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基于共视原理的卫星授时方法

作　者: 许龙霞
导　师: 李孝辉
学　校: 中国科学院研究生院（国家授时中心）
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 单向授时共视时间传递卫星双向时间比对共视授时新方法虚拟基准站虚拟共视基准站
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

时间与人们的生活密切相关，人们将利用无线电波播发标准时间信号的工作称为授时。从故至今人们在不断地探索获取时间的新方法，从最初以声音为媒介的晨钟暮鼓发展到使用光信号的落球报时，再发展到目前以无线电波为载体的各种授时方法。授时精度也随之不断地提高，目前精度最高的授时方法为基于卫星导航系统的单向授时方法，最高精度约为15ns。对于航天、导弹领域的纳秒级授时精度的需求用户只能使用如共视时间传递、卫星双向时间频率传递等高精度时间比对方法。这些高精度时间传递方法的成本高，且只能实现少数用户间的时间同步，因此，迫切需要研究高精度的授时方法。本文将共视时间传递方法进行扩展，将共视原理应用于卫星授时，提出了基于共视原理的卫星授时新方法，可以提供3~5ns的授时精度。本文围绕共视授时新方法，开展了以下几个方面的研究：（1）提出了一种基于共视原理的卫星授时新方法虽然基于GNSS的共视时间传递方法可以实现纳秒级的时间同步，但共视与授时有着本质区别。授时要求实时地为用户发播标准时间信号，服务的用户数量不限，而共视只实现了少数用户之间的时间比对，且具有滞后性。本文提出的基于共视原理的卫星授时新方法，在主站监测卫星广播的系统时间与标准时间UTC(NTSC)的时差，并将授时偏差广播给用户。用户接收使用后，相当于与主站共视相同可见星，获得标准时间UTC(NTSC)，实现授时。（2）试验验证了共视授时新方法的原理为验证共视授时新方法的原理和可行性，本文搭建了原理验证系统。基于验证系统开展了零基线、短基线和长基线比对试验。零基线和短基线试验数据结果验证了共视授时方法的原理和可行性。通过与卫星双向时间比对的结果进行比较，扣除长春临潼两站钟差的影响，长基线比对结果验证了共视授时的原理。（3）提出虚拟共视基准站技术，应用在共视授时新方法中虚拟共视基准站技术利用了星历误差、电离层误差的空间相关性，综合利用多个基准站的观测数据，按用户与基准站的位置关系内插得到用户附近的虚拟基准站的观测数据，与用户观测量形成近零基线差分，解决用户远离基准站时，获得的授时精度下降的问题。论文针对提出的虚拟共视基准站技术，研究了不同基准站个数、不同的权值确定方法对用户授时精度的影响。制定了用户选择基准站的原则，确定了用户端虚拟改正量生成算法，分析了站间时间同步误差对共视授时精度的影响。（4）研究了授时偏差的变化特点及授时数据的广播方法为保证实时性和用户容量，需要研究授时偏差的变化规律，建立适当的模型，实现对用户的实时广播。本文研究了3种适用于授时偏差的广播方法①通信卫星，可实现实时广播；②互联网，事后发布授时偏差数据文件；③短信查询，实时响应用户查询，为用户返回指定时刻的数据。（5）制定共视授时系统的实施方案设计了共视授时系统的总体架构，制定了共视授时系统的实施方案。按功能将系统划分为单元，并对每个单元进行了初步的规划和设计。

