(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

當(dāng)今各種大型軍、民用無線電通信網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航/陸基導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、電子偵察與雷達(dá)網(wǎng)、航天測(cè)控與深空探測(cè)網(wǎng)等電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，絕大部分都屬于同步系統(tǒng)，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行是建立在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)具備同步關(guān)系的基礎(chǔ)上。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)一般由表征時(shí)間起始點(diǎn)的秒脈沖(1 PPS)和對(duì)應(yīng)的鐘面時(shí)(時(shí)間計(jì)數(shù)值)組成，而標(biāo)準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)一般依靠10 MHz(或5 MHz)的晶振或更高穩(wěn)定度的原子鐘(銣鐘、銫鐘、氫鐘、原子鐘組等)產(chǎn)生。

本文討論的高精度時(shí)間頻率傳遞主要指時(shí)間同步精度優(yōu)于20 ns、頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)優(yōu)于10-11量級(jí)的情況。在這種精度條件下，要想通過遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)時(shí)鐘調(diào)整或者動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率基準(zhǔn)相位來實(shí)現(xiàn)物理上的完全時(shí)間頻率同步有一定的困難。因此，高精度時(shí)間傳遞的方法是節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘初始同步到一定程度后，殘余時(shí)差用節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)差測(cè)量值來表示；高精度頻率傳遞方法是把節(jié)點(diǎn)間頻差調(diào)整接近到一定程度后，殘余量依靠節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)頻率差值來表示。

當(dāng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間分布廣、距離間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過視距范圍的時(shí)候，必須建立起遠(yuǎn)距離時(shí)間與頻率的傳遞與測(cè)試手段。目前被國際電信聯(lián)盟組織(ITU)認(rèn)可的技術(shù)手段主要有雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法[1]和GPS衛(wèi)星共視法(Common View,CV)[2]。

2 國外發(fā)展情況

雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法和GPS衛(wèi)星共視法的研究最早由世界各國天文臺(tái)與授時(shí)中心開展并普及，以替代傳統(tǒng)的搬運(yùn)鐘方式，簡(jiǎn)化了工作繁雜程度，提高了數(shù)據(jù)收集的精度和實(shí)時(shí)性。目前，國際原子時(shí)(TAI)和協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)由全球65個(gè)天文臺(tái)的250臺(tái)氫鐘和銫原子鐘為基礎(chǔ)[3]，分布如此之廣的高精度和高穩(wěn)定度時(shí)間頻率基準(zhǔn)主要靠這兩種技術(shù)，以不同的組合來完成各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集。

雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)法試驗(yàn)最早于1962年在美英之間開展[4]，并從頻分體制(FDMA)逐漸發(fā)展為擴(kuò)頻體制，因?yàn)榫茸罡?，一般作為全球時(shí)間頻率傳遞和比對(duì)的最高標(biāo)準(zhǔn)。這種方法還可以采用地面微波、光纖等介質(zhì)，最新的擴(kuò)展應(yīng)用包括動(dòng)態(tài)目標(biāo)(飛機(jī)、衛(wèi)星)與地面固定站之間的時(shí)間頻率比對(duì)，以及兩個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)之間的時(shí)間頻率比對(duì)。

衛(wèi)星共視法試驗(yàn)開始于1980年，最早由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)的前身與美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)開展[5]。近年來，在GPS共視法的基礎(chǔ)上又發(fā)展了利用GPS載波相位實(shí)現(xiàn)時(shí)間頻率傳遞的GPS載波相位法(CP)，平滑時(shí)間比GPS共視法短，測(cè)量精度與最終的處理結(jié)果精度更高，可以與雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)法等價(jià)。但由于需要借助IGS精密星歷與模型、事后處理解算載波整周模糊度等，數(shù)據(jù)處理最復(fù)雜，天線相位中心、設(shè)備硬件時(shí)延的標(biāo)定與穩(wěn)定性要求也更高，限于實(shí)時(shí)性要求不高的高精度應(yīng)用。

目前，兩種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全球大型通信網(wǎng)絡(luò)、高精度無線電測(cè)量網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程時(shí)鐘馴服、遠(yuǎn)程分布組合鐘等領(lǐng)域。美國的GPS、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)，歐洲的Galileo、EGNOS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中普遍采用了這兩種技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)時(shí)鐘的合成，對(duì)衛(wèi)星鐘的連續(xù)觀測(cè)，以及實(shí)現(xiàn)站間或者星地之間的時(shí)間頻率同步。深空探測(cè)全球分布的測(cè)量站之間的接力觀測(cè)也依賴這兩種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)站間時(shí)間與頻率基準(zhǔn)的相干。

