卫星导航系统中的高精度时间同步误差分析与仿真
|
摘要
随着全球卫星导航定位系统的发展，目前全球范围已建立了多个卫星导航系统。我国的COMPASS系统起步较晚，与国外其它导航系统相比有一定的差距。时间同步技术作为导航系统的基础、重要技术需要引起格外的重视。本文以双向时间频率同步为基础，以进一步提高时间同步精度为目标，针对TWSTFT的基本计算模型，时间同步信号在传输路径上的误差时延，以及时间同步信号调制方式等进行了研究。
首先，对GPS系统，GLONASS系统，GALILEO系统以及COMPASS系统进行了简要介绍，并介绍了常用的时间同步方法，得出TWSTFT满足高精度的需求。
其次，建立了TWSTFT的计算模型，并以此计算模型为出发点，仿真了模型中影响时间同步精度的电离层时延，对流层时延以及Sagnac效应误差等，得到用于高精度时间同步的误差修正模型，并对使用地球中轨卫星及小倾角轨道卫星进行时间同步时计算Sagnac效应误差的可行性进行了分析。
然后，由于设备时延是计算模型中的一个较大误差项，所以本文对于传统地面站收发设备时延的测量进行了改进，并进行了实验验证。
最后，TWSTFT是通过接收机测量经卫星转发的两待测地面站的伪距实现的，所以本文从码跟踪精度的角度出发分析仿真了不同调制方式对码跟踪精度的影响，得到了一种码跟踪精度高的调制方式。
With the development of Global Navigation Satellite System, a number of satellitenavigation systems have been established. Comparing with the foreign navigation system,COMPASS System startes late and has a large gap between foreign navigation system.Time Synchronization Technology is the basic and important technology of the navigationsystem，it should be paid more attention. In order to improve the precision of timesynchronization. This paper studies the basic model of the Two-way Time and FrequencyTransfer(TWSTFT), the error of time synchronization signal in transmitting path and timesynchronization signal modulation mode.
Firstly, This article introduces the GPS system, GLONASS system, GALILEOsystem and COMPASS system. It also introduces common methods of timesynchronization,then come to a conclusion that the TWSTFT meets the needs of highprecision demand.
Secondly, This article set up a TWSTFT calculation model, and simulate theionosphere delay, troposphere delay and the Sagnac effect error. Finally got the errorcorrection model for the high precision time synchronization.Then analyse the feasibilityof using the MEO and the IGSO to calculate the Sagnac effect.
Thirdly, As the equipment time delay is a considerable error in the calculation model.In this article, the traditional method of time delay measurement of ground stationtransceiver is improved and experimental verified.
Finally, Two-way time synchronization is realizated by the measurements of pseudo-range which is transmitted by satellite transponder.This article analyses and simulates thedifferent modulation method for improving code tracking accuracy, and gets a highprecision modulation mode.
首先，对GPS系统，GLONASS系统，GALILEO系统以及COMPASS系统进行了简要介绍，并介绍了常用的时间同步方法，得出TWSTFT满足高精度的需求。
其次，建立了TWSTFT的计算模型，并以此计算模型为出发点，仿真了模型中影响时间同步精度的电离层时延，对流层时延以及Sagnac效应误差等，得到用于高精度时间同步的误差修正模型，并对使用地球中轨卫星及小倾角轨道卫星进行时间同步时计算Sagnac效应误差的可行性进行了分析。
然后，由于设备时延是计算模型中的一个较大误差项，所以本文对于传统地面站收发设备时延的测量进行了改进，并进行了实验验证。
最后，TWSTFT是通过接收机测量经卫星转发的两待测地面站的伪距实现的，所以本文从码跟踪精度的角度出发分析仿真了不同调制方式对码跟踪精度的影响，得到了一种码跟踪精度高的调制方式。
With the development of Global Navigation Satellite System, a number of satellitenavigation systems have been established. Comparing with the foreign navigation system,COMPASS System startes late and has a large gap between foreign navigation system.Time Synchronization Technology is the basic and important technology of the navigationsystem，it should be paid more attention. In order to improve the precision of timesynchronization. This paper studies the basic model of the Two-way Time and FrequencyTransfer(TWSTFT), the error of time synchronization signal in transmitting path and timesynchronization signal modulation mode.
Firstly, This article introduces the GPS system, GLONASS system, GALILEOsystem and COMPASS system. It also introduces common methods of timesynchronization,then come to a conclusion that the TWSTFT meets the needs of highprecision demand.
