研究中心(CNES)提供的GNSS实时精密产品,通过简化动力学方法在ARM架构服务器上进行基于批量最小二乘法的定轨及预报。研究分析了不同观测数据采样间隔、定轨弧长及拟合时长对定轨、预报轨道精度及运算效率的影响。结果表明,定轨弧长从24 h缩短至12 h的情况下,预报30 min轨道OURE及3D RMSE精度下降6.1%及5.9%左右,运算效率提高了45%~53%。相比于30 s采样间隔,延长采样间隔至120 s可使运算效率提高约41.72%,预报30 min轨道OURE精度下降2.56%左右,稳定在2到4 cm。在为轨道短期预报所测试的不同拟合时长中,当拟合时长为6 h,预报30 min轨道OURE精度最优,稳定在2~3.5 cm。

基于LabVIEW的光纤激光器稳频系统设计

本文利用工控机、NI数据采集卡、外围光路搭建激光稳频硬件系统,以调制转移光谱技术为基础,使用LabVIEW FPGA开发了一套单频光纤激光器数字稳频控制软件。基于调制转移光谱产生的伺服控制信号,通过采集误差信号,经PI处理后控制压电陶瓷伸缩,将780nm的激光频率锁定在铷原子的超精细跃迁谱线上。Allan方差结果显示,短期稳定度为1.52×10^(-11)@10s;长期稳定度优于1.56×10^(-11)@100000s,可连续运行20天以上。该数字稳频软件利用图形化编程语言,大大节约开发周期,操作界面直观简洁,方便用户分析处理。已成功应用于铷87喷泉钟系统中,且该稳频系统具有通用性,可应用于原子干涉仪、激光陀螺仪等精密测量领域。