3 工作原理

3.1 GPS共視法原理

GPS共視法[6]是參與比對(duì)的雙方采用專用的多通道共視接收機(jī)在同一時(shí)刻分別測(cè)量本地與同一組導(dǎo)航衛(wèi)星之間的偽距(星地時(shí)間不同步條件下的距離測(cè)量值，含有真實(shí)距離、星地鐘差及其它空間大氣延遲)，對(duì)連續(xù)測(cè)量的這兩組偽距進(jìn)行互差及修正處理，就可以解算出節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差與頻率差。GPS共視法原理見圖1。

圖1 GPS共視法工作原理

設(shè)ρSA、ρSB分別是同一時(shí)刻地面A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的共視接收機(jī)以本地鐘面時(shí)為準(zhǔn)測(cè)量的接收機(jī)天線與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的偽距測(cè)量值，一般盡量采用高仰角觀測(cè)衛(wèi)星，理想環(huán)境條件下偽碼測(cè)距精度可以優(yōu)于0.5 ns，表示為

ρSA=RSA+TA-TS+(dhardS+dhardA)+

dtropSA+dionSA+MpA+n

(1)

ρSB=RSB+TB-TS+(dhardS+dhardB)+

dtropSB+dionSB+MpB+n

(2)

這對(duì)偽距測(cè)量值互差計(jì)算，就可以推導(dǎo)得到地面A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)差為

dTAB=TA-TB=(ρSA-RSA)-

(ρSB-RSB)-(dhardA-dhardB)-

(dionSA-dionSB)-(dtropSA-dtropSB)-

(MpA-MpB)+n

(3)

式中，TA為A節(jié)點(diǎn)鐘面時(shí)刻，TB為B節(jié)點(diǎn)鐘面時(shí)刻。其它參數(shù)如下：

(1)RSA、RSB是當(dāng)前時(shí)刻的地面接收機(jī)與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，需要利用天線精確坐標(biāo)和導(dǎo)航衛(wèi)星精密星歷計(jì)算得到。地面天線坐標(biāo)測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 m，GPS自身星歷誤差對(duì)測(cè)距精度的影響在0.8 m左右[7]，也可以采用國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)國際GPS服務(wù)網(wǎng)(IGS)發(fā)布的GPS高精度星歷，精度更高，但時(shí)間滯后較多，適用于實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用；

(2)dion是當(dāng)前時(shí)刻的地面接收機(jī)與衛(wèi)星之間L頻段導(dǎo)航信號(hào)傳播路徑上的電離層延遲，是較大的誤差項(xiàng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)小于200 km時(shí)，兩個(gè)傳播路徑上的電離層延遲近似，可在互差計(jì)算中對(duì)消。當(dāng)比對(duì)雙方空間跨度特別大的時(shí)候，雖然是同一個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，但兩個(gè)傳播路徑分別穿過電離層的傳刺點(diǎn)和穿越路徑長(zhǎng)度差異太大，互差計(jì)算不能對(duì)消，對(duì)比對(duì)精度的影響較大，單頻用戶可以采用GPS電文廣播的Klobuchar電離層模型來降低電離層延遲的影響，也可以把采集數(shù)據(jù)的時(shí)間選在午夜之后至太陽升起之前電離層活動(dòng)較平靜的時(shí)段，但對(duì)于高精度要求的用戶，最好采用雙頻接收機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)計(jì)算電離層延遲，可以達(dá)到約0.3 m精度；

(3)dtrop是當(dāng)前時(shí)刻地面接收機(jī)與衛(wèi)星之間L頻段導(dǎo)航信號(hào)傳播路徑上的對(duì)流層延遲。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間距離很近的情況下兩個(gè)傳播路徑上的對(duì)流層延遲近似相等，可在互差計(jì)算中對(duì)消。當(dāng)參與比對(duì)雙方空間跨度特別大的時(shí)候，對(duì)流層穿越路徑差異太大，互差計(jì)算不能對(duì)消，可以利用各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度、濕度、氣壓值結(jié)合專用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鏗opfield或Saastamoinen模型來計(jì)算消除，高仰角條件下可以達(dá)到約0.2 m精度；

