利用AM22进行国际卫星双向时间频率传递

武文俊，张虹，广伟,3，张继海，董绍武,4，李焕信



利用AM22进行国际卫星双向时间频率传递

武文俊1,2，张虹1,2，广伟1,2,3，张继海1,2，董绍武1,2,4，李焕信1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 100049）

2016年2月，中国科学院国家授时中心和德国物理技术研究所利用俄罗斯AM22卫星重新开通了已停止两年六个月的欧亚卫星双向时间频率传递链路。为降低该时间传递链路的不确定度，利用国际权度局的GPS移动校准站对其进行了直接校准，使其总不确定度达到了1.5 ns。选取2016年8月中国科学院国家授时中心和德国物理技术研究所的国际卫星双向比对数据对其分析，结果表明：利用AM22通信卫星实现的欧亚卫星双向时间比对链路1d内的频率相对不确定度和时间不确定度分别可以达到10-15和1ns。

TWSTFT；GPS PPP；时间传递

0 引言

卫星双向时间频率传递（TWSTFT）是目前世界上最准确的远距离时间比对技术之一，它是国际权度局（BIPM）实现国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）的主要时间比对手段[1]。近年来，欧美各大实验室通过TELSTAR 11N卫星一直都保持有稳定的高性能卫星双向时间传递链路。2014年12月，由于俄罗斯的AM2卫星寿命到期，已连续运行两年六个月的欧亚卫星双向时间传递链路中断。在国际时间频率咨询委员会（CCTF）卫星双向时间频率传递工作组及欧亚各时频实验室的积极努力下，俄罗斯卫星公司决定提供AM22通信卫星继续为欧亚卫星双向时间频率传递链路服务。2016年2月，德国物理技术研究所（PTB）和中国科学院国家授时中心（NTSC）等亚洲时频实验室之间的卫星双向时间频率传递链路重新恢复工作，并于2016年7月完成校准。2016年10月发布的BIPM第345期时间公报（Cirt-345）已正式将欧亚TWSTFT列入了UTC的计算，并取得了良好的效果[2]。

1 卫星双向时间传递

1.1 卫星双向时间传递原理

卫星双向时间频率传递基本原理是在地面站1使用调制解调器将本地原子钟的时间信号经伪随机码调制，通过甚小口径终端天线（VSAT）将调制的扩频信号发射给卫星，经卫星转发器把1站的时间信号转发至地面，地面站2接收经卫星转发的1站的时间信号，解调信号后并与2站的原子钟信号相比较，从而测量1站传到2站信号的传递时延。在1站发射信号的同时，2站以同样方式发射信号被1站接收。通过两站数据交换，去除各种误差项后即可获得两地原子钟间的高精度钟差，如图1所示[3-4]。

图1 TWSTFT原理图

1.2 卫星双向时间传递算法

卫星双向时间频率传递过程中站1时延测量的读数为：

站2时延测量的读数为：

式（1）减去式（2）并整理得：

目前，国际上主要使用Ku频段的电磁波来进行卫星双向时间频率传递。无线电波在Ku波段工作时，式（3）中的时间比对两站几何路径时延、对流层时延和电离层时延完全可以忽略[5-7]，而Sagnac效应对于固定的两地面站，它有准确的计算公式可以求解[8]。当时间比对双方用同一个卫星转发器时，卫星转发器时延也可以相互抵消。当两站使用不同转发器时，该项需要考虑，属于卫星硬件时延。TWSTFT互相比对两站的硬件时延需要准确校准。

2 基于GPS移动站的校准

2.1 校准算法

自1980年美国NIST学者提出GPS共视技术以来，GPS一直在时间传递方面发挥着重要的作用。现IGS提供的轨道精度从起初的30 cm发展到了3～5 cm，钟差精度达到了0.1～0.2 ns。除此之外，电离层、固体潮等修正项也有了较好的解决办法。2001年，加拿大Kouba等在各种技术的基础上提出了GPS精密单点定位（PPP）算法，现其时间传递A类不确定度已高达0.3ns[9-10]。

GPS时间传递具有花费低、观测分辨率和精度高等特点，可以对卫星双向时间频率传递时间比对链路进行校准。本文采用了基于GPS PPP的卫星双向时间频率传递校准方式。该校准方法的基本公式如下：

在校准NTSC-PTB链路时，和分别为NTSC和PTB。

2.2 校准实现

国际权度局是UTC计算与分析的中心，而德国PTB是目前国际权度局指定的全球唯一物理时间比对节点。因此，全球参与UTC计算的时间比对都是通过各守时实验室与PTB直接建有的时间比对链路实现的比对。为提高国际时间比对的准确性，BIPM建有GPS移动校准站以实现全球国际比对链路的校准[11]。2016-07-19至2016-07-31期间，利用国际权度局的GPS移动校准站对NTSC-PTB的卫星双向时间频率传递链路进行了校准测量。该次校准是中国科学院国家授时中心卫星双向时间频率传递链路近年来第1次实现国际权度局直接校准。本次校准采用闭环校准的模式进行：首先，利用BIPM已知时延的本地GPS参考接收机对GPS移动校准站进行本地零基线比对测量；然后，将校准站运送至中国科学院国家授时中心（NTSC）与被校准的时间传递设备进行并址校准观测。GPS移动校准站在NTSC观测期间，校准站与德国PTB的GPS主接收机（时延已测定）可以形成一条硬件设备已知的GPS PPP时间比对观测链路，而中德之间的TWSTFT是另一条待校准的并址时间比对链路，二者之间进行差分可以实现GPS PPP对TWSTFT的校准；最后，为确保GPS校准站在巡回校准期间的时延稳定性，其返回国际权度局后还须与本地GPS参考接收机进行闭环测量验证。国际权度局的GPS移动校准设备框图如图2所示。

