一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法技术

本发明专利技术提供了一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法，主要包括轨道误差对消时刻和时间比对时刻的初始计算、单站钟差的预先建模、两地实时钟差的解算与数据交互、判决条件的计算与时间比对计算四大部分。本发明专利技术能让两个地面站的时间比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。该方法实现的比对精度和现有的最高精度的光纤时间比对技术相当，且是基于自由空间的时间比对方法，不要提前铺建物理链路，克服了光纤比对技术的应用缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法
本专利技术涉及一种时间比对方法。
技术介绍
高精度时间比对技术已经渗透到国家科技、经济、军事和社会生活的诸多方面，随着科学技术的发展，时间比对精度要求也越来越高。目前常用的高精度远距离时间比对方法主要包括导航卫星共视时间比对、基于通信卫星的双向时间比对和光纤时间比对。导航卫星共视时间比对和双向时间比对方法都可以实现远距离的时间比对，比对距离可达上千公里，精度却只能达到纳秒量级。纳秒级的时间比对精度并不能满足许多基础前沿研究的需要，例如精细结构常数测量、引力红移测量等基础物理实验，对时间比对精度提出了更高的要求。目前可实现的精度最高的时间比对技术是基于光纤链路的，能达到几十皮秒，但需要提前铺建光纤链路，存在较大的应用局限性，例如深空探测要求时间比对的精度在几十皮秒量级，然而光纤时间比对技术并不适用。且随着比对距离的增加，光纤比对链路的节点增多，时间比对性能也随之下降。目前中国和欧洲都在建设空间站工程，轨道高度距离地面300至500公里，空间站配备高精度的原子钟，能产生比地面原子钟性能更优的时间频率信号，且空间站与地面之间规划建设有微波通信链路，通过微波链路可以实现地面原子钟与空间站原子钟的时间比对，应用传统方法即可实现百皮秒精度的时间比对。如果把空间站当作中间媒介，即可以实现两个地面站之间的远距离时间比对。但是空间站的轨道特性一方面影响地面站的可视时间，另一方面使得时间比对的精度在百皮秒量级。为了达到和光纤时间比对相当的精度，需要克服空间站轨道误差的影响，寻找新的时间比对方法。因此，如果能克服空间站轨道误差的影响，利用空间站进行两个地面站间的时间比对，一方面能达到和光纤比对相当的精度，另一方面也避免了搭建物理比对链路的应用局限性，具有更广泛的应用范围。此外，也能对光纤时间比对技术进行检核，互相验证。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于空间站的时间比对方法，能让两个地面站的时间比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。该方法实现的比对精度和现有的最高精度的时间比对技术——光纤时间比对技术相当，且是基于自由空间的时间比对方法，不要提前铺建物理链路，克服了光纤比对技术的应用缺陷。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)挑选待比对地面站中的任意两个，计算其轨道误差对消时刻的判决因子flag＝|cosαSA-cosαSB|+cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|，其中，αSA、βSA、γSA分别为空间站在某一时刻与其中一个地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，αSB、βSB、γSB分别为空间站在另一时刻与另一地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为设定的判决门限；仿真计算出flag小于等于Thod时的两个时刻t1和t2即为两个地面站分别进行轨道误差对消的时刻；2)确定后发生的轨道误差对消时刻t2作为两个地面站间的时间比对时刻；3)在两个地面站放置空间站定时接收机，通过ρI＝rI+c·δtI-S+εI计算两个地面站与空间站的钟差δtI-S，其中I表示不同的地面站，ρI为地面站I的定时接收机原始观测量，rI为空间站到地面站的几何距离，c为光速，εI为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟和广义相对论的影响；4)在两个地面站中选取原子钟性能较优的地面站，对其钟差建模，模型表示为δtI-S＝a+b×(t-t0)，其中，a为常数项，b为一次项系数，t0为模型起点，通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数；5)两个地面站交换实时的钟差解算数据，进行建模的地面站将一次项系数b发给另一地面站；6)分别设定两个地面站A和B的数据搜索时段分别为[t1-T,t1+T]和[t2-T,t2+T]，其中T为设定的数据搜索秒数；两个地面站分别在数据搜索时段内进行数据搜索，并同时在数据处理时段[t2-T,t2+T]内计算flag，对于满足flag小于等于Thod的所有A站时刻ti和B站时刻tj，利用A站ti时刻的钟差解算值δtA-S(ti)和B站t2时刻的钟差解算值δtB-S(tj)计算A、B两站在tj时刻的钟差δtA-B(tj)＝δtA-S(ti)+b×(tj-ti)-δtB-S(tj)；7)重复步骤1)～6)，遍历待比对地面站，完成时间比对。所述的判决门限Thod设置为0.03。所述的数据搜索秒数T取值为600～3600。在数据处理时段内，两个地面站逐一将B站每一个时刻的数据与A站[t1-T,t1+T]时段的全部数据分别计算flag。在数据处理时段内，若t2-t1<2T，则两个地面站在t2-T+f时刻利用A站[t1-T,t2-T+f-1]时段的数据和B站t2-T+f-1时刻的数据计算flag，f＝2、3、…、2T+1。如果在数据搜索和数据处理时段，地面站对空间站不可视，则忽略不可视时刻的数据。本专利技术的有益效果是：充分利用国内外正在建设的空间站资源，主要涉及空间站高精度原子钟和高性能微波比对链路资源，以空间站原子钟作为媒介，实现两地面站间的高精度时间比对，比对精度优于50皮秒，比对距离可达上千公里。