全文目录

致谢  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-17
第一章授时技术的发展  17-31
  1.1 授时的概念及发展  17-19
    1.1.1 授时概念  17-18
    1.1.2 授时方法的发展  18-19
  1.2 时间标准  19-21
    1.2.1 世界时  19-20
    1.2.2 历书时  20
    1.2.3 原子时  20-21
    1.2.4 协调世界时  21
  1.3 基于卫星导航系统的授时与时间传递方法分析  21-29
    1.3.1 GPS 单向授时方法  21-23
    1.3.2 GPS 共视时间传递  23-24
    1.3.3 GPS 全视时间传递  24-26
    1.3.4 卫星双向时间频率传递方法  26-28
    1.3.5 小结  28-29
  1.4 共视授时技术的研究意义  29
  1.5 论文的内容安排  29-31
第二章共视授时新方法的原理  31-47
  2.1 共视与授时的区别  31
  2.2 共视应用于授时的难点  31-33
  2.3 共视授时新方法的原理  33-36
  2.4 共视授时的优势  36-43
    2.4.1 提高单向授时的精度，实现精度优于 5ns 的授时  36-39
    2.4.2 避开接收机绝对校准的难题，只需要相对校准  39-41
    2.4.3 利用其他国家的导航系统，实现我国标准时间的广播  41
    2.4.4 改善用户定位精度  41-43
  2.5 共视授时关键技术分析  43-45
    2.5.1 授时偏差特性研究  43-44
    2.5.2 授时数据广播方法研究  44
    2.5.3 虚拟共视基准站技术在共视授时中的应用  44-45
  2.6 小结  45-47
第三章共视授时原理验证  47-57
  3.1 试验目的  47
  3.2 试验方法  47-48
  3.3 试验系统性能分析  48-50
  3.4 试验验证  50-57
    3.4.1 零基线试验  50-51
    3.4.2 短基线试验  51-53
    3.4.3 长基线试验  53-55
    3.4.4 小结  55-57
第四章单站共视授时分析  57-73
  4.1 单站共视授时的概念及原理  57-58
  4.2 单站共视授时误差源分析  58-69
    4.2.1 星钟误差  58
    4.2.2 星历误差  58-64
    4.2.3 电离层延迟误差  64-69
    4.2.4 其它误差  69
    4.2.5 单站共视授时的精度估算  69
  4.3 单站共视授时特点分析  69-71
    4.3.1 单站共视授时的优势  69-70
    4.3.2 单站共视授时的局限性  70-71
  4.4 小结  71-73
第五章多站共视授时分析  73-111
  5.1 多站共视授时的原理  73-78
    5.1.1 多站共视授时的原理  73-74
    5.1.2 多站共视授时的关键问题  74-78
  5.2 虚拟共视基准站技术  78-83
    5.2.1 虚拟参考站概念  78-79
    5.2.2 虚拟共视基准站与虚拟参考站技术  79-83
  5.3 虚拟共视基准站原理  83-86
  5.4 多站共视授时中的虚拟共视基准站生成算法  86-105
    5.4.1 基准站个数的确定  87-98
    5.4.2 基准站权值确定方法  98-104
    5.4.3 用户选站原则  104-105
  5.5 站间时间同步误差对多站共视授时精度的影响分析  105-110
    5.5.1 站间时间同步误差的分析  105-106
    5.5.2 站间时间同步误差对多站共视授时方法的影响分析  106-110
  5.6 小结  110-111
第六章共视授时数据广播方法研究  111-131
  6.1 共视授时广播内容  111-122
    6.1.1 授时偏差的分析  111-115
    6.1.2 授时偏差的建模  115-116
    6.1.3 授时偏差的预报  116-122
  6.2 授时偏差模型对导航电文的比特要求  122-124
    6.2.1 模型参数的比特位数要求  122-124
    6.2.2 网络发布文件的格式  124
  6.3 授时偏差模型参数的广播方法研究  124-130
    6.3.1 常用的数据发布方法  125-126
    6.3.2 通信卫星实时广播系统设计  126-127
    6.3.3 网络发布系统设计  127-128
    6.3.4 短信查询系统设计  128-130
  6.4 小结  130-131
第七章共视授时系统的方案制定  131-145
  7.1 共视授时系统的总体设计  131-133
  7.2 流动接收机校准单元设计  133-137
    7.2.1 流动接收机校准单元功能和性能  133-134
    7.2.2 流动接收机校准单元组成  134-135
    7.2.3 流动接收机校准单元工作原理  135-137
  7.3 授时信号监测单元设计  137-139
    7.3.1 授时信号监测单元功能和性能  137-138
    7.3.2 授时信号监测单元组成  138-139
    7.3.3 授时信号监测单元工作原理  139
  7.4 监测数据处理单元设计  139-143
    7.4.1 监测数据处理单元功能和性能  139-141
    7.4.2 监测数据处理单元组成  141-142
    7.4.3 监测数据处理单元工作原理  142-143
  7.5 小结  143-145
第八章总结与展望  145-149
  8.1 论文的主要结论与创新点  145-146
  8.2 下一步工作展望  146-149
出版物及研究项目  149-151
参考文献  151-156

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