用于卫星双向时间同步的超短期钟差预报方法研究

第四届中国卫星导航学术年会电子文集
站初始钟差、相对钟速和相对钟速参数， ek 为测量噪 声与原子钟走时随机量的总和。利用有限观测数据可 以得到钟参数的估计为
ˆ AT A AT X a
1
ˆ AT A AT X a
1
TN 1 tN tN 据原子钟相对参数估值，可用于预报下一时间段主从 站的相对走时偏差。
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方面精度更高；路晓峰等[5]提出了一种GM(1,1)模型 的优化算法，通过迭代优化选取具有最小误差的灰色 参数，明显提升了钟差预报的性能；朱祥维等[6]基于 GPS星载铷钟观测建立了卫星钟差预报的Kalman滤波 算法，在短期预报方面取得一定的改善；张清华等[7] 在二阶拟合或灰色系统预报基础上，提出了小波与 ARMA法对钟差随机分量预报方法，进一步提升了卫 星钟差预报精度，卫星导航系统的钟差预报的时间跨 度一般在数小时至数日甚至更久。论文简要介绍了卫 星双向时间同步系统的原理和试验结果，着重讨论了 利用超短期卫星双向时间比对数据进行钟差预报的相 关方法。由于时间同步系统的设计要求，论文主要研 究数分钟至数十分钟时间跨度的钟差预报方法，因此 称为超短期预报， 论文在研究多种预报算法的基础上， 更加实际验证情况，提出适合于本系统的钟差预报方 法， 并在实际系统中得到应用， 取得很好的试验效果。
2 基于卫星双向法的时间同步系统
卫星双向法时间传递通过卫星地球站和卫星转发器将 本地的时间信息发送给对方，并接收对方发送来的时 间信号，经过时间信息交换后扣除卫星链路延迟，得 到两站高精度时差信息。图 1 为了卫星双向时间传递 的原理框图，站 A 的原子钟输出的 1PPS 信号分成两 路，一路输入至扩频调制解调器，经地球站 A 发送到 卫星上，并由卫星转发到地面站 B，另一路用作本地 计数器 A 的开门脉冲，使计数器开始计数；站 B 的工 作与站 A 完全相同。 当站 B 的信号经卫星转发到达站 A 后，由扩频调制解调器 A 恢复出接收信号中的 1PPS，用作计数器 A 的关门脉冲。设计数器 A、B 的 读数分别为 TA 、 TB ，若暂不考虑信号在双向传播 过程中延迟差异以，则 A、B 两钟的钟差满足
(0)
对x
X (1) x (1) 1 , x (1) 2 ,, x (1) k , k 1,2,, N
式中， x
(1)
k 作为一次累加的生成数据序列为
k (0)
8
7
6
k x i , k 1,2,, N 。根据灰色系
卫星双向时间同步系统以上述时间传递方法为 基础，通过卫星双向系统主站与各个从站依次进行时 间比对，如图 2（a）所示。主站在与某从站进行比对 时，可以直接给出两站的钟差，主站不与该从站比对 时，则根据先前的比对数据，利用钟差预报方法进行 预报， 实现主站与各从站不间断时间同步， 如图 2 （b） 所示。这种时分比对方式降低了主站的复杂性，减小 系统成本。为了保证在系统时间的稳定性，主站采用 氢原子钟作为频率参考，另外为了保证合适的钟差预 测精度，从站采用铷原子钟作为频率参考。图 2（c） 为主站与某从站的卫星双向时间比对数据，数据表明 主站与该从站之间存在初始时差和显著的线性增大的 走时偏差，对该数据进行处理分析可以预报下一时间 段主从站的时差。
1 引言
卫星双向时间传递(Two-Way Satellite Time Frequency Transfer, TWSTT )是一种高精度的远程时 频比对技术，在时间计量、卫星导航、无线电测量等 领域有着重要的应用价值。与传统的GPS单点或共视 法时间频率传递相比[1]，卫星双向法的传递精度要高 得多；与GPS载波相位时间传递相比，卫星双向法具 有更好的独立性。目前，欧美等国的多个时间计量实 验室建立了卫星双向时间传递链路， 东亚地区以NICT 为中心也建立了卫星双向时间比对网，实现各个实验 室之间时间互比[1]。 TWSTT方法的原理是： 地球站一 方面将本地时间信号 (即1pps，1 Pulse Per Second)调 制到中频，然后再上变频、放大、发射至卫星；另一 方面接收解调来自卫星转发器所转发过来其它地球站 的时间信息[2]。在双向时间传递过程中，利用伪码扩
Abstract: Based on the principle of two way satellite time transfer, a time synchronization system with master-slave sturcture is established. In the system, slave sites compare their clock time with the master clock in turn. After one comparison, the slave clock offset is estimated and predicted until the next comparison period. In the paper, three clock offset