卫星双向时间频率传递,Two Way Satellite Time and Frequency Transfer(TWSTFT)

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一种通过地球同步通信卫星进行时间频率量值传递的方法。

卫星双向时间频率传递(Two Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)双方各自向卫星发射调制有时间信息的信号,由卫星转发后互相接收对方信号并解调时间信息,分别与本地时间信号进行时差测量,经数据交换后计算得到时间频率传递结果。因两信号经过路径对称或者准对称,传播时延可抵消。卫星双向时间频率传递使用专用的调制解调器将调制有时间信息的伪随机噪声(PRN)码通过相移键控技术(BPSK)调制为射频信号进行发射和接收(通常使用X或Ku波段)。

历史上首次卫星双向时间频率传递试验实现于1962年,由美国海军天文台(USNO)和英国国家物理实验室(NPL)通过TELSTAR卫星完成,不确定度达到(0.1-20)ms。随着扩频技术和伪随机码技术的应用,卫星双向时间比对不确定度水平大大提高。卫星双向时间频率传递技术已经成为时间实验室之间进行时间频率比对时广泛采用的技术之一。TWSTFT技术不但应用于通过比较本地时标进行时间传递,也应用于原子喷泉钟和氢钟之间的精密频率比对。TWSTFT比对工作由国际计量局时间频率咨询委员会(CCTF)的TWSTFT工作组负责组织实施。

至2017年底,在国际计量局(BIPM)组织的国际原子时(TAI)合作中,已有20多家时间频率实验室建有TWSTFT系统,包括美、德、法、意、韩等国的计量院和日本通信技术研究院,中国科学院国家授时中心、中国计量科学研究院和俄罗斯计量院也先后加入欧亚链路比对,卫星双向比对的不确定度A类评估结果约为0.5 ns,B类评估结果为(1-2) ns。国际上TWSTFT比对网络共建有3条比对链路:(1)欧洲-欧洲-美洲比对链,(2)欧洲-亚洲比对链,(3)亚洲-亚洲比对链。2016年开始,中国部分时间频率实验室也开展卫星双向时间频率传递实验。

自2015年开始,基于软件接收机(Software Defined Receiver, SDR)卫星双向比对技术开始受到关注,并在亚太一些实验室之间开展实验,比对结果表明该技术对于卫星双向比对中的周日现象(diurnal)有一定的抑制效果,并且相对于传统的硬件接收机,基于SDR的方法短期稳定性更优。BIPM TWSTFT工作组建议在TAI合作实验室中推广使用,并将其比对结果纳入协调世界时(UTC)的计算。

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