(4)dhardS是衛(wèi)星發(fā)射通道硬件時(shí)延，互差計(jì)算可以消除；

(5)dhardA、dhardB是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別配置的共視接收機(jī)的通道硬件時(shí)延，互差計(jì)算不能消除，需要定期通過硬件時(shí)延零值校準(zhǔn)來扣除，在工作過程中還需要保持工作環(huán)境的恒溫，以保持硬件零值的穩(wěn)定；

(6)Mp是當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)的多路徑效應(yīng)，隨衛(wèi)星仰角的變化緩慢變化，不同站址環(huán)境不同，差異較大，也不能對(duì)消。一般通過合理選擇天線架設(shè)高度、位置，接收機(jī)配置抗多路徑扼流環(huán)天線、抗多徑算法、后處理算法等來降低多路徑的影響；

(7)n是系統(tǒng)及測(cè)量噪聲。

由于GPS接收機(jī)測(cè)量精度易受環(huán)境干擾和多路徑影響，另外GPS是中軌衛(wèi)星，過境時(shí)間有限，導(dǎo)致連續(xù)比對(duì)過程中需要間段性的換星工作。因此，為了最終時(shí)差結(jié)果的穩(wěn)定與精度，一般采用多星共視法，對(duì)連續(xù)測(cè)量的多星多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理：

(ρsB(k,i)-RsB(k,i)]

(4)

式中，i是參與平滑計(jì)算的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)，N是移動(dòng)平滑窗的次數(shù)，k是參與共視計(jì)算的衛(wèi)星計(jì)數(shù)，M是參與計(jì)算的衛(wèi)星數(shù)量。

由于需要精密衛(wèi)星星歷，因此共視法一般只能采用導(dǎo)航衛(wèi)星，而不能選擇一般的通信衛(wèi)星，可利用的資源包括GPS、GLONASS、“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星、Galileo以及WAAS、EGNOS等衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。

為了獲得最高精度的比對(duì)結(jié)果，要求地面配置設(shè)備具備以下條件：

(1)配置專用GPS多通道共視接收機(jī)，區(qū)別于一般的商業(yè)或者導(dǎo)航定位用戶機(jī)，兩者之間的主要區(qū)別：

1)共視接收機(jī)采用被測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)、頻率基準(zhǔn)，接收機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)(1 PPS)穩(wěn)定，一旦完成初始同步，測(cè)量過程中不再動(dòng)態(tài)調(diào)整跟蹤GPS時(shí)間，以保持原始測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性；而普通導(dǎo)航定位接收機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)漂移速度受內(nèi)部晶振準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的影響，快速漂移后需要不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整跟蹤GPS時(shí)間，而時(shí)鐘調(diào)整過程中會(huì)導(dǎo)致時(shí)差測(cè)量結(jié)果的突跳；

2)共視接收機(jī)硬件時(shí)延的溫度穩(wěn)定性要求高，需要特殊設(shè)計(jì)和工作環(huán)境條件保障；

3)為了提高比對(duì)精度，采用民用雙頻接收機(jī)以測(cè)量電離層延遲，GPS軍用導(dǎo)航頻率L2信號(hào)的接收采用無碼接收技術(shù)，設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)更高；

(2)為了把兩處的測(cè)量數(shù)據(jù)收集到一起進(jìn)行處理，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間需要建立數(shù)據(jù)通信鏈路，例如衛(wèi)星通信(簡(jiǎn)稱衛(wèi)通)、電話線、Internet網(wǎng)等；

(3)需要配置氣象采集設(shè)備，獲取溫、濕度、氣壓數(shù)據(jù)用于對(duì)流層延遲的消除； IGS發(fā)布的精密星歷可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取。

