多测站激光测距中的时间同步方法研究

陈东隅，张子昂，范存波



多测站激光测距中的时间同步方法研究

陈东隅1,2，张子昂1，范存波1

（1. 中国科学院 国家天文台 长春人造卫星观测站，长春 130117；2. 中国科学院大学，北京 100049）

为了减小测站间时间同步偏差对多测站激光测距的影响，提高空间碎片的测定轨精度，探讨了利用GPS共视法近实时地实现测站间高精度时间同步的方法。实验选取激光测站长春站(CHAL)和日本鹿儿岛站GUTS Masda(GMSL)进行时间同步实验，并用后处理的IGS精密钟差产品对计算结果进行了验证。该方法的时间同步精度达3 ns(RMSE)，可满足多测站激光测距对时间同步精度的需求。

多测站卫星激光测距；时间同步；GPS共视法

0 引言

卫星激光测距（satellite laser ranging，SLR）的发展可追溯到20世纪60年代。该技术中，从地面观测站发射激光脉冲，经地球轨道卫星的反射回到测站，地面测站通过记录脉冲往返时间来确定测站与卫星的距离。SLR是进行天文地球动力学和空间大地测量等应用研究的重要手段[1]。随着SLR的发展，该技术逐渐应用到空间碎片的测量中，采用激光测量空间碎片可以显著提高空间碎片的轨道预报精度[2]。目前国际激光测距网可实现空间碎片常规观测的测站较少，观测数据不足。近年来ILRS（International Laser Ranging Service，国际激光测距服务组织）开展了多测站激光测距研究，由一个主测站向空间碎片发射激光脉冲，其他测站接收经空间碎片漫反射回来的激光脉冲，各测站通过计算脉冲的飞行时间确定测站与目标的距离。采用多测站测量空间碎片可增加观测量，提高定轨精度，同时也有利于快速构建空间碎片观测网[3]。

在进行多测站激光测距时，激光脉冲的发射时刻和接收时刻分别由发射站和接收站根据本地时间系统独立确定。目前各个SLR观测站多采用GPS时间和频率接收机（HP58503A）保持本地时与UTC同步，其时间同步精度约为100 ns。这仅能满足常规单站双向卫星激光测距对时间同步的需求。对于多测站激光测距，受测站间时间同步偏差影响，由发射时刻和接收时刻计算出的激光脉冲飞行时间会产生偏差，10 ns的时间同步偏差就会导致约1.5 m的测距偏差[4]。另外，在SLR系统中通常采用单光子探测器，需要利用相对准确的门控信号来控制探测器的开启时间。测站间时间同步偏差直接降低了测站探测激光脉冲的成功率。因此，实现激光发射站和接收站之间的高精度时间同步是进行多测站激光测距的关键。

目前高精度时间同步的方法主要有GPS共视法（GPS common view，GPS CV）、卫星双向时间比对法（two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）、GPS全视法（GPS all in view，GPS AV）、GPS精密单点定位（GPS precise point positioning，GPS PPP）时间传递法、甚长基线干涉测量（VLBI）时间传递法、激光及光纤时间比对法等。它们都能够将时间同步精度提高到纳秒或者亚纳秒级。但是TWSTFT法、VLBI法、激光及光纤时间同步法对设备要求较高。多测站激光测距时，一方面需要快速获得测站间时间同步偏差，以修正控制探测器开启时间的门控信号，提高探测成功率。GPS AV和GPS PPP都依赖后处理的GPS产品，与GPS共视法相比虽然时间同步精度较高，但是时效性差。另一方面，与卫星激光测距不同，空间碎片没有角反射器，只能通过漫反射进行激光测距，目前空间碎片的单站测距精度通常为米级，多测站激光测距的时间同步精度只需要控制在6ns以下[4-5]。所以GPS共视法既是对传统方法的改进又能够满足多测站激光测距对空间碎片测距精度的需求。但随着未来激光测距精度的提高，时间同步精度更高的方法具有更好的应用前景。因此，针对目前多测站激光测距的发展现状，本文提出了在进行多测站激光测距时，基于GPS共视法的时间同步方案。实验选取中国长春和日本鹿儿岛两个观测站，它们都是国际激光测距服务组织（ILRS）和国际导航系统服务组织（International GNSS Service，IGS）的并址站。为了便于分析，我们用后处理的IGS精密钟差产品作为时间同步结果的参考。经验证，本实验获得的测站间相对钟差与从IGS精密钟差产品解算出的相对钟差高度吻合，其均方根误差达3 ns。该方案具有同步精度高、运行稳定、结果可靠和可做到近实时等优点[6-7]。

