一种高精度远程时间同步方法

摘要

本发明公开了一种高精度远程时间同步方法，通过搭建高精度时间同步系统、主站（1）与从站进行时间比对和从站进行本地时差预报，完成主站（1）和单个从站的时间同步，各从站和主站（1）依次进行轮回比对与时差预报，最终实现各从站与主站（1）的时间同步。本发明利用卫星双向时间比对、结合时分比对和时差预报技术，可以实现站间实时纳秒级时间同步，且系统独立，不易受到干扰，有效解决了基于GPS的时间同步方法的各种缺点。

主权项

1.一种高精度远程时间同步方法，其特征在于该方法的具体步骤为：第一步  搭建高精度时间同步系统高精度时间同步系统，包括：一个主站（1）和多个从站；主站（1），包括：主原子钟（8）、主时间频率综合器（9）、主时间比对调制解调器（10）、主卫通收发机（11）、主卫通天线（12）和链路切换模块（13）；从站，包括：从原子钟（14）、从时间频率综合器（15）、从时间比对调制解调器（16）、从卫通收发机（17）、从卫通天线（18）和时差数据采集预报模块（19）；主站（1）与从站之间通过地球同步卫星建立卫星双向时间比对链路；在主站（1）中，主原子钟（8）10MHz信号输出端口与主时间频率综合器（9）的参考输入端相连，主时间频率综合器（9）的10MHz和1PPS信号输出端口与主时间比对调制解调器（10）的参考输入端相连，主时间比对调制解调器（10）的中频输出端与主卫通收发机（11）的中频输入端口相连，主时间比对调制解调器（10）的中频输入端与主卫通收发机（11）的中频输出端口相连，主卫星收发机的微波输入输出端与主天线馈源端相连，链路切换模块（13）与主时间比对调制解调器（10）控制端口相连；在从站中，从原子钟（14）10MHz信号输出端口与从时间频率综合器（15）的参考输入端相连，从时间频率综合器（15）的10MHz和1PPS信号输出端口与从时间比对调制解调器（16）的参考输入端相连，从时间比对调制解调器（16）的中频输出端与从卫通收发机（17）的中频输入端口相连，从时间比对调制解调器（16）的中频输入端与从卫通收发机（17）的中频输出端口相连，从卫星收发机的微波输入输出端与从天线馈源端相连，时差数据采集预报模块（19）与从时间比对调制解调器（16）数据端口相连；链路切换模块（13）的功能为：周期性地向主时间比对调制解调器（10）控制端写入链路切换控制命令，实现主站（1）与各从站间的链路切换；时差数据采集预报模块（19）的功能为：采集从时间比对调制解调器（16）的测量数据，在链路工作期间将测量时差数据输出给用户，在链路中断期间将预报时差数据输出给用户；第二步 主站（1）与从站进行时间比对主站（1）是整个时间同步系统的基准站，各从站通过与主站（1）进行卫星双向时间比对测量本地秒脉冲与主站（1）秒脉冲相对时差、时速和时漂参数；在主站（1）与从站比对时，主站（1）通过主卫通天线（12）向卫星发射信号，通信卫星接收主站（1）信号并进行转发，从站利用从卫通天线（18）接收该转发信号，与此同时，从站也通过从卫通天线（18）向卫星发射信号，通信卫星接收从站信号并进行转发，主站（1）利用主卫通天线（12）接收该转发信号，如此实现主站（1）与从站的卫星双向时间比对；主站（1）在同一时间只能与一个从站进行时间比对，完成一个时间比对周期后再，主站（1）再和下一个从站进行卫星双向时间比对，并依次轮回比对；从站相对主站（1）的时差将根据比对期间测量时差、时速、时漂参数来进行预报；主原子钟（8）是各站的频率基准，它提供准确稳定的10MHz参考频率信号，一般选用性能较优铯钟或氢钟，主原子钟（8）信号经过主时间频率综合器（9）产生各种1PPS、10MHz和10.23MHz信号，其中一路1PPS和10MHz信号输出至主时间比对调制解调器（10），主时间比对调制解调器（10）将1PPS信号调制到中频70MHz并输出至主卫通收发机（11），主卫通收发机（11）对该信号进行变频放大后经主卫通天线（12）发送到卫星转发器；从卫通天线（18）接收到卫星转发的主站（1）对时调制信号，输出至从卫通收发机（17），收发机对下行信号进行放大变频处理，由从时间比对调制解调器（16）对信号进行解调，恢复其中的1PPS信号，并测量本地1PPS与恢复1PPS之时间间隔；与此同时，从站也按照同样的方式向主站（1）发送对时调制信号，主站（1）也以同样的方式对从站信号进行接收解调，测量本地1PPS与恢复1PPS之时间间隔；设主站（1）的时间间隔测量值为，从站的测量值为，则从站相对于主站（1）的钟差为：（1）公式（1）中，为系统的测量误差，它主要受设备时延差异、地球自转、电离层因素的影响；由于比对噪声的存在，时间比对过程需要持续一段时间，以便于对比对数据进行平滑和参数估计；当某从站和主站（1）完成一段比对后，时差数据采集预报模块（19）立即对比对数据进行处理和预报，同时链路切换模块（13）将主站（1）时间比对链路切换到下一个从站开始比对；第三步  从站进行本地时差预报在比对过程中从站的时差数据采集预报模块（19）连续采集主从站时间比对数据，当比对完成后对比对数据进行整理，根据从原子钟（14）的走时模型，从站相对与主站（1）的比对数据可以用二次曲线来表示，如式（2）所示：（2）公式（2）中，从站相对于主站（1）的钟差；为时间序列；为对应时间；为比对样本数；为比对误差；为初始钟差；为钟速；为钟漂；将实际比对数据代入公式（2）利用最小二乘拟合法得到从站相对与主站（1）的钟差、钟速和钟漂参数的估计值为：（3）公式（3）中，，为估计参数向量，为初始钟差估值，为钟速估计值，为钟漂估计值；，为转移矩阵，、……为测量样本对应时间；，为观测矢量，、……为测量样本；因此，得到从站相对于主站（1）的钟差预报方程为：（4）当时，公式（4）中便为从站相对于主站（1）的预报钟差，将从时间频率综合器（15）输出的1PPS信号、10MHz或10.23MHz信号输出给用户，并由时差数据采集预报模块（19）将钟差预报值输出给用户；至此，完成主站（1）和单个从站的时间同步，同理，各从站和主站（1）依次进行轮回比对与时差预报，最终实现各从站与主站（1）的时间同步。