图2 GPS移动校准站框图

该次校准依据式（4），利用2016-07-25至2016-07-30期间的TWSTFT和GPS PPP相互比对来完成计算（MJD 57598缺失0.5 d数据，但不影响校准），其校准结果如图3所示。从图3可以看出，GPS移动校准站对NTSC-PTB的TWSTFT校准是稳定的。另外，GPS移动校准站在校准前后与BIPM本地主接收机的零基线闭环差测量优于0.5 ns[12]。因此，该次校准是成功的。

图3 NTSC-PTB的卫星双向时间频率传递链路校准结果

3 卫星双向比对结果及其不确定度分析

3.1 卫星双向比对结果

2016年2月至今，通过AM22卫星工作的NTSC-PTB欧亚卫星双向时间频率传递链路已连续运行15个月。本文选取2016年8月观测数据，依据式（3）及校准值应用给出NTSC与PTB的TWSTFT比对结果，如图4所示。为对TWSTFT进行验证，图4还给出了NTSC-PTB之间同时间段内的GPS PPP时间比对结果。

图4 NTSC-PTB的卫星双向时间比对结果

从图4可以出，利用AM22工作的TWSTFT链路状态良好。在不确定度允许的范围内，它与NTSC-PTB之间完全独立于TWSTFT的GPS PPP时间传递相互一致。图5和6分别给出该链路的修正Allan方差（MDEV）和时间方差（TDEV）。

图5 修正Allan方差（MDEV）

图6 时间方差（TDEV）

从图5和6可以看出，利用AM22通信卫星实现的NTSC-PTB欧亚卫星双向时间比对链路1 d内的频率相对不确定度和时间不确定度分别可以达到10-15和1 ns。

3.2 不确定度分析

通过国际权度局GPS移动站对NTSC-PTB卫星双向时间频率传递链路成功标定，其总不确定度达到了1.5 ns，各类不确定度预算如表1所示。

表1 GPS移动校准站校准过的TWSTFT的不确定度分析 ns

注：UA,1为移动GPS接收机与参考站GPS接收机时间比对的A类不确定度；UA,2为卫星双向时间频率传递的A类不确定度；UB,1为通过GPS移动站校准前后闭环测量得到的校准器自身不确定度；UB,2()为GPS移动接收机与本地时间参考点之间时延测量的不确定度，为被测站站号；UB,3()为卫星双向站与本地时间参考点之间时延测量的不确定度，为被测站站号；UB,4为GPS固定接收机与参考站本地时间参考点之间时延测量的不确定度；UB,5为其他未知的不确定度（例如多路径效应等）。

4 结语

本文对基于AM22卫星的国际TWSTFT链路进行了分析，其1 d的频率相对不确定度和时间比对不确定度分别可以达到10-15和1 ns。在GPS PPP时间传递技术的基础上，2016年7月中国科学院国家授时中心利用国际权度局的GPS移动校准站对NTSC-PTB之间的新卫星双向链路开展了校准工作，使该链路的校准不确定度达到了1.5 ns。国际权度局于2016年10月发布时间公报已正式将通过AM22运行的欧亚卫星双向时间频率链路纳入了UTC/TAI计算的链路，该链路在UTC/TAI计算中的应用，对国家授时中心的守时工作具有重要的意义。

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[12] BIPM. 2016 Group 1 GPS calibration trip[K]. Paris: BIPM, 2016.

The two-way satellite time and frequency transfer by AM22

WU Wen-jun1,2, ZHANG Hong1,2, GUANG Wei1,2,3, ZHANG Ji-hai1,2, DONG Shao-wu1,2,4, LI Huan-xin1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The Euro-Asia TWSTFT (Two-way Satellite Time and Frequency Transfer) link which has interrupted for two years and six months was re-worked between the NTSC and PTB by Russia AM22 in February 2016. To decrease the uncertainty, the link has been directly calibrated by the BIPM GPS calibrator, the uncertainty is 1.5 ns after the calibration. The data of August 2016 was analyzed through the NTSC-PTB link. It is showed that the uncertainty is less than 1ns in time and relative uncertainty is about 1 part in 1015in frequency at averaging times of one day.

TWSTFT; GPS PPP; time transfer

P127.1

A

1674-0637（2017）03-0155-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0155-06

2017-01-19

国家自然科学基金青年基金资助项目（11303031）

武文俊，男，副研究员，主要从事时间保持与时间传递方面的研究。