这是目前时间比对领域所能达到的在上千公里时间比对基线下的最高比对精度，比目前普遍采用的导航卫星共视时间比对方法和卫星双向时间比对方法精度高两个数量级，能够满足高精度基础前沿研究的需要。另一方面，本专利技术所提出的时间比对方法是基于自由空间来进行的，不需要提前建设时间比对物理链路，避免了光纤时间比对方法需要提前铺建光纤链路而带来的应用局限性。本专利技术较现有的时间比对方法精度更高，应用范围更广。此外，本专利技术解决了空间站轨道误差对时间比对精度的限制问题，拓宽了载人航天空间站在高精度时间比对领域的应用范围。附图说明图1是两个地面站进行时间比对的设备连接图；图2是时间比对流程图；图3是西安和长春时间比对误差图；图4是喀什和三亚时间比对误差图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。以A，B两个地面站进行时间比对为例，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)结合A，B两个地面站的坐标和空间站运行轨道，事先仿真计算出A，B两站轨道误差的对消时刻。轨道误差对消时刻对两个地面站来说并不一定是同时的，例如，A站t1时刻数据和B站t2时刻的数据进行轨道误差对消处理，t1、t2的单位为秒。可以进行轨道误差对消的时刻的选取依据为判决因子flag的计算公式flag＝|cosαSA-cosαSB|+|cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|≤Thod，式中αSA、βSA、γSA分别为空间站在某一时刻例如t1时刻与地面A站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，αSB、βSB、γSB分别为空间站在某一时刻例如t2时刻与地面B站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为判决门限。空间站轨道误差优于0.1米，判决门限Thod一般设置为0.03，则空间站轨道误差对消后的残差对时间比对的影响小于10皮秒。仿真计算出flag小于或者等于判决门限时A，B两站的任意观测时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于包括下述步骤：1)挑选待比对地面站中的任意两个，计算其轨道误差对消时刻的判决因子flag＝|cosαSA‑cosαSB|+|cosβSA‑cosβSB|+|cosγSA‑cosγSB|，其中，αSA、βSA、γSA分别为空间站在某一时刻与其中一个地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，αSB、βSB、γSB分别为空间站在另一时刻与另一地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为设定的判决门限；仿真计算出flag小于等于Thod时的两个时刻t1和t2即为两个地面站分别进行轨道误差对消的时刻；2)确定后发生的轨道误差对消时刻t2作为两个地面站间的时间比对时刻；3)在两个地面站放置空间站定时接收机，通过ρI＝rI+c·δtI‑S+εI计算两个地面站与空间站的钟差δtI‑S，其中I表示不同的地面站，ρI为地面站I的定时接收机原始观测量，rI为空间站到地面站的几何距离，c为光速，εI为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟和广义相对论的影响；4)在两个地面站中选取原子钟性能较优的地面站，对其钟差建模，模型表示为δtI‑S＝a+b×(t‑t0)，其中，a为常数项，b为一次项系数，t0为模型起点，通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数；5)两个地面站交换实时的钟差解算数据，进行建模的地面站将一次项系数b发给另一地面站；6)分别设定两个地面站A和B的数据搜索时段分别为[t1‑T,t1+T]和[t2‑T,t2+T]，其中T为设定的数据搜索秒数；两个地面站分别在数据搜索时段内进行数据搜索，并同时在数据处理时段[t2‑T,t2+T]内计算flag，对于满足flag小于等于Thod的所有A站时刻ti和B站时刻tj，利用A站ti时刻的钟差解算值δtA‑S(ti)和B站t2时刻的钟差解算值δtB‑S(tj)计算A、B两站在tj时刻的钟差δtA‑B(tj)＝δtA‑S(ti)+b×(tj‑ti)‑δtB‑S(tj)；7)重复步骤1)～6)，遍历待比对地面站，完成时间比对。...

【技术特征摘要】
1.一种基于空间站的高精度远距离时间比对方法，其特征在于包括下述步骤：1)挑选待比对地面站中的任意两个，计算其轨道误差对消时刻的判决因子flag＝|cosαSA-cosαSB|+|cosβSA-cosβSB|+|cosγSA-cosγSB|，其中，αSA、βSA、γSA分别为空间站在某一时刻与其中一个地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，αSB、βSB、γSB分别为空间站在另一时刻与另一地面站之间的矢量与轨道径向、切向和法向之间的夹角，Thod为设定的判决门限；仿真计算出flag小于等于Thod时的两个时刻t1和t2即为两个地面站分别进行轨道误差对消的时刻；2)确定后发生的轨道误差对消时刻t2作为两个地面站间的时间比对时刻；3)在两个地面站放置空间站定时接收机，通过ρI＝rI+c·δtI-S+εI计算两个地面站与空间站的钟差δtI-S，其中I表示不同的地面站，ρI为地面站I的定时接收机原始观测量，rI为空间站到地面站的几何距离，c为光速，εI为其它误差修正项，包括电离层延迟、对流层延迟、Sagnac效应影响、地球引力延迟和广义相对论的影响；4)在两个地面站中选取原子钟性能较优的地面站，对其钟差建模，模型表示为δtI-S＝a+b×(t-t0)，其中，a为常数项，b为一次项系数，t0为模型起点，通过采用普通的最小二乘法进行多项式拟合获得；t表示在一个建模周期内当前时刻的秒累计数；5)两个地面站交换实时的钟差解算数据，进行建模的地面站将一次项系数b发给另一地面站；6)分别设定两个地面站A和B的数据搜索时段分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘音华，李孝辉，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61