納秒級時頻同步解決方案

1、 方案概述


納秒級時頻同步是目前工程應用中最高的指標,我公司針對此種需求,對國際間時頻實驗室進行時頻傳遞的共視技術,進行了工程化的改進,使其適應于工程化應用,目前長基線(3000km以內)的同步精度可以達到5ns(RMS),滿足各類高精度長基線工程應用場景。

用多臺GPS/北斗共視設備可以組成一個GPS/北斗共視系統,該系統由一個中心站和若干分站組成。各分站的GPS/北斗共視設備為各站點提供同步精度小于5ns的標準秒信號和高精度的時間頻率信號。


2、 方案原理

所謂“共視”就是兩個不同位置的觀測者,在同一時刻觀測同一顆GPS衛星。其含義是在一顆GPS衛星的視角內,地球上任何兩個地點的鐘可以利用同時收到的同一顆衛星的時間信號進行時間比對。

假設GPS接收機分別置于兩個已知位置AB,在同一時刻觀測同一顆衛星i。于是有:

ΔtiA=(ti-tA)=鐘A和衛星i的鐘差           ——式(1)

ΔtiB=(ti-tB)=鐘B和衛星i的鐘差           ——式(2)

兩式做差可得AB兩站的鐘差:

ΔtiA-ΔtiB=(ti-tA)-(ti-tB)=tB-tA=tAB       ——式(3)

在實際的GPS共視對比中,參與共視的兩站應使用相同的方法處理數據,同時,接收時延也需要精確測量。GPS共視原理如下圖所示:

3-1 GPS共視原理示意圖

根據圖3-1,對GPS共視做進一步的分析。設A地點的鐘時間為tA,B地點的鐘時間為tBGPS時間為tGPSdAdB為路徑延遲。A、B兩地時差測量原理如下:

兩地的GPS共視接收機在同一時刻接收同一顆GPS衛星信號,接收機輸出代表GPS時間的秒脈沖,送至高精度的時間間隔測量模塊,與本地鐘輸出的秒脈沖比對,從而得到AB兩地的計數器值,分別表示為式(4)和式(5)

ΔtAGPS=tA-(tGPS+dA)                ——式(4)

ΔtBGPS=tB-(tGPS+dB)                ——式(5)

A、B兩地的數據通過通訊網傳到對方的計算機中,dAdB可以通過衛星星歷計算得到,然后兩個差值相減可得兩地之間的時間差,如式(6)所示。

ΔtAGPS-ΔtBGPS  = (tA-tGPS-dA)-(tB-tGPS-dB)

= (tA-tB)-(dA-dB)           ——式(6)

    可見,共視可去掉GPS星鐘的影響,消除大部分的路徑附加時

延影響。

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