1 多测站激光测距中的时间同步方案

多测站激光测距由一个主动激光发射站和多个被动接收站组成。激光发射站向空间碎片发射激光脉冲，其他各测站仅接收由空间碎片反射回来的信号。由于各个测站的时间系统存在差异，主动站发射激光的时刻与被动站所记录的时刻是存在时钟同步偏差的。图1为主动站与接收站涉及的激光脉冲传播时间示意图。

图1 主动站与接收站涉及的激光脉冲传播时间

。 （2）

为了实现激光测站时间系统的同步，需要外接一台GPS测地型接收机。利用SLR测站原有的GPS时间型接收机或者原子钟输出的10MHz作为GPS测地型接收机和SLR系统的外频率参考。将GPS测地型接收机输出的1 PPS信号，作为SLR系统的时标基准。同时，通过网络连接其他激光测站，并将测地型GPS接收机输出的伪距观测值文件按照GPS共视法处理，可得两站间的相对钟差，从而完成SLR测站间的时间同步。图2为多测站激光测距时间同步原理图。

图2 多测站激光测距时间同步原理图

2 实验研究

2.1 GPS共视法

GPS共视法以GPS卫星为媒介，通过联接两地SLR测站的GPS测地型接收机，实现测站间时间的同步[8-9]。若A、B两地的接收机在同一时刻分别观测到相同的卫星，在对观测伪距进行路径延迟、卫星位置和地球自转等改正后，可分别得到测站与卫星的钟差和，其中包括了接收机钟差和卫星钟差[10]：

， （3）

， （5）

这时，式（5）计算的是A、B两地时间系统的相对钟差。

2.2 数据处理

为了改善共视时间比对精度和便于计算相对钟差，1993年GPS时间传递标准工作组（Group on GPS Time Transfer Standards，GGTTS）制定了一个标准流程来处理短期GPS观测数据。伪距观测值经过处理，会生成时间传递标准文件（CGGTTS）[11-12]。该文件包含了跟踪卫星的编号、起始时刻、实际跟踪长度中点与所跟踪卫星的相对钟差以及电离层、对流层延时等。要计算两地的相对钟差，只需将它们的CGGTTS文件进行处理。本实验参考了CGGTTS文件的处理流程，伪距观测值经预处理后，又做了以下改正。

2.2.1 电离层改正

为削弱电离层延时的影响，实验采用双频改正模型。使用L1、L2载波的线性组合法获得无电离层延迟的伪距观测值[13]：

2.2.2 对流层改正

对流层延迟模型采用了目前应用比较广泛的霍普菲尔德（Hopfield）模型[14]。投影函数则选用了GMF（global mapping functions）[15]。虽然，目前使用最广泛的投影函数是NMF（Niell mapping function），但是它对测站的纬度大小不敏感，这在一些地区会产生系统性的扭曲（例如中国的东北地区和日本），影响改正精度。而GMF投影函数可以避免这个问题[16]。

2.2.3 其他误差改正

其他误差还包括卫星轨道误差、地球自转效应和设备延时等。

卫星轨道误差是由于卫星星历本身存在误差，导致解算出的卫星位置出现偏差。削弱轨道误差的方法主要是采用精密星历，但精密星历两周后才能给出，这使得它的时效性大打折扣。而实时产生的广播星历精度相对较差，我们需要根据具体需求选择星历文件。

地球自转会导致星地的相对位置发生变化。虽然卫星信号以光速传播，到达接收机的时间极短，但是由于信号在传播过程中，地球是转动的，因此星地之间的相对位置会有所改变，对时间同步结果产生影响。

通过下列公式计算改正后的卫星位置:

， （8）

卫星信号在通过接收机等设备时也会产生延时，对于某一观测站而言，设备延迟是相对固定的。因此，我们需要对所使用的GPS接收机、天线和电缆进行标校来确定它们的延时。

2.2.4 共视卫星的选取

在数据处理过程中，同一时间段内会有多颗共视卫星。通常需要根据国际计量局（BIPM）给出的寻星表选星。寻星表每半年更新一次，选取共视卫星的原则是：在某一时间段内，选取在地平线以上，具有合适的高度角，并且离参与时间比对的时间实验室的几何距离大致相等的卫星作为这个区域的共视卫星，它本身与GPS卫星所搭载的卫星钟以及卫星性能没有绝对的关系[17]。另外，还可以通过按仰角加权的方法处理共视资料，这样可以充分利用观测数据，抑制多径因素的影响，提高比对精度[18]。

3 结果分析

实验处理了连续6 d的伪距观测数据，解算了中国CHAL站和日本GMSL观测站的相对钟差，它们的基线长度约1 430 km。为便于与IGS钟差产品作比较，在数据处理过程中，参考了CGGTTS格式的处理流程，采用 30 s采样间隔RINEX伪距观测值计算，最终生成5 min采样间隔的相对钟差。

从一天中选取了一段时间内的多颗共视卫星，解算出测站间相对钟差，如图3所示。由图3可发现它们的整体趋势是一致的，但是对不同卫星的计算结果之间存在着差异。

图3 多颗共视卫星计算的相对钟差

为了充分利用数据，我们根据实际情况对卫星的选择进行了优化。实验中滤掉了高度角小于20°的卫星，并且剔除了误差较大的计算结果所对应的共视卫星。将剩下的计算结果进行算术平均，以此作为最终的相对钟差。

图4为2014年4月28日的数据，虚线表示基于利用测地型接收机进行的GPS共视法计算得到的中国CHAL观测站和日本GMSL观测站的相对钟差。实线是通过分别提取IGS精密钟差文件中CHAL和GMSL的钟差值，由它们计算出的相对钟差，可视为参考值。IGS精密钟差产品的精度可达到25 ps，但是它并没有扣除接收机硬件延时和电缆的延时，而是将它们视为本地钟的偏差。因此，钟差的参考值与真实值间有一个固定偏差，笔者在进行数据处理时也未扣除。

图4 相对钟差的比较

图5为一天的计算值与参考值之间的残差图，采样间隔为5 min。它是由CHAL和GMSL相对钟差的计算值减去参考值得到的。实验中剔除了残差异常点。

图5 计算值与参考值的残差图

图6中（a）表示基于测地型接收机，采用GPS共视法计算出的两个观测站的相对钟差。图（b）表示利用IGS提供的精密钟差文件计算出的相对钟差。图（c）表示（a）所示钟差和（b）所示钟差之间的残差。由图（c）可以发现，二者的残差在±5ns区间内，说明CHAL和GMSL相对钟差的计算值与参考值的吻合程度很好。

图6 连续6 d的相对钟差及残差图

表1给出了2014年4月28日至5月3日（即约化儒略日56 775至56 780），采用GPS共视法计算出的CHAL站与GMSL站相对钟差的均方根误差。从表中可以看出，它们相对钟差的均方根误差在2.5 ns至3.5 ns之间，相较于SLR测站间传统的时间比对方式，该方法的时间同步精度具有较大提高。

表1 均方根误差

表1 均方根误差

约化儒略日MJD均方根误差RMSE/ns 56 7752.6 56 7763.5 56 7772.9 56 7782.8 56 7793.1 56 7802.5

4 结语

本文采用GPS测地型接收机，使用 GPS共视法，实现了多测站激光测距应用中各激光测站间的高精度时间同步。实验选取了中国长春和日本鹿儿岛两个观测站参与计算，并将最终计算得到的SLR测站间的相对钟差与IGS精密钟差产品作比较，可验证其均方根误差约3 ns。相较于目前各SLR观测台站利用GPS时间型接收机进行时间同步，该方法可将各SLR测站间时间同步精度从100 ns左右改进到3 ns，可以满足多测站激光测距对时间同步精度的需求。

[1] PEARLMAN M R, DEGNAN J J, BOSWORTH J M. The international laser ranging service[J]. Advances in Space Research, 2002, 30(2): 135-143.

