GPS共视法远距离时间频率传递技术研究

　　1　引　言

　　GPS共视法时间频率传递是目前时间频率远距离量值传递的主要方法之一。国际时频咨询委员会(CCTF)于1994年讨论通过了共视法时间频率接收机软件技术指南,具体定义了参数和格式、跟踪时刻表、数据处理算法。在1999年的CCTF会议上建议逐步采用多通道GPS接收机进行共视法比对,并给出了与原单通道接收机兼容的“全视时刻表”及计算方法。许多国家实验室也将这项技术用于国内时间频率量值传递,建立国内远距离高精度时间频率量传系统。

　　2　基本原理

　　GPS全称为全球定位系统(Global PositioningSystem),由28颗低轨道卫星组成。每颗星上装有4台原子钟,这些钟和位于全球不同地点的地面监测站的地面原子钟组一起,组成GPS系统时间,GPS时间接收机输出高准确度的时间信号—1 pps秒脉冲[1]。

　　共视技术的基本原理是在一颗GPS卫星的视角内、地球上任意两个地点的原子钟可以利用在同一时间收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对。A、B两地的GPS时间接收机在同一个共视时间表作用下,在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号。接收机内置的时间间隔计数器测量GPS秒脉冲与本地原子钟秒脉冲的时差ΔtAGPS、ΔtBGPS。B地的数据通过通信网传到A地,然后相减可得两台原子钟之间的时间差。

　　设地点A、B的钟时间分别为tA和tB,GPS时间为tGPS,

　　经过多次测量后可得到一系列的ΔtABi,由此可算出两台原子钟在一段时间内平均相对频率差

　　式中,fA、fB分别为两台时钟的频率;τ为平均时间间隔。

　　3　GGTTS标准参数

　　为规范共视技术,CCTF主持制定了GPS共视法标准数据格式(GGTTS GPS DATA FORMAT)。所包含的参数分别是:PRN, CL, MJD, STTIME, TRKL,ELV, AZTH, REFSV, SRSV, REFGPS, SRGPS, DSG,IOE, MDTR, SMDT, MDIO, SMDI, CK。参数的定义已在文献[2,3]中详细讨论,此处不再赘述。

　　4　NIM时间接收机

　　中国计量科学研究院(NIM)开发的多通道GPS共视法接收机由3部分组成:Motorola的VP ONCoreGPS引擎、时间间隔计数器(TIC)、管理和数据处理软件及工业计算机主机。

　　4·1　Motorola的VP ONCore GPS引擎

　　VPONCore GPS引擎提供GPS导航信息、定位信息、定时信息和1 pps秒脉冲信号等,GPS引擎与TIC插卡集成为一体。

　　4·2　时间间隔计数器(TIC)

　　在接收机中我们采用自行研制成功的高精度时间间隔计数器插卡,此卡采用内插方法[4],测量不确定度为1 ns,分辨率为50 ps,测量原理如图1所示。

　　待测时间间隔

　　内插法将T1和T2放大若干倍后再用时基τ0去度量。例如,设放大2 000倍后再用τ0度量T1、T2,得到的脉冲数为N1和N2,则有