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綜合授時技術 版權信息
- ISBN：9787030710406
- 條形碼：9787030710406 ; 978-7-03-071040-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
綜合授時技術 內容簡介
授時技術是通過發播標準時間信號和時間信息使各時間用戶獲得標準時間，從而實現時間同步的技術，是實現分布式組網系統時間同步的基礎，在民用、軍用領域都有廣泛的應用。本書從授時原理、誤差、應用等方面展開論述，主要分析了衛星授時、激光授時與網絡授時和對流層散射授時等授時手段，在此基礎上，提出了融合授時，并從授時進攻和授時防御兩方面研究了授時戰，*后研究了授時系統故障、被干擾、打擊等導致無法授時的情況下的時間預報問題，以及獲得授時信號后的時間校準問題。 本書可供通信、雷達和時間同步研究領域的相關科研及教學人員參考，也可供相關專業的研究生閱讀。
綜合授時技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 時間起源 1
1.1.1 時間發展 1
1.1.2 原子鐘及其應用 3
1.2 時間計量 12
1.2.1 古代計時的主要方式 12
1.2.2 時間計量標準 13
1.3 授時與守時 14
1.3.1 授時手段 15
1.3.2 守時技術 21
1.4 高精度時間同步技術 22
1.4.1 高精度時間同步技術的研究現狀 22
1.4.2 高精度時間同步技術的主要應用 24
參考文獻 25
第2章 衛星授時 29
2.1 衛星單向時間比對授時 29
2.1.1 衛星單向時間比對授時原理 29
2.1.2 衛星單向時間比對授時誤差 30
2.2 衛星雙向時間比對授時 31
2.2.1 衛星雙向時間比對授時原理及誤差 32
2.2.2 衛星雙向時間比對授時系統組成 45
2.2.3 衛星雙向時間比對授時應用 46
2.3 衛星共視比對授時和衛星全視比對授時 46
2.3.1 衛星共視比對授時原理 46
2.3.2 衛星全視比對授時原理 49
2.4 精密單點定位授時 51
參考文獻 53
第3章 激光授時與網絡授時 55
3.1 星地激光時間比對授時 55
3.1.1 星地激光時間比對授時系統 55
3.1.2 星地激光時間比對授時原理 56
3.2 光纖雙向時間比對授時 57
3.2.1 光纖雙向時間比對授時原理 57
3.2.2 光纖雙向時間比對授時研究現狀 59
3.3 網絡授時 60
3.3.1 NTP網絡授時 60
3.3.2 PTP網絡授時 61
參考文獻 63
第4章 對流層散射授時 65
4.1 對流層散射單向時間比對授時 65
4.1.1 對流層散射單向時間比對授時原理 65
4.1.2 對流層散射單向時間比對授時誤差 66
4.1.3 對流層散射單向時間比對信號傳輸試驗 67
4.2 對流層散射雙向時間比對授時 68
4.2.1 對流層散射雙向時間比對授時原理 68
4.2.2 對流層散射雙向時間比對授時誤差 69
4.3 散射鏈路傳輸特征分析 77
4.3.1 理論分析 77
4.3.2 鏈路試驗設計 83
4.4 對流層傳播斜延遲分析 87
4.4.1 對流層傳播斜延遲模型 87
4.4.2 對流層傳播斜延遲誤差 88
參考文獻 92
第5章 融合授時與授時戰 94
5.1 授時模式 94
5.1.1 單模授時 94
5.1.2 雙模授時 94
5.1.3 多模授時 95
5.2 融合授時 96
5.2.1 概述 97
5.2.2 融合加權方法 98
5.3 授時戰 100
5.3.1 授時戰作戰樣式 100
5.3.2 授時進攻 102
5.3.3 授時防御 103
參考文獻 104
第6章 時間預報及時間校準 106
6.1 基于改進差分指數平滑法的中短期鐘差預報算法 106
6.1.1 指數平滑法的基礎理論 106
6.1.2 基于滑動窗+指數平滑法的鐘差預報算法 108
6.1.3 基于滑動窗+灰色模型+指數平滑法的鐘差預報算法 109
6.1.4 算例分析 110
6.2 預報時長不確定條件下的鐘差預報算法 116
6.2.1 算法流程 116
6.2.2 基礎預報方法 118
6.2.3 算例分析 118
6.3 組合鐘差預報算法 122
6.3.1 組合模型分類 123
6.3.2 基于序列相對貼近度的變權組合模型 124
6.4 時間校準 126
6.4.1 馴鐘方法 126
6.4.2 基于BBPLL的站間時鐘校準設計 129
6.4.3 基于PI鎖相環的站內頻率源校準設計 132
參考文獻 134
前言
第1章 緒論 1
1.1 時間起源 1
1.1.1 時間發展 1
1.1.2 原子鐘及其應用 3
1.2 時間計量 12
1.2.1 古代計時的主要方式 12
1.2.2 時間計量標準 13
1.3 授時與守時 14
1.3.1 授時手段 15
1.3.2 守時技術 21
1.4 高精度時間同步技術 22
1.4.1 高精度時間同步技術的研究現狀 22
1.4.2 高精度時間同步技術的主要應用 24
參考文獻 25
第2章 衛星授時 29
2.1 