GPS共視法的優(yōu)點(diǎn)是大量用戶可以同時(shí)比對(duì)互不影響，地面站只接收導(dǎo)航信號(hào)而不用發(fā)射信號(hào)，設(shè)備配置簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低。同時(shí)從以上分析中我們也可以看到，共視法實(shí)際應(yīng)用中影響精度的因素比較多：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面的功率很弱，而共視接收機(jī)需要同時(shí)接收大空域分布的多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，采用寬波束低增益天線，因此信號(hào)穩(wěn)定接收與測(cè)量精度都極易受外界干擾和多徑環(huán)境的影響；最終實(shí)現(xiàn)的精度受站址坐標(biāo)、星歷精度影響大，空間傳輸過程中的各種誤差項(xiàng)隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離、空間分布不同差別也較大；數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度相對(duì)較高，必須依靠長(zhǎng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)平滑或者后處理來提高精度，處理的時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性有限。理想情況下，GPS共視法能夠?qū)崿F(xiàn)5～10 ns的時(shí)間同步精度，頻率同步精度為1×10-14量級(jí)[6]。

3.2 雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞原理

雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法[8]的比對(duì)雙方配置同樣的專用衛(wèi)通終端，利用同步通信衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)器作為時(shí)間頻率信息的遠(yuǎn)程傳遞媒介。同步通信衛(wèi)星具備對(duì)地球大范圍的覆蓋能力，透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作方式簡(jiǎn)單穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)隊(duì)列或調(diào)度引入多余的時(shí)延。ITU標(biāo)準(zhǔn)建議采用擴(kuò)頻信號(hào)體制[1]，擴(kuò)頻體制的優(yōu)勢(shì)在于：

(1)同一條鏈路可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)比對(duì)雙方時(shí)間頻率信息與數(shù)據(jù)信息的互傳；

(2)擴(kuò)頻體制能夠提供更高的時(shí)差測(cè)量精度和抗干擾能力；

(3)采用碼分多址體制(CDMA)，同一通信頻點(diǎn)可以支持比對(duì)雙方同頻工作，保持雙方信號(hào)通過衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的硬件時(shí)延相同；而且CDMA體制還可以支持更多用戶在本頻率上同時(shí)進(jìn)行比對(duì)工作。

正式工作中，比對(duì)雙方的衛(wèi)通終端在本地鐘面時(shí)刻向?qū)Ψ桨l(fā)送擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)信號(hào)，擴(kuò)頻碼前沿對(duì)應(yīng)本地時(shí)間1 PPS的起始延；同時(shí)衛(wèi)通終端也接收并精確測(cè)量對(duì)方發(fā)射信號(hào)經(jīng)過整個(gè)空間傳輸過程的偽距(站間時(shí)間不同步條件下信號(hào)空間傳輸路徑的距離測(cè)量值，含有真實(shí)傳輸路徑距離，站間鐘差，上下行鏈路所有的大氣延遲，以及衛(wèi)星、地面設(shè)備收發(fā)硬件時(shí)延)。測(cè)量結(jié)果作為通信數(shù)據(jù)雙方彼此互發(fā)，這一對(duì)偽距測(cè)量結(jié)果互差計(jì)算并修正，可以解算得到節(jié)點(diǎn)間的時(shí)差和頻差。雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法的工作原理見圖2。

圖2 雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞原理

設(shè)ρASB、ρBSA分別是同一時(shí)刻地面A、B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比對(duì)終端測(cè)量的高精度擴(kuò)頻偽距測(cè)量值，由于工作信號(hào)強(qiáng)、C/No高，偽距測(cè)量精度可以優(yōu)于0.5 ns，表示為

ρASB=RASB+(TA-TB)+

(dThardA+dShardAB+dRhardB)+

dtropASB+dionASB+SagnecASB+n

(5)

ρBSA=RBSA+(TB-TA)+

(dThardB+dShardBA+dRhardA)+

dtropBSA+dionBSA+SagnecBSA+n

(6)

這對(duì)偽距測(cè)量值互差計(jì)算，就可以推導(dǎo)得到地面A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)差為

dTAB(t)=TA-TB=

(7)

式中，TA為A節(jié)點(diǎn)鐘面時(shí)刻，TB為B節(jié)點(diǎn)鐘面時(shí)刻。其它參數(shù)如下：

(1)RASB、RBSA分別是A節(jié)點(diǎn)經(jīng)過衛(wèi)星到B節(jié)點(diǎn)的路徑傳輸時(shí)延，以及B節(jié)點(diǎn)經(jīng)過衛(wèi)星到A節(jié)點(diǎn)的路徑傳輸時(shí)延；由于同步衛(wèi)星位置穩(wěn)定，理論上可以認(rèn)為兩者完全相等，互減計(jì)算可以對(duì)消；

