第1章 绪论
时间作为四维时空坐标系中的一个重要变量，确定动力学过程发生的时刻，以比较动力学过程发生的先后次序。时间是人类活动的基本信息，支撑着现代社会的有序运行，需要在相互关联的范围内统一时间，这就要进行计时设备的相互比对。如果比对距离超出了一定范围，就需要进行异地远程时间比对。时间比对是统一时间的必需技术，随着科技的发展，人们对时间比对精度的要求越来越高。
1.1 时间传递与时间比对
时间传递与授时是人们获得时间的方式。时间传递相对容易理解，从字面上就可以知道，是将时间从一个地方传到另外一个地方。授时是时间传递的一种，一般采用广播式时间传递。
古代，标准时间在观象台产生；现代，标准时间在守时实验室产生。守时实验室产生的时间虽然精密、准确，但普通大众很难到这里来看时间，即使看到，回去以后时间也已经改变。
时间传递可以将标准时间传递到人们身边。高耸的钟楼就是*简单的一种时间传递方式，人们看一下钟楼的大钟就知道时间了，也就是说，时间从钟楼的大钟传递到了观看者。更进一步，如果观看者有一块手表，根据看到的钟楼大钟时间调整手表时间，把手表的时间调到与钟楼大钟时间一样，那么他的手表时间和钟楼大钟时间就实现了时间同步。这就是时间传递和时间同步的区别：时间传递只是时间信号(简称“时号”)的传递，而时间同步是在传递的基础上进行调钟。
实际上，有两种调钟方法，一种是将两个钟的时间调得一样，这是实现了物理同步；另一种是不对手表进行调整，但知道手表的时间偏差(简称“时差”)，使用时扣掉偏差即可，这是数学上的同步。两种方法都可以使用，主要看使用者如何方便。
时间渗透生活的各个方面，成为生活的一个基本参量。时间传递也无处不在，人们使用各种通信手段进行时间传递，可以说，有通信就有时间传递。
接下来讨论传递什么时间的问题。时间传递并不规定传递什么时间，只说明将时间从一个地方传到另外一个地方，但时间需要统一到一个公认的标准，如果传递的是国家标准时间，并且使用广播的方式，那么该时间传递就可以称为授时。授时就是将国家标准时间广播出去(李孝辉等，2012)。
授时和定时是时间传递的两个方面，授时是从系统的角度来说的，定时是从接收者的角度来说的。以上课为例，从老师的角度是在授课，从学生的角度是在听课、获取知识，如果上课相当于时间传递，那么从老师的角度是授时，从学生的角度是定时。
在所有有关时间传递的概念中，时间比对与时间传递类似，时间比对是指比较两个时钟，获得两个时钟的时间偏差。如果两个时钟在同一个实验室，这种比对称为测量。如果两个时钟异地，这种比对称为时间传递。有些场合不区分时间比对、测量和时间传递的概念，本书也没有完全区分这些概念。
时间比对的方法有很多，目前使用比较多的有卫星双向时间传递、卫星共视(common view， CV)时间比对、卫星授时等，卫星共视时间比对是本书研究的重点。
1.2 共视时间比对的发展
基于导航卫星的共视时间比对，可以实现两个地方原子钟之间纳秒级的时间比对，是应用*多的时间比对方法之一。导航卫星共视时间比对的基本原理如图1.1所示。早在公元前500多年，人们已经掌握了共视时间比对的方法，当时共视的媒介是月亮。后来，随着技术的发展，共视媒介发展到木星、流星、卫星等，精度和方便性逐步提高。
图1.1导航卫星共视时间比对的基本原理
“但愿人长久，千里共婵娟”道出了共视时间比对的真谛：两个地方看同一个物体。
公元前160年，古希腊学者喜卡珀斯认为，利用月食共视很简单。
月食发生的时候，两地的两人同时观看月食，月食结束那一刻，两人记下各自的时间，就可以比较时间差异。