Secondly, This article set up a TWSTFT calculation model, and simulate theionosphere delay, troposphere delay and the Sagnac effect error. Finally got the errorcorrection model for the high precision time synchronization.Then analyse the feasibilityof using the MEO and the IGSO to calculate the Sagnac effect.
Thirdly, As the equipment time delay is a considerable error in the calculation model.In this article, the traditional method of time delay measurement of ground stationtransceiver is improved and experimental verified.
Finally, Two-way time synchronization is realizated by the measurements of pseudo-range which is transmitted by satellite transponder.This article analyses and simulates thedifferent modulation method for improving code tracking accuracy, and gets a highprecision modulation mode.
引文
[1]马凤鸣.时间频率计量[M].北京：中国计量出版社，2009：175-176.
[2]胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003：10-12.
[3]张尔扬.短波通信技术[M].北京：国防工业出版社，2002：25-30.
[4]施进平.短波通信的授时新技术研究[D].西安：中国科学院通信与信息系统学科硕士学位论文，2011：5-8.
[5]马英.罗兰-C系统时间定位技术与应用[J].中国测试技术，2005(03)：68-69.
[6]吴海涛.罗兰-C自主授时及其数据通信的研究[D].西安：中国科学院天体测量与天体力学学科博士学位论文，2002：81-83.
[7]谭述森.导航卫星双向伪距时间同步[J].中国工程科学，2006(12)：10-11.
[8]蒋磊，董淑福，陈岩.同步卫星时间传递及其精度估计[J].科学技术与工程，2009(02)：765-766.
[9]张伦.星地时间同步技术的研究[D].西安：西安电子科技大学检测技术与自动化装置学科硕士学位论文，2008：6-7.
[10] Breakiron L .The Accuracy of TWSTFT Calibrations[C]. PTTI Systems and ApplicationsMeeting，2004：139-148.
[11]张虹，李焕信，江之恒. NTSC欧亚卫星双向时间与频率传递[C]. 2009全国时间频率学术会议，2009.
[12]王正明. TAI和UTC的进展[J].宇航计测技术，2004(01)：2-3.
[13]王义遵.建设我国独立自主时间频率系统的思考[J].宇航计测技术，2004(01)：10-12.
[14]刘利.相对论时间比对理论与高精度时间同步技术[D].郑州：解放军信息工程大学大地测量学与测量工程学科博士学位论文，2004：10-11.
[15]张虹，李志刚，李焕信.中日卫星双向时间比对稳定度的测定方法[J].宇航计测技术，2007(03)：4-5.
[16]何金平.基于GPS技术的大坝位移监测系统[J].仪器仪表学报，2004(08)：438.
[17]刘铁新，翟造成.卫星导航定位与空间原子钟[J].全球定位系统，2002(04)：7-9.
[18]蔺玉亭，赵东明，高为广. GPS时间系统及其在时间比对中的应用[J].地理空间信息，2009(06)：30-31.
[19]梅艳. GPS接收机关键技术研究[D].南昌：华东交通大学计算机应用学科硕士学位论文，2009：10-12.
[20]翟造成，杨佩红.第三代卫星导航定位系统星载原子钟的新发展[J].天文学进展，2008(04)：3-4.
[21] Revnivykh S G. GLONASS Status, Development and Application[R]. International Committee onGlobal Navigation Satellite Systems(ICG) Second Meeting, Bangalore, India，2007.09.
[22] Urlichich Y . GLONASS Status Update[C]. Proc. of 39th Annual Precise Time and TimeInterval(PTTI) Meeting，2007.12.
[23] Zanello R . Precise Time Technology for Galileo[J]. Satellite Communications and NavigationSystems. Germany：Springer，2008：136-140.
[24]赵大海，宗刚.伽利略卫星导航系统概述[J].全球定位系统，2011(01)：8-9.
[25]吕伟，朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007(23)：29-32.
[26]许国宏.北斗共视授时技术研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学导航、制导与控制学科硕士学位论文，2007：3-4.
[27]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件[S/OL]. (2011).http://www.beidou.gov.cn/.
[28]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008(03)：395-396.
[29]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2007：274-280.
[30]张洪源，赵立峰.基于卫星共视的罗兰C导航系统原子频标时间同步[J].计测技术，2010：9-10.