(2)SagnecAB是信號(hào)在空間傳輸這段時(shí)間內(nèi)地球自轉(zhuǎn)引入的路徑誤差，稱為Sagnec效應(yīng)，誤差范圍取決于衛(wèi)星和節(jié)點(diǎn)A、B的空間位置，最大可以達(dá)到約100 ns[4]，但對(duì)衛(wèi)星、站址坐標(biāo)的精度并不敏感，可以利用粗略坐標(biāo)計(jì)算予以消除；

(3)dtropASB、dtropASB分別是A節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星到B節(jié)點(diǎn)整個(gè)路徑上的對(duì)流層延遲，以及B節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星到A節(jié)點(diǎn)整個(gè)路徑上的對(duì)流層延遲，兩個(gè)方向上的傳輸路徑相同，且對(duì)流層是非色散介質(zhì)，對(duì)不同頻率電磁波的延遲相同，互差計(jì)算可以對(duì)消；

(4)dionASB、dionBSA分別是A節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星再到B節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路上兩次穿越電離層的延遲，以及B節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星再到A節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路上兩次穿越電離層的延遲。電離層具有色散性，延遲量近似與工作頻率的平方成反比。本雙向傳輸方案中上行下行工作頻點(diǎn)不同，電離層延遲實(shí)際上存在差異，但由于衛(wèi)通工作頻段一般選擇Ku頻段(或C、X、Ka頻段)等高頻段工作，電離層延遲極小，互差計(jì)算后的影響遠(yuǎn)小于納秒量級(jí)，可以忽略不計(jì)；

(5)dRhardA、dThardA、dRhardB、dThardB分別是節(jié)點(diǎn)A、B接收/發(fā)送設(shè)備引入的通道硬件延遲零值，不能通過計(jì)算簡(jiǎn)單對(duì)消。需要通過校準(zhǔn)設(shè)備搬運(yùn)等專用誤差傳遞方法，對(duì)兩個(gè)站比對(duì)設(shè)備的硬件時(shí)延定期校準(zhǔn)來消除，比對(duì)過程中還需要保持工作環(huán)境的恒溫，以保持硬件延遲零值的穩(wěn)定；

(6)dShardAB、dShardBA是比對(duì)雙方信號(hào)通過衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器引入的硬件時(shí)延，轉(zhuǎn)發(fā)器以寬帶變頻方式工作，硬件時(shí)延小，穩(wěn)定性好。由于采用擴(kuò)頻CDMA體制，比對(duì)雙方工作頻率相同，兩個(gè)方向的信號(hào)傳輸經(jīng)過同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通道，硬件時(shí)延基本相同，因此互差計(jì)算時(shí)此項(xiàng)可以對(duì)消。需要注意的是，當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和工作，或者存在碼間干擾的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致這一指標(biāo)異常不能對(duì)消。另外，部分跨洲際通信的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器，由于收發(fā)覆蓋的區(qū)域不同，配置的收發(fā)天線、信道不同，也會(huì)導(dǎo)致這一項(xiàng)不能完全對(duì)消；

(7)n是系統(tǒng)及測(cè)量噪聲。衛(wèi)通天線波束窄，增益高，一般對(duì)星工作仰角高，工作信噪比高，因此外界干擾、多徑影響小，同時(shí)經(jīng)過一段時(shí)間對(duì)測(cè)量值的平滑處理后，本項(xiàng)影響較小。

因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A、B的鐘差傳遞處理結(jié)果為

SagnecAB+n

(8)

雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞設(shè)備與一般VSAT站設(shè)備規(guī)模相當(dāng)，但需要注意的是與常用VSAT設(shè)備相比，雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞設(shè)備更強(qiáng)調(diào)收發(fā)信道的線性工作與硬件時(shí)延的溫度穩(wěn)定性，信道帶寬要求更寬，本振相噪指標(biāo)要求高，以滿足高精度偽距測(cè)量的需求，設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高。

雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)工作中時(shí)間頻率傳遞與數(shù)據(jù)通信同時(shí)完成，不需要另外再建數(shù)據(jù)傳輸鏈路；傳輸路徑延遲和大部分誤差項(xiàng)可以直接對(duì)消，對(duì)衛(wèi)星和站點(diǎn)坐標(biāo)精度依賴性小，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單快捷；采用拋物面天線，波束窄，工作信號(hào)強(qiáng)，受多路徑效應(yīng)、外界干擾等外界環(huán)境的影響較?。粚?shí)時(shí)性好，短時(shí)間的比對(duì)和處理就可以獲得很高的時(shí)間頻率比對(duì)精度，在要求的載噪比條件下，時(shí)間同步精度最高可以優(yōu)于1 ns，頻率同步精度為3×10-15～5×10-15量級(jí)[4]。不足之處是終端設(shè)備需要同時(shí)收發(fā)信號(hào)，設(shè)備功耗大，鏈路設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)較高，長(zhǎng)期運(yùn)行需要租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的費(fèi)用，一般采取間隔工作，每周固定時(shí)段工作的方式。傳遞的距離受限于同一顆同步通信衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的覆蓋能力，同時(shí)比對(duì)的用戶數(shù)也受限制。由于工作時(shí)需要發(fā)射信號(hào)，軍用保密性弱，易受阻塞式干擾。

4 兩種技術(shù)手段的比較

從以上分析中可以看出：雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不易受外界環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)精度最高；而GPS共視法設(shè)備只接收信號(hào)，設(shè)備簡(jiǎn)單成本較低，但實(shí)現(xiàn)精度比雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)法精度低。從技術(shù)角度對(duì)兩種技術(shù)作一個(gè)簡(jiǎn)單比較，如表1所示。

表1 雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)法與共視法比較

特別強(qiáng)調(diào)的是，從工程應(yīng)用的角度，片面強(qiáng)調(diào)這兩種技術(shù)二選一的競(jìng)爭(zhēng)性是不恰當(dāng)?shù)?。如果我們把這兩種手段與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件穩(wěn)定，儀器測(cè)量直接，測(cè)量精度最高，過程直觀，沒有復(fù)雜的傳輸鏈路介入，便于測(cè)量異常的識(shí)別。而雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率比對(duì)法與GPS共視法雖然方案不同，如果單獨(dú)使用卻都存在共同的缺陷：

(1)兩種方法都是遠(yuǎn)距離無線鏈路傳遞，引入大量中間設(shè)備和傳遞環(huán)節(jié)，不可避免受外界環(huán)境、傳遞設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性等因素的影響，測(cè)量結(jié)果存在一定的不確定性；

(2)當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)性異常或誤差，既使有備份設(shè)備，僅依靠這兩種技術(shù)自身難于快速檢測(cè)和分辨異常來源。GPS共視法可能的系統(tǒng)異常與誤差包括導(dǎo)航衛(wèi)星異常、空間信號(hào)干擾、電離層閃射影響等。衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率比對(duì)法可能的系統(tǒng)性誤差包括星間信號(hào)干擾、地面站間信號(hào)干擾、轉(zhuǎn)發(fā)器信道飽和、多用戶碼間干擾等；

(3)這兩種技術(shù)設(shè)備一旦遠(yuǎn)距離安裝，必須通過第三方儀器傳遞的方式校準(zhǔn)；獨(dú)立長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行后，沒有其它第三種更可靠的獨(dú)立技術(shù)手段來對(duì)它們的工作狀態(tài)和精度進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)試與監(jiān)管。

5 結(jié) 論

從以上分析可以看到，GPS共視法和雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞法各具優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)時(shí)間頻率同步的依賴性越大，精度要求越高，如果單獨(dú)采用以上任意一種方案，由于缺乏必要的監(jiān)測(cè)與備份手段，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行后出現(xiàn)系統(tǒng)性誤差或傳遞設(shè)備異常，都難以快速檢測(cè)并加以分離。因此，對(duì)這兩種技術(shù)的應(yīng)用絕不是二選一的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而應(yīng)該是一種互補(bǔ)關(guān)系。

建議重大工程、大型時(shí)頻中心的建設(shè)中為了確保網(wǎng)絡(luò)時(shí)統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性，應(yīng)該綜合應(yīng)用以上兩種時(shí)間頻率傳遞技術(shù)，形成遠(yuǎn)距離站間高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范。兩種手段的工作原理、技術(shù)手段、技術(shù)途徑完全不同，同時(shí)工作又彼此獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果和精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與交叉互驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)快速異常檢測(cè)與分離，也可以作為互為備份的技術(shù)手段。

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