[2] BENNETT J C, SANG J, SMITH C H, et al. Accurate orbit predictions for debris orbit manoeuvre using ground-based lasers[J]. Advances in Space Research, 2013, 52(11): 1876-1887.

[3] KIRCHNER G, KOIDL F, PLONER M, et al. Multistatic Laser Ranging to Space Debris[C]//18th International Workshop on Laser Ranging, 2013: 13-0213.

[4] WIRNSBERGER H, BAUR O, KIRCHNER G. Space debris orbit prediction errors using bi-static laser observations. Case study: ENVISAT[J]. Advances in Space Research, 2015, 55(11): 2607-2615.

[5] 吴连大. 人造卫星与空间碎片的轨道和探测[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2011: 7-8.

[6] LEVINE J. Introduction to time and frequency metrology[J]. Review of scientific instruments, 1999, 70(6): 2567-2596.

[7] LOMBARDI M A, NELSON L M, NOVICK AN, et al. Time and frequency measurements using the Global Positioning System[C]//Measurement Science Conference, 2001: 26-33.

[8] 李孝辉, 杨旭海, 刘娅, 等. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2011: 46-60.

[9] LEVINE J. Time transfer using multi-channel GPS receivers[J]. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, IEEE Transactions on, 1999, 46(2): 392-398.

[10] GUIGEN N, JINGNAN L. Application of geodetic receivers to timing and time transfer[J]. Geo-spatial Information Science, 2005, 8(1): 8-13.

[11] LOMBARDI M A, NELSON L M, NOVICK A N, et al. Time and frequency measurements using the global positioning system[J]. Cal Lab: International Journal of Metrology, 2001, 8(3): 26-33.

[12] DEFRAIGNE P, PETIT G. Time transfer to TAI using geodetic receivers[J]. Metrologia, 2003, 40(4): 184.

[13] 韩雪峰, 李建文, 刘雪瑞, 等. 两种电离层延迟改正方法的对比研究[J]. 海洋测绘, 2012, 32(5): 7-10.

[14] 曲建光. 由Saastamoinen和Hopfield模型推算水汽含量的比较与分析[J]. 测绘工程, 1999, 8(4): 22-27.

[15] BÖHM J, NIELL A, TREGONING P, et al. Global mapping function (GMF): A new empirical mapping function based on numerical weather model data[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(7): 1-4.

[16] BOEHM J, HEINKELMANN R, SCHUH H. Short note: a global model of pressure and temperature for geodetic applications[J]. Journal of Geodesy, 2007, 81(10): 679-683.

[17] DEFRAIGNE P, BRUYNINX C. Time transfer for TAI using a geodetic receiver: an example with the Ashtech ZXII-T[J]. GPS Solutions, 2001, 5(2): 43-50.

[18] 卢晓春, 杨旭海, 李孝辉, 等. 一种新的多通道 GPS 共视资料的处理算法[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2003, 28(6): 736-739.

Time synchronization in multi-station laser ranging

CHEN Dong-yu1,2, ZHANG Zi-ang1, FAN Cun-bo1

(1. Changchun Observatory, National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130117, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to reduce the influence of time synchronization deviation between observation stations on the multi-station laser ranging and improve the orbit-determination precision for space debris, we discussed a method based on GPS common view for realizing the high-precision time synchronization between stations almost in real time. The Changchun station (CHAL) and GUTS Masda station (GMSL) were chosen to conduct the time synchronization experiment, and the calculated results are compared with IGS clock-difference product. The result shows that the precision of time synchronization for this method is 3 nanoseconds, meeting the needs of multi-station laser ranging in time synchronization.

multi-station laser ranging; time synchronization; GPS common view

P127.1

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-04-0282-08

2016-05-21

国家自然科学基金资助项目（11103047）；中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室开放基金资助项目（2014PNTT10）

陈东隅，男，硕士研究生，主要从事卫星导航，时间频率传递等方面的研究。