基于双移动校准站的卫星双向时间传递系统校准实验分析研究

作     者：史琛 

作者单位：中国科学院研究生院(国家授时中心) 

学位级别：硕士

导师姓名：李孝辉;刘娅

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：卫星双向时间频率传递 设备时延校准 双移动校准站 

摘      要：基于卫星双向时间传递(TWSTFT)的远程时间比对是目前实现远距离高精度时间比对的主要的方法之一,能实现1ns的比对不确定度。研究发现目前TWSTFT性能提升主要受设备时延校准不确定度制约,国际电联ITU推荐了三种设备时延校准方法,分别是双站零基线法、卫星模拟器法和单移动校准站法,其中双站零基线法要求将设备安装在同一地点测试,不适用已经建成的地面站;卫星模拟器法用于校准设备的绝对时延,目前能校准到数百皮秒量级,但各站均需分别校准,且对环境适应性不强;单移动校准站法是目前最准确、常用的方法,测试时用一套单移动校准站分别与被校准地面站进行零基线测试,获得各站与单移动校准站的相对时延,相减后得到两被校准站的相对时延。资料显示,基于单移动校准站法校准设备时延不确定度为1纳秒,并且还存在仅支持校准同种类型的地面站,测试期间需要中断被校准站的正常测量,除非被校准地面站有额外可供校准的测试通道,但还需要校准通道间时延偏差,测试对TWSTFT链路中其它非对称因素不敏感等不足。因此,为提高TWSTFT的远程时间比对精度,解决现有校准方法存在的问题,本文提出了一种基于双移动校准站的卫星双向时间频率传递系统误差整体校准方法,试验测试证明,该方法能将系统误差校准到0.5ns以内。本文主要的研究工作如下:(1)研究了卫星双向时间传递中的各项误差来源,分析其影响,并进一步提出了改正方法,特别是设备时延受环境温度变化的影响、地面站发射时延的精确标定等方面;(2)提出了基于双移动校准站的卫星双向时间频率传递系统误差整体校准方法,使用一套双向移动校准站,与被校准的两个地面站并址安装,测试地面站设备时延、空间信号传输路径不对称分量总和,用于校准系统偏差;(3)设计并实施了多项测试实验,检验本文提出的双移动校准站方法的实际效果。测试试验包括基于零基线的自测试试验、与光纤双向系统的比测试验、以及在西安-喀什两地开展校准卫星双向地面站的系统误差的测试等。基于零基线自测试试验的目的在于检验双移动校准站标定其系统差的可行性,测试得到双移动校准站系统差的标准差为0.07ns,优于国际上知名实验室进行零基线测试的结果。与西安-临潼两地的光纤双向比对系统并行测试,目的在于验证双移动校准站是否具有高精度时间频率传递的能力,其测试不确定度优于0.2ns,测试结果表明双移动校准站具有亚纳秒级的高精度时间频率传递能力。校准西安-喀什两地基线约3000km的卫星双向比对系统,目的在于检验双移动校准站校准实际双向链路的能力,其测试不确定度优于0.2ns,测试结果反映利用双移动校准站对固定站双向链路进行校准是切实可行的。