[31]刘利，韩春好.卫星双向时间比对及其误差分析[J].天文学进展，2004(09)：222-223.
[32]王丽景. GPS系统建模与仿真技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学导航、制导与控制学科硕士学位论文，2009：43-53.
[33]李猛，廖瑛，梁加红.电离层延迟模型改进研究[J].计算机仿真，2009(10)：23-24.
[34]刘迪，兰孝奇，杨永平.区域格网电离层模型的建立和试算[J].城市勘测，2009(05)：67-69.
[35]黄天锡.电离层电子总量空间相关性研究[C].中国通信学会卫星通信学术讨论会，1984.
[36]张孟阳，吕保维.一种利用C/A码GPS接收机实现电离层延时双频改正的方法[J].电子科学学刊，1998(02)：252-255.
[37] G C Xu. GPS Theory,Algorithms and Applications[M]. Germany：Springer，2007：57-58.
[38]梁静，罗年学，张瑞.三种对流层投影函数的比较及对定位的影响[J].测绘信息与工程，2009(03)：4-5.
[39]周命端，郭标明，孟祥广. GPS对流层延迟改正UNB3模型及其精度分析[J].测绘信息与工程，2008(04)：4-5.
[40] Tseng W H，Feng K M. Sagnac effect and diurnal correction on two-way satellite time transfer[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measuremen，2011(07)：2299-2301.
[41]李智，徐冬梅. GPS精密星历的快速插值[C].中国电子学会第四届青年学术年会论文集.北京：航空工业出版社，1998：3-4.
[42] Fujieda M. Delay difference calibration of TWSTFT earth station using multichannel modem[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2007(02)：4-6.
[43] Parker T E，Zhang V. Sources of Instabilities in Two-Way Satellite Time Transfer[C]. Proceedingsof the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition，2005：5-6.
[44]孙宏伟，李志刚，李焕信.卫星双向时间比对原理及比对误差估算[J].宇航计测技术，2001(04)：55-58.
[45] Howe D A. Time tracking error in direct-sequence spread networks due to coherence amongsignls[C]. IEEE Transactions on communications，1990：2103-2105.
[46] Fujieda M，Aida M，Maeno H. Delay Difference Calibration of TWSTFT Earth Station UsingMultichannel Modem[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement，2007(56)：347-348.
[47] Piester D，Bauch A. Time transfer with nanosecond accuracy for the realization of InternatonalAtomic Time[J]. Metrologia，2008(45)：185-198.
[48] Misra P，Enge P，罗鸣(译).全球定位系统——信号、测量与性能(第二版)(M).北京：电子工业出版社，2008：181-190.
[2]胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003：10-12.
[3]张尔扬.短波通信技术[M].北京：国防工业出版社，2002：25-30.
[4]施进平.短波通信的授时新技术研究[D].西安：中国科学院通信与信息系统学科硕士学位论文，2011：5-8.
[5]马英.罗兰-C系统时间定位技术与应用[J].中国测试技术，2005(03)：68-69.
[6]吴海涛.罗兰-C自主授时及其数据通信的研究[D].西安：中国科学院天体测量与天体力学学科博士学位论文，2002：81-83.
[7]谭述森.导航卫星双向伪距时间同步[J].中国工程科学，2006(12)：10-11.
[8]蒋磊，董淑福，陈岩.同步卫星时间传递及其精度估计[J].科学技术与工程，2009(02)：765-766.
[9]张伦.星地时间同步技术的研究[D].西安：西安电子科技大学检测技术与自动化装置学科硕士学位论文，2008：6-7.
[10] Breakiron L .The Accuracy of TWSTFT Calibrations[C]. PTTI Systems and ApplicationsMeeting，2004：139-148.
[11]张虹，李焕信，江之恒. NTSC欧亚卫星双向时间与频率传递[C]. 2009全国时间频率学术会议，2009.
[12]王正明. TAI和UTC的进展[J].宇航计测技术，2004(01)：2-3.
[13]王义遵.建设我国独立自主时间频率系统的思考[J].宇航计测技术，2004(01)：10-12.
[14]刘利.相对论时间比对理论与高精度时间同步技术[D].郑州：解放军信息工程大学大地测量学与测量工程学科博士学位论文，2004：10-11.
[15]张虹，李志刚，李焕信.中日卫星双向时间比对稳定度的测定方法[J].宇航计测技术，2007(03)：4-5.