prediction algorithms are discussed in detail. Their performance is evaluated and validated using measured clock offset data. The results show the linear fitting algorithm has an obvious good performance in ultra-short term prediction than quadratic polynomial method. And it’s quite simple than grey system model prediction algorithm. The time synchronization system use the linear fitting algorithm for clock offset prediction in practice and has a good practical effect. Keywords: Two-Way Satellite Time Transfer（TWSTT）, Clock Offset Prediction, Grey System Model, Time Synchronization
(a) 时间同步系统时间比对结构 (b) 时间同步方式
90 80 70 60 50 40 0 300 600 900 采样/s 1200 1500 1800
钟差/ns
(c) 主站与某从站的卫星双向时间比对结果 图2 基于卫星双向时间比对的时间传统的卫星导航应用的钟差预报方法不同，本 文研究的钟差预报时间较短，观测数据较少，典型长 度是观测数据10min，预报长度30min，数据样本间隔 是一秒，这是由时间同步系统的工作流程决定的。
3.1 二次函数拟合钟差预报
图 1 卫星双向时间传递原理框图
TAB
1 2
TA TB ………………(1)
考虑到原子钟的频率变化特性，原子钟走时偏差 可以用二阶多项式来描述
式中： TAB 为 A、B 两站钟差， TA 、 TB 分别为 A、B 两站时间间隔计数器的读数。
Tk a0 a1tk a2tk2 ek , k 1,2,, N 式中， Tk 为主从站钟差的测量值， a0 , a1 , a2 为主从
3.4 实验与分析
为了验证上述钟差预报算法的性能，随机选取主 从站间的四组卫星双向时间比对数据进行预报处理和 分析验证，每组比对数据长 40min，前 10min 数据用 于 预 报算 法的 参 数估 算， 并 利用 估算 的 参数 对后 30min 的钟差进行预报，将预报值和实际比对值进行 比较， 二者差值即为钟差预报误差。 图 3 为二次函数、 灰色系统模型和线性拟合预报算法对四组钟差数据的 预报结果，整体上看，灰色系统模型和线性拟合算法 的预报误差趋势非常吻合，前三组实验，二次函数预 报的误差明显大于其它两种方法， 只是第四组实验中， 二次函数预报误差相对较小，但和其它两种算法的预 报误差基本处于同一量级。
9
3.2 灰色系统模型预报[5]
在灰色系统理论中，GM（1,1）模型最为常用， 它是由一个只包含单变量的一阶微分方程构成的模 型，其实质是用指数函数作为拟合函数对钟差累积时 间序列进行拟合，并利用拟合参数进行预报。设钟差 原始数据序列为
X (0) x (0) 1 , x (0) 2 ,, x (0) k , k 1,2,, N
用于卫星双向时间同步的超短期钟差预报方法研究
张升康 1，2, 王宏博 1，2, 杨军 1，2, 冯克明 1，2
1北京无线电计量测试研究所,北京，中国，100854 2计量与校准技术重点实验室,北京，中国，100854 1. zhangsk@
【摘要】基于卫星双向时间传递原理，建立了一套主从式时间同步系统，通过主站和各从站间依次对 时和对时后的钟差预报，实现主从站的高精度不间断时间同步。着重讨论了三种基本钟差预报算法的 理论基础，利用实测数据对三种预报算法进行验证和评估，结果表明线性拟合钟差预报算法相对GPS 中广泛使用的二次函数预报算法在超短期预报中优势明显，在复杂程度上比灰色系统模型更简单，最 终在时间同步系统中得到应用，并取得很好的实际效果。 【关键词】卫星双向时间传递，钟差预报，灰色系统模型，时间同步
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Ultra-Short Term Clock Offset Prediction for Two-Way Satellite Time Synchronization
Zhang Shengkang1，2 Wang Hongbo1，2 Yang Jun1，2 Feng Keming1，2
1. Beijing Institute of Metrology and Measurement, Beijing,China 2. Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory, Beijing,China 1. zhangsk@