第1章精密时间传递发展概论
1.1综述
时间作为一个基本物理量，它的测量依靠物质的连续运动。在人类历史发展的漫漫长河中，天文时间系统为推动人类社会进步和科学发展发挥了巨大的作用。1955年，英国皇家物理实验室研制成功了世界上**套铯原子频率标准，开创了原子频率标准的新纪元，随后出现了世界范围的原子时系统。原子时系统的出现将时间测量系统从宏观世界发展到了原子物理学的微观世界，其准确度也由天文系统的量级跃升到了原子频标的量级。19H年的国际计量大会正式指定由国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）建立的原子时作为国际原子时（International Atomic Time，TAI）。截至2018年，全世界约有85个实验室的近五百台原子钟参与了TAI的计算。
对于TAI而言，如何使这些分布于世界各地的原子钟建立联系是实现TAI计算的基础，而高精度的远程时间传递技术为其提供了重要支撑。同时，随着现代社会信息化、智能化的不断发展，髙精度的时间频率已经成为关乎国计民生、国防**、科学研究等领域重要的基础设施和战略资源。对于这些高精度时间用户而言，远程时间传递技术也是与国家标准时间频率系统建立联系的重要手段。因此，开展高精度远程时间传递方面的研究意义重大。
1.2时间传递的背景
远程时间传递技术伴随着人们对时间准确度及时间同步的精度需求而不断发展。事实上，就分布于不同地点的原子钟而言，*简单、*直接的时间传递的方法就是利用便携式原子钟在一个参考点与参考钟同步好，将其作为媒介，搬运到其他需要同步和测试的原子钟处，用时间间隔计数器在各点进行测试比对，*后返回参考点后再和参考钟比对。但是，这种搬运钟的方法要求便携式原子钟在搬运期间必须自备电池维持供电以便其能够连续不间断地运转。同时，在搬运期间原子钟易受外界环境影响，特别是在世界范围内的洲际搬运钟存在着时间传递效率低、成本高、周期长等缺点，导致该技术难以在实际工作中得到广泛应用。
1957年10月4日，随着世界上**颗人造地球卫星的成功发射，空间科学技术的发展也步人了一个新的时代。人们在选择远程时间传递中的媒介时将目光投向了卫星。1962年，横跨大西洋的美国和英国之间使用Telstar卫星进行**次卫星双向时间频率传递（Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TW-STFT）实验。TWSTFT技术主要是将位于两地的原子钟频率标准通过地面专用设备同时向卫星发射调制时间信号，经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信号，两地面站将接收的信号资料互换后相减，得到两站之间高精度的时间频率差。由于在卫星双向时间比对的过程中信号是对称的，原则上传播路径弓丨起的误差在很大程度上可以得到抵消，其时间传递精度和效率明显优于传统的搬运钟的方法。因此，自1999年起，BIPM已将其应用到了TAI计算中。但是，从TWSTFT技术的传递过程中可以看出，其要求链路两端的站点必须能够同时向卫星发射和接收时间信息。为此，用户需要付出高昂的专业设备成本，并制订严格的时间传递方案。因此，TWSTFT技术大多应用于国际时间实验室之间的事务性时间传递，对于普通的高精度时间用户而言显得难以触及。
1979年，随着美国**颗BlockI实验卫星的发射，全球定位系统（GlobalPositioning System，GPS）的建设正式开始，该项目的*初目的主要是为用户提供髙精度的导航和定位服务。事实上，GPS的工作原理主要是测量卫星无线电信号到达时间。即不论是在地面控制端，还是在空间的卫星端，没有高精度的时间频率，GPS就不可能实现高精度的导航与定位。换句话说，GPS本质上就是一个空地一体的时间测量系统。随着GPS时间系统的建立，人们发现还可以将其作为一种新的媒介应用到远程时间传递领域中。目前，GPS不仅能够提供定位、导航的服务，还能提供授时服务，成为综合定位导航与授时（Positioning Navigation and Timing，PNT）体系中重要的技术手段。相对于其他时间传递技术，GPS具有应用效率高、成本低、设备体积小、机动灵活、维护简单等特点，已逐渐成为BIPM*重要的时间传递技术。近年来，随着全球导航卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的不断建设完善，特别是俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统（GLObal Navigation Satellite System，GLONASS）的逐渐恢复，以及我国的北斗导航卫星系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的快速发展，形成了覆盖亚太地区的全天候区域导航系统（BDS-2）和新一代的北斗全球导航卫星系统（BDS-3）。另外，欧盟伽利略（Galileo）导航卫星系统（简称Galileo系统）、日本准天顶导航卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）以及印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigtion Satellite System，IRNSS）等也都取得了长足的发展，使卫星导航星空群星璀璨，为基于GNSS的远程精密时间传递工作提供了丰富的卫星资源。
然而，目前的时间传递工作大多依靠单GPS系统进行，其作用范围主要集中在国际时间实验室之间。相对于普通的高精度时间用户而言，由于其工作环境及设备性能方面存在着一定的不足，现有时间传递方法存在的诸多关键技术问题并不能通过长期反复观测的方式较好地解决。同时，随着多模GNSS技术的不断发展，研究如何有效整合多模GNSS卫星资源，提供高效、可靠、安全的远程时间传递服务成为当前国内外时间工作者关注的热点问题。因而，进行GNSS时间传递中的关键技术研究是一项非常具有理论意义和实用价值的研究课题，也是当前综合PNT领域*重要的任务之一。