[16]何金平.基于GPS技术的大坝位移监测系统[J].仪器仪表学报，2004(08)：438.
[17]刘铁新，翟造成.卫星导航定位与空间原子钟[J].全球定位系统，2002(04)：7-9.
[18]蔺玉亭，赵东明，高为广. GPS时间系统及其在时间比对中的应用[J].地理空间信息，2009(06)：30-31.
[19]梅艳. GPS接收机关键技术研究[D].南昌：华东交通大学计算机应用学科硕士学位论文，2009：10-12.
[20]翟造成，杨佩红.第三代卫星导航定位系统星载原子钟的新发展[J].天文学进展，2008(04)：3-4.
[21] Revnivykh S G. GLONASS Status, Development and Application[R]. International Committee onGlobal Navigation Satellite Systems(ICG) Second Meeting, Bangalore, India，2007.09.
[22] Urlichich Y . GLONASS Status Update[C]. Proc. of 39th Annual Precise Time and TimeInterval(PTTI) Meeting，2007.12.
[23] Zanello R . Precise Time Technology for Galileo[J]. Satellite Communications and NavigationSystems. Germany：Springer，2008：136-140.
[24]赵大海，宗刚.伽利略卫星导航系统概述[J].全球定位系统，2011(01)：8-9.
[25]吕伟，朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007(23)：29-32.
[26]许国宏.北斗共视授时技术研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学导航、制导与控制学科硕士学位论文，2007：3-4.
[27]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件[S/OL]. (2011).http://www.beidou.gov.cn/.
[28]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008(03)：395-396.
[29]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2007：274-280.
[30]张洪源，赵立峰.基于卫星共视的罗兰C导航系统原子频标时间同步[J].计测技术，2010：9-10.
[31]刘利，韩春好.卫星双向时间比对及其误差分析[J].天文学进展，2004(09)：222-223.
[32]王丽景. GPS系统建模与仿真技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学导航、制导与控制学科硕士学位论文，2009：43-53.
[33]李猛，廖瑛，梁加红.电离层延迟模型改进研究[J].计算机仿真，2009(10)：23-24.
[34]刘迪，兰孝奇，杨永平.区域格网电离层模型的建立和试算[J].城市勘测，2009(05)：67-69.
[35]黄天锡.电离层电子总量空间相关性研究[C].中国通信学会卫星通信学术讨论会，1984.
[36]张孟阳，吕保维.一种利用C/A码GPS接收机实现电离层延时双频改正的方法[J].电子科学学刊，1998(02)：252-255.
[37] G C Xu. GPS Theory,Algorithms and Applications[M]. Germany：Springer，2007：57-58.
[38]梁静，罗年学，张瑞.三种对流层投影函数的比较及对定位的影响[J].测绘信息与工程，2009(03)：4-5.
[39]周命端，郭标明，孟祥广. GPS对流层延迟改正UNB3模型及其精度分析[J].测绘信息与工程，2008(04)：4-5.
[40] Tseng W H，Feng K M. Sagnac effect and diurnal correction on two-way satellite time transfer[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measuremen，2011(07)：2299-2301.
[41]李智，徐冬梅. GPS精密星历的快速插值[C].中国电子学会第四届青年学术年会论文集.北京：航空工业出版社，1998：3-4.
[42] Fujieda M. Delay difference calibration of TWSTFT earth station using multichannel modem[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2007(02)：4-6.
[43] Parker T E，Zhang V. Sources of Instabilities in Two-Way Satellite Time Transfer[C]. Proceedingsof the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition，2005：5-6.
[44]孙宏伟，李志刚，李焕信.卫星双向时间比对原理及比对误差估算[J].宇航计测技术，2001(04)：55-58.
[45] Howe D A. Time tracking error in direct-sequence spread networks due to coherence amongsignls[C]. IEEE Transactions on communications，1990：2103-2105.
[46] Fujieda M，Aida M，Maeno H. Delay Difference Calibration of TWSTFT Earth Station UsingMultichannel Modem[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement，2007(56)：347-348.
[47] Piester D，Bauch A. Time transfer with nanosecond accuracy for the realization of InternatonalAtomic Time[J]. Metrologia，2008(45)：185-198.
[48] Misra P，Enge P，罗鸣(译).全球定位系统——信号、测量与性能(第二版)(M).北京：电子工业出版社，2008：181-190.