这就是共视时间比对的方法，两地的两人分别记下观察到同一个现象的本地时间，然后交换数据就可以实现两地的时间比对。月食什么时候发生不重要，重要的是月亮的光线同时到达两地的两人眼中，并且两人记下结束时刻所用的时间也相等。但是，月食发生得太少，需要一年甚至两年才能对一次时间。伽利略在1622年提出了解决办法：不用月食，用木星卫星食。木星有四颗卫星，这四颗卫星以很高的速度绕着木星公转，木星的卫星一年发生一千多次卫星食，每天发生两次或三次，而且这种卫星食有一定规律。伽利略编制了近似准确的木星卫星食发生表供人们使用(李孝辉等，2013)。
以上解决了对表问题，虽然木星的卫星在海上很难观测，但在陆地上伽利略的方法是可以用的。后来，巴黎天文台用这种方法在地球上观测各地的经度，取得了极大的成功，成为名震一时的研究机构。
共视方法发展的过程中，发生了两个大事件。
事件一发生在19世纪中叶，利用流星作为共视媒介，天文学家测量了相距480km的意大利西西里岛和莱切之间的经度差，精度4′′。
事件二发生在1955年到1958年，美国华盛顿的海军天文台和英国特丁顿的国家物理研究所同时测量华盛顿的WWV电台时间信号。海军天文台比较了WWV电台时间信号与世界时，国家物理研究所比较了WWV电台时间信号与其新发明的铯原子钟。根据共视测量结果，两者对世界时的秒长和原子时的秒长进行了比对，根据比对结果把原子时的秒长定义为铯原子能级跃迁9192631770周所持续的时间。这就是现在秒定义的来源。
人们采用的共视媒介，包括罗兰-C信号、广播电视信号、交流电信号，以及脉冲星的脉冲等。20世纪80年代，由全球定位系统 (global positioning system， GPS) 卫星作为共视媒介，可以将时间比对精度提高到纳秒量级。
GPS卫星发射的信号在发射端和接收端有一个明确的路径，并且可以修正得 基本相同(Kaplan et al.，2006)，它是非常理想的共视参考信号。GPS共视的性能比以前使用的罗兰-C共视的性能提高了上百倍。GPS 共视技术一出现就被计算协调世界时的国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures， BIPM) 所采用，直到今天都在使用这种方法。
随着科技的发展，必然会出现精度更高的共视媒介，共视时间比对的精度会越来越高。
1.3 共视的核心——参考源
共视时间比对技术具有比对精度覆盖面广、比对基线长、比对手段机动灵活等优点，已被广泛应用于日常生活、工业生产、国防建设和基础前沿科学研究等诸多方面。共视时间比对的精度与参考源的选择密切相关。共视参考源所携带时钟的性能、参考源与用户之间时间比对链路的误差特性会影响时间比对的精度。本节从共视时间比对的原理出发，分析参考源在共视时间比对中的作用。
1.3.1 基于不同参考源的共视时间比对
顾名思义，共视时间比对即相距一定距离的两个测站，同时观测共视参考源获取本地时间与共视参考源的时间偏差，两个观测数据求差得到两个测站本地时间的偏差。共视时间比对方法可以消除参考源到两个测站之间的时间传递共有误差，从而提高时间比对的精度。
图1.2给出了共视时间比对的基本原理(刘音华，2019)。图中的共视参考源为空间参考源，记为S，需要进行时间比对的两方为两个地面站，分别记为A和B。共视时间比对的参考源可以在空间或者地面，进行时间比对的测站也可以在空间或者地面，基本原理均与图1.2相同。
图1.2 共视时间比对的基本原理
图1.2中，观测信号从空间参考源S传送到A站的传播时延为dSA，A站观测设备需扣除dSA才能获取准确的本地时间与参考源之间的时间偏差TA.TS。设dSA的测量误差为ε(dSA)，A站的观测设备测量出的本地时间与参考源之间的时间偏差实际为TA.TS+ε(dSA)。同理，观测信号从S传送到B站的传播时延为dSB，dSB的测量误差为ε(dSB)，B站测量出的本地时间与参考源之间的时间偏差实际为TB.TS+ε(dSB)。A、B两站通过数据交互网络交换测量数据，通过求差运算可以得到A、B两站的时间偏差为TA.TB，所求结果包含两站的传播时延测量误差ε(dSA).ε(dSB)，一般ε(dSA)和ε(dSB)含有相同的误差分量，通过相减可以抵消两条时间传递路径上的共有误差。因此，共视时间比对方法可以获取比单向比对方法更高的时间比对精度。