1.3国内外发展现状
Allan和Weiss于1980年*次提出了利用GPS共视（Common View，CV）技术进行时间传递的方法，开创了导航卫星用于远程时间传递的先河。此后三十多年里，GPSCV方法以其计算简单、易于实现等特点，得到了国内外学者的广泛认可。国内方面，1987年7月12日至18日，航天部203所和电子部导航所、中国科学院国家授时中心（原陕西天文台）、武汉测地所和空间物理所等单位通力合作，在我国*次进行了GPSCV方法的时间传递试验，开始了我国基于GPS卫星进行时间传递的研究工作。1998年，王正明对GPS测时精度与共视问题进行了系统性分析，厘清了实际应用中的关键概念和技术问题。2003年，杨旭海利用卡尔曼滤波算法开展了近实时GPSCV时间频率传递方法的研究，并通过设置低通滤波器的时间常数，利用时差法间接进行频率测量，克服了由于GPS秒信号、铷钟秒信号不稳定和测量噪声带来的影响。2004年，张越和高小珣对GPSCV方法时间传递的参数进行了系统性研究，并于2008年通过对多通道GPSCY接收机的分析，开展了GPSCV时间频率传递的实验，进一步推动了卫星共视法时间传递在实际中的应用。然而，如图1-1所示，CV技术要求时间传递链路两端的观测站必须同时观测同一颗卫星，导致其随着时间传递链路的增长，观测误差的相关性逐渐降低。因此，CV技术时间传递的精度也会随之迅速降低。
随着国际GNSS服务组织（International GNSS Service，IGS）与国际时频机构合作的不断深入，国际全球导航卫星系统服务时间（IGST）的时间尺度逐渐被建立。2004年Jiang和Petit提出了GPSAV（Allin View，AV）时间传递方法。这种方法主要是GPS单站观测，利用伪距观测值的单点定位技术将测站钟差统一归算到IGST时间尺度上，*后再以此为媒介完成两个站点间的远程时间传递。GPSAV方法提出后得到了国际上的广泛认可，国际时间频率咨询委员会（Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF）于2006年9月正式决定采用AV方法代替CV方法进行TAI的计算。但是，不论是CV方法还是AV方法，所利用的观测量都是伪距观测量，考虑到GNSS载波相位观测量精度高于其近两个数量级，为了进一步提高GNSS远程时间比对的精度，在传统AV方法的基础上增加载波相位观测量的时间传递方法被提出，即载波相位（Carrier Phase，CP）时间传递方法。如图1-2所示，CP方法一方面继承了传统AV方法不受时间传递链路长度限制的优势，另一方面又利用了载波相位观测值低噪声的优势，使得其可以获得高精度的时间传递效果，并在时间传递领域中得到了长足的发展。事实上，CP技术在数学模型和原理上与大地测量中的精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术一致，因此在不严格区分应用领域的情况下，又将载波相位时间传递称为PPP时间传递。
GNSS载波相位时间传递技术自提出以来，国内外众多学者对GNSS载波相位时间传递技术进行了广泛的研究，取得了诸多研究成果。国外方面，1997年12月，IGS与BIPM联合发起了利用GPS进行时间传递的研究计划，旨在利用GPS载波相位和测距码伪距观测值进行全球范围内的精密时间传递技术研究。1999年，Larson和Levine在美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）与美国海军天文台（United States Naval Observato-ry，USNO）之间进行了60天的载波相位时间传递实验，认为CP技术明显地优于传统的CV技术;2004年，Costa等在意大利国家电子技术研究所（Istituto Elettro-tecnico Nazionale，IEN）和德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische BUndesanstalt，PTB）两个机构之间进行的载波相位时间传递实验表明CP技术优于传统的AV技术，特别是在短期和中期稳定度方面优势更加明显。2005年，
Orgiazzi等利用加拿大自然资源中心的NRCan（Natural Resources Canada）软件对9个国际时间实验室的GPS观测数据进行了处理，着重评估了GPSCP时间传递的短期噪声;Dach利用BerneseGPS软件通过对多天数据的连续CP算法来平衡“天跳变”影响，进而提高了CP时间传递的稳定性技术;2006年，Jiang等将GPSCV、AV、CP技术与TWSTFT技术做了对比分析，并证明了融合CP技术与TW-STFT技术可以有效削弱TWSTFT技术的周日和漂移效应。2007年，Petit和Jiang利用GPSCP技术实现了USNO与PTB之间链路的TAI比对计算，开始了CP技术在TAI获得中的应用Defraigne等利用比利时皇家天文台的Atomium软件实现了仅采用载波相位观测值进行时间传递的功能，取得了较好的时间传递性能，同时Defraigne和Bruyninx研究并指出了“天跳变”现象与测距码伪距之间存在相关性。2009年Jiang等将融合GPS CP和TWSTFT的技术应用于协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）UTC/TAI的计算中，旨在提高其稳健性，同时通过实验分析了GLONASS的频间偏差对联合GPS、GLONASS时间传递的影响，认为应该将联合GPS、GLONASS的时间传递方法应用到国际UTC的传递工作中。2013年，Yao等提出了RINEX-Shift算法用于削弱GPSCP技术中的“天跳变”现象，并对其在实际应用中的效果进行了分析验证。
国内方面，2002年，聂桂根较早
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