基于路径估计的卫星双向传播时延差估算方法

杨文可，占建伟，龚航，朱祥维，孙广富

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙，410073)

摘要：利用卫星广播星历，采用坐标旋转修正Sagnac效应，获知信号传播路径；综合考虑Sagnac效应修正和双向伪距离时延差、电离层时延修正、对流层时延修正，对单向传播时延进行建模，提出一种迭代计算卫星双向时间频率传递(TWSTFT)中双向空间传播时延差的方法。利用北斗导航系统中相距3 376 km的两地面站经过位于东经140°的GEO卫星建立的C波段TWSTFT进行2 d实验。实验结果表明：相比于国际权度局推荐的计算方法，该方法能更好地反映实际双向链路的卫星双向传播时延差随卫星运动而改变的情况，并且卫星运动不但使得双向几何距离时延差(包含Sagnac效应修正)出现幅度为0.412 ns、均值偏差为77 ps的日波动，还造成了双向电离层时延差出现最大幅度为0.120 ns、均值偏差为31 ps的日波动，需从双向测量结果中扣除。

关键词：卫星双向时间频率传递；卫星广播星历；迭代法；Sagnac效应修正；电离层时延修正；日波动

中图分类号：TN92              文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)01-0117-07

Non-reciprocity of satellite two-way propagation delay estimation based on signal path determination

YANG Wenke, ZHAN Jianwei, GONG Hang, ZHU Xiangwei, SUN Guangfu

(College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract: An iterative method of non-reciprocity of two-way propagation delay estimation based on signal propagation path determination by coordinate rotation for Sagnac effect correction with the knowledge of the broadcast satellite ephemeris was proposed. Not only the geometry path delay difference (including Sagnac effect correction), but also the satellite motion effect on ionospheric correction and tropospheric correction were considered. The C-band TWSTFT via GEO satellite at E140° experiment data of two days between two ground stations apart from each other for 3 376 km was analyzed. The results show that this method can better reflect the satellite motion effect on the non-reciprocity of two-way propagation path delay than the normal method introduced by BIPM. The satellite motion induces the diurnal with the amplitude of 0.412 ns and bias of 77 ps in two-way geometry path delay difference, and the diurnal with the maximum amplitude of 0.120 ns and bias of 31 ps in two-way ionospheric delay difference.

Key words: two-way satellite time and frequency transfer; broadcast ephemeris; iterative calculation; Sagnac effect correction; ionospheric correction; diurnal

采用静地轨道(GEO)卫星的卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是国际上最重要的实现远程时间比对的方法之一，而包括地球自转效应(Sagnac效应)修正、电离层时延差、对流层时延差等在内的双向空间传播时延差是造成TWSTFT所测量的钟差存在偏差的主要因素^[1]。实际上，由于各种摄动力的存在^[2]，GEO卫星相对于地面站存在相对运动。国际权度局(BIPM)给出的TWSTFT数据处理指导^[1]以理想GEO卫星为基础，给出了计算Sagnac效应修正量、电离层时延差的方法，该方法是国际上一般处理TWSTFT数据的方法，本文简称其为BIPM法。虽然其中提到了卫星运动对双向Sagnac效应修正量、双向几何距离时延差的影响量级，但未给出估算方法。研究卫星运动对TWSTFT影响的文献中，一般只分析了卫星运动对Sagnac效应修正量的影响^[3-6]及双向几何距离差^{[3-4, 7-8]}，而忽略了卫星运动对电离层时延差、对流层时延差的影响。其中，Sagnac效应修正量的分析一般以BIPM法中的Sagnac效应修正公式为基础^{[3, 5-6]}；分析双向几何距离差时，一般是以两地面站与卫星之间的距离差除以光速估算得到地面站信号到达卫星的时差，再结合卫星速度进行估算^[7-8]。以上分析方法未考虑信号真实传播路径，未综合考虑信号传播方向上经历的Sagnac效应、几何路径时延、电离层时延、对流层时延等，并且一般以模型^[3]或精度为几十千米的轨道数据^{[4, 8]}来描述卫星运动，存在误差。在北斗导航系统中，基于GEO导航卫星的TWSTFT实现站间时间同步^[9]，且该GEO卫星具有2 h拟合精度好于0.1 m、径向误差为厘米量级的广播星历^[10]。不同于前述文献所提方法，本文作者以广播星历数据为依托，对卫星或地面站的坐标进行旋转来修正Sagnac效应，获知真实信号传播路径，并综合考虑几何路径时延、电离层时延修正、对流层时延修正等对卫星与地面站之间的单向空间传播时延建模，提出一种利用迭代法分别计算上行、下行信号时延，并精确计算TWSTFT中双向空间传播时延差的方法。

1  卫星双向时延模型

当考虑卫星相对于地面站的相对运动时，卫星双向时间频率传递的时延模型如图1所示。

图1中，τ_Ui为地面站i(i=1, 2)到卫星的上行信号空间传播时延，包含4部分：由地面站i到卫星的伪几何距离时延τ_Ui|_SatP、地球自转效应(Sagnac效应)时延修正τ_SCUi、电离层时延修正τ_Ui|_Ion、对流层时延修正τ_Ui|_Trop；τ_Di为卫星到地面站i的下行信号空间传播时延，也包含4部分：由卫星到地面站i的伪几何距离时延τ_Di|_SatP、Sagnac效应时延修正τ_SCDi、电离层时延修正τ_Di|_Ion、对流层时延修正τ_Di|_Trop；τ_Ti和τ_Ri分别为地面站i发射信号时延和接收信号时延；τ_Sij(i=1, 2, j=1, 2, i≠j)为卫星由地面站i向地面站j转发信号时延。

其中，之所以称τ_Ui|_SatP和τ_Di|_SatP为伪几何距离时延，是由于该几何距离时延未考虑Sagnac效应的影响，不同于将伪几何距离时延经过Sagnac效应修正得到的地面站到卫星(或卫星到地面站)真实传播几何路径时延，记为τ_Ui|_Sat(或τ_Di|_Sat)。

图1  卫星双向时间频率传递的时延模型示意图

Fig. 1  Schematic diagram of two-way satellite time and frequency transfer with satellite in motion

当记以钟i为参考测量所得的地面站j的信号时延为P_Rij(i=1, 2，j=1, 2，i≠j)时，钟1与钟2之间的时差，记为T₁-T₂，可表示为^[1]：

         (1)

式中：0.5((τ_T1-τ_R1)-(τ_T2-τ_R2))为双向地面站发射时延与接收时延差；0.5(τ_S12-τ_S21)为双向卫星转发时延差，这两者可通过标定获得^{[1, 11]}。因此，为精确计算双向时延差，即式(1)等式右边除双向测量时差0.5(P_R21-P_R12)以外，还需确定双向空间传播时延差0.5((τ_U1-τ_D1)- (τ_U2-τ_D2))，记为τ_UD，且可分解为

    (2)

2  算法原理

对下行或上行信号传播时延的估算是一个基于信号路径估计的迭代计算的过程，基本流程如图2所示。

图2  单向信号传播时延迭代计算流程

Fig. 2  One-way signal propagation delay iterative calculation flow

2.1  下行信号传播时延模型

如图1所示，以卫星到地面站1的下行链路为例，下行信号时延τ_Dn1，可表示为

    (3)

其中，地面站1信号接收时延可通过标校获得^[11]。以下分析除τ_R1以外的时延计算模型，即

    (4)

2.1.1  Sagnac效应修正

在式(2)中对下行信号时延的Sagnac效应的修正是以时延修正量τ_SCD1的方式表示的。然而，本质上，下行信号时延的Sagnac效应修正是为了获得卫星到地面站方向的信号传播路径。为此，本文对卫星位置坐标进行修正，获得信号实际传播路径，具体过程如下。

(1) 假设下行信号时延为τ_Dn1，地面站1接收信号时刻为t_r1，则可知卫星转发信号时刻t_tr21为

                   (5)

 (2) 对卫星广播星历进行插值，获得在t_tr21时刻的地心地固(ECEF)坐标系下卫星位置{x_s, y_s, z_s}，记为S；

(3) 地球旋转速率设为，将{x_s, y_s, z_s}修正至地面站1接收信号时刻t_r1的ECEF坐标系下坐标，记为^[12]：

    (6)

(4) 地面站1在t_r1的ECEF坐标系下的坐标{x₁, y₁, z₁}，记为GS1，与卫星位置之间的连线方向是实际信号传播路径。其中，GS1为已知量。另外，据式(6)，由t_r1，t_tr21和S共同决定。已知t_r1，同时，当星历已知时，S实际上由t_tr21决定。由此，是t_tr21的函数，且τ_R1已知，则据式(5)和式(4)可知实际上是τ_D1的函数，记为

              (7)

2.1.2  几何距离时延

当经过Sagnac效应修正后，伪几何距离时延τ_D1|_SatP修正为几何距离时延τ_D1|_Sat，即

       (8)

其中：c为光在真空中传播的速度，为299 792 458 m/s。

可见：几何距离时延τ_D1|_Sat是地面站1坐标GS1与经Sagnac效应修正的转发信号时刻卫星坐标的函数。若隐去已知量，结合式(7)，则 τ_D1|_Sat也可简记为τ_D1的函数：

      (9)

2.1.3  电离层时延修正

由于电离层折射引起的伪码相位时延修正量τ_D1|_Ion可写为^[1]

            (10)

其中：s为倾斜因子，由信号传播路径决定，是经Sagnac效应修正的转发信号时刻t_tr21卫星坐标和地面站1坐标GS1的函数；T_EC为地面站1顶端垂直方向上总电子数，可采用IGS提供的电离层网格参数^[13]进行时间和空间上的线性插值计算得到，是卫星转发信号时刻t_tr21和地面站1坐标GS1的函数；f_d为下行信号载波频率，为已知量。

若隐去已知量，结合式(6)，则τ_D1|_Ion同样可简记为τ_D1的函数：

            (11)

2.1.4  对流层时延修正

对流层时延修正模型有多种，本文使用Collins模型，则τ_D1|_Trop可写为^[14]

      (12)

其中：h为地面站1高度；ε为地面站1对卫星的仰角。

由于地面站1高度h可由其ECEF坐标GS1转换得到，地面站1对卫星仰角ε是GS1和的函数。则隐去已知量，结合式(7)，τ_D1|_Trop可简写为

           (13)

2.2  上行信号空间传播时延

仍以地面站2到卫星到地面站1的链路为例，说明当计算得到卫星到地面站1的下行信号空间传播时延τ_D1后，如何计算地面站2到卫星的上行信号空间传播时延，记为τ_U2。

上行信号时延τ_Up2为

    (14)

其中，地面站2信号发送时延可通过标校获得^[11]。以下，分析除τ_T2以外的时延计算模型，即

    (15)

当忽略卫星转发信号时延，及期间的卫星位置改变，认为卫星转发信号时刻的位置即为卫星接收信号时刻的位置，则已知卫星转发信号时刻t_tr21和该时刻ECEF坐标系下的坐标为S，则可按照类似下行单向时延的模型对上行单向时延进行建模。

区别仅在于，修正Sagnac效应时，需修正地面站2(信号发射方)的位置，获知信号实际传播路径，其过程如下。

(1) 已知卫星转发信号时刻t_tr21，则可知地面站2发射信号时刻t_t2为：

             (16)

(2) 地球旋转速率设为，将t_t2时刻地面站2在ECEF坐标系下的坐标{x₂, y₂, z₂}，记为GS2，修正至卫星转发信号时刻t_tr21的ECEF坐标系下坐标{x^’₂, y^’₂, z^’₂ }，记为：

      (17)

(3) 卫星转发信号时刻t_tr21的ECEF坐标系下地面站2的坐标 到卫星位置坐标S之间的连线方向为实际信号传播路径。其中，据式(21)， 由t_tr21，t_t2和GS2共同决定。而GS2为已知量，t_tr21已知，t_t2由τ_Up2和t_tr21共同决定。隐去已知量，实际上是τ_U2的函数。

            (18)

按照类似于下行单向时延的建模和推导过程，可得到：

     (19)

其中：

      (20)

即上行信号几何距离时延τ_U2|_Sat，电离层时延修正τ_U2|_Ion，对流层时延修正τ_U2|_Trop都是τ_U2的函数。

2.3  迭代法计算

将式(9)，(11)，(13)代入式(4)，得到：

       (21)

另外，式(23)与式(21)具有类似的形式，可通过迭代法^[15]求等式(21)和(23)的解τ_D1和τ_U2。以求解式(21)的解τ_D1的过程进行说明：

(1) 设定初始解τ_D1⁽⁰⁾=130 ms：

(2) 第j(j≥1)次迭代计算过程如下：

   (22)

(3) 设置门限λ(λ＞0)，收敛条件为：

            (23)

其中，门限选取为时延有效数据位量级的1/10。若有效数据位量级为1 ps，则λ=0.1 ps。

(4) 当满足式(16)的收敛条件时，停止迭代计算，则

              (24)

当计算得到地面站2到卫星再到地面站1以及地面站1到卫星再到地面站2的双向链路的下行单向时延τ_Dn1和τ_Dn2以及上行单向时延τ_Up1和τ_Up2时，可求得双向空间传播时延差τ_UD。

3  实验结果

本文以北斗导航系统中相距3 376 km的地面站1、地面站2之间通过位于东经140°的GEO卫星建立的C波段TWSTFT链路的2 d实测数据为例，采用本文方法和BIPM法计算双向传播时延差，并分析两者的差异。

图3所示为GEO卫星的星下点轨迹。由图3可见：GEO卫星的星下点轨迹具有以d为单位的周期波动(以下简称日波动)，经度变化幅度为0.09°，纬度变化幅度为3.18°。

图3  GEO卫星的星下点轨迹

Fig. 3  Sub-satellite point track of GEO satellite

双向几何距离时延差τ_UD|_Sat包含伪几何距离时延差τ_UD|_SatP和Sagnac效应修正量τ_UD|_SC。如图4所示，使用BIPM法，即认为GEO卫星相对地面站无相对运动时，τ_UD|_Sat为定值-84.149 ns；使用本文方法，即考虑卫星运动以及信号传播路径时，发现τ_UD|_Sat呈现幅度为0.412 ns的日波动，均值为-84.266 ns，与BIPM法结果偏差77 ps。

图5所示为本文方法计算得双向电离层时延差τ_UD|_Ion与BIPM法计算得双向电离层时延差τ_UD|_Ion的差值。由于卫星运动造成地面站到卫星，以及卫星到地面站的双向信号路径改变，使得双向电离层时延修正量较卫星相对地面站静止的情况有所改变。并且，由于电离层电子浓度在白天较大，在夜晚较小，使得该差值呈现日波动，且幅值白天较大，夜晚较小，最大幅度为0.120 ns，均值为31 ps。

图4  双向几何距离时延差(包含双向Sagnac效应修正)τ_UD|_Sat

Fig. 4  Two-way geometry signal path difference (including two-way Sagnac effect correction) τ_UD|_Sat

图5  双向电离层时延的双差(本文方法与BIPM法计算所得双向电离层时延差τ_UD|_Ion 的差值)

Fig. 5  Double difference of two-way ionospheric corrections (the difference of two-way ionospheric correction difference τ_UD| _Ion calculated by method introduced in this work and BIPM method)

双向对流差时延差如图6所示。从图6可见：当不考虑卫星相对地面站运动时(BIPM法)，双向对流层时延差τ_UD|_Trop几乎为0；使用本文方法计算，发现_D|_Trop也呈现日波动，幅度为0.3 ps，均值为-0.9 ps。

同时考虑τ_UD|_Sat，τ_UD|_Ion和τ_UD|_Trop，得到卫星双向传播时延差τ_UD。卫星双向传播时延的双差(本文方法与BIPM法计算所得卫星双向传播时延差τ_UD的差值)如图7所示。从图7可见：对比本文方法结果与BIPM法结果，卫星星下点轨迹的日波动引入了τ_UD幅度为0.406 ns，均值为-0.087 ns的日波动。

图6  双向对流层时延差τ_UD|_Trop

Fig. 6  Two-way tropospheric correction difference τ_UD| _Trop

图7  卫星双向传播时延的双差(本文方法与BIPM法计算所得卫星双向传播时延差τ_UD的差值)

Fig. 7  Double difference of two-way propagation delay (the difference of non-reciprocity of satellite two-way propagation delay τ_UD calculated by method introduced in this work and BIPM method)

4  结论

(1) 提出了一种估计信号传播路径，结合卫星星历和迭代法精确计算卫星双向时间频率传递(TWSTFT)中双向传播时延差的新方法。该方法的特点在于：通过修正卫星位置或者地面站位置来进行Sagnac效应修正，并由此获得信号真实传播路径，并以此为基础，综合考虑地面站到卫星的几何距离时延、Sagnac效应、电离层时延修正、对流层时延修正，计算双向空间传播时延差。该方法只依赖于卫星星历、两地面站坐标和接收信号时刻，可推广应用于采用IGSO卫星等非静地轨道卫星的TWSTFT中。另外，还可继续研究两地面站时间与卫星星历的参考时间之差造成的影响。

(2) 本文方法能够精确估计卫星双向传播时延差，反映卫星运动对TWSTFT的影响；并发现卫星运动不但引起双向几何距离时延差(包含Sagnac效应修正)幅度达0.412 ns的日波动和均值达77 ps的偏差，对于实验中的C波段TWSTFT链路而言，还造成了双向电离层时延差幅度达0.120 ns的日波动和均值达31 ps的偏差，必须从双向测量结果中扣除，否则将在钟差中叠加具有偏差的日波动，影响对站间钟差的评估。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-04-03；修回日期：2013-06-22

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0144)

通信作者：杨文可(1985-)，女，江西吉水人，博士研究生，从事时间同步技术的研究；电话：0731-84576543；E-mail: ywk@nudt.edu.cn