因此，传播时延测量误差ε(dSA).ε(dSB)决定了共视时间比对的精度。图1.2中，传播时延测量误差主要包含参考源位置误差、地面站位置误差、电离层延迟改正误差、对流层延迟改正误差、地面站接收通道延迟标校误差、接收设备观测噪声、地球自转和地球引力作用引起的延迟修正误差等。
如果空间参考源位置较低，参考源发射的信号不经过电离层，传播时延测量误差就不包含电离层延迟改正误差。如果参考源在地面，地球自转和地球引力作用引起的延迟修正误差由于数量级太小，也可以忽略不计。
有些共视参考源发射的信号并不在自由空间传播，而是以地球表面作为传播介质进行时间传递。例如，罗兰-C地波信号的传播时延测量误差与参考源到地面站之间的传播距离计算误差、大地电导率变化引入的时延误差、地面站接收通道延迟标校误差、接收设备观测噪声等有关。
综上所述，传播时延测量误差与参考源和测站所处的位置、时间比对信号的传播介质等有关。不同的传播时延测量误差需要采取相应的测量手段和误差处理方法来进行高精度的测量，以实现高精度的时间比对。
1.3.2 参考源对共视时间比对的重要性
共视时间比对的精度与传播时延测量误差相关。传播时延受参考源时间比对信号的传播介质、参考源的位置特性、参考源的发播信号体制等多方面因素的影响。参考源决定了共视时间比对的性能。
目前一般基于空间参考源进行共视时间比对，如导航卫星、数字电视卫星、空间站等都可以作为共视时间比对的参考源。这些参考源距离地面的高度低则几百公里，高则几万公里，时间传播介质为自由空间。空间参考源轨道高度决定了其所在的大气层类型，与传播时延相关的大气层主要是对流层和电离层。对流层从地球表面开始向高空伸展，其厚度随着纬度增高而降低。在低纬度地区，对流层厚度为17～18km。在极地地区，对流层厚度为8～9km。电离层是指从距地球表面约50km开始一直延伸到约1000km高度的地球高层大气区域。导航卫星和数字电视卫星处于电离层上方，以其作为参考源进行地面站间的共视时间比对，需要考虑电离层延迟和对流层延迟的影响。对于导航卫星之间的时间比对，则不用考虑电离层和对流层的影响。空间站轨道高度为几百公里，以空间站作为参考源进行地面站间的共视时间比对，也需要考虑电离层延迟和对流层延迟的影响。若以空间站为参考源进行导航卫星间的时间比对，则不需要考虑对流层延迟的影响，但需要考虑电离层延迟的影响。因此，空间站参考源轨道高度决定了共视时间比对中需要处理的大气延迟类型。大气延迟的修正精度影响共视时间比对的精度。
对于非自由空间传播的共视时间比对信号，传输介质的特性直接影响传播时延。例如，以罗兰-C发射台作为共视时间比对的参考源进行两个地面站之间的时间比对，罗兰-C地波信号沿地球表面传播，从发射台到接收站经过不同的大地地质地貌，如高山、平原、沙漠、海洋、河流等，不同传输介质对传播时延的影响不同，传播时延还与季节、温度、湿度、植被覆盖等因素有关，准确测量罗兰-C地波信号的传播时延较为困难 (RTCM Standard 12700.0，2017)。罗兰-C地波信号的传输介质特性，导致利用罗兰-C发射台作为共视参考源进行时间比对的精度为微秒量级，远低于以导航卫星作为参考源的共视时间比对精度。
参考源的位置误差对共视时间比对精度的影响也较大。对于固定位置的参考源，可以事先进行精确标定。对于移动参考源，其位置误差对共视时间比对精度的影响与参考源到两接收站之间的几何位置关系、位置误差矢量的方向和大小等相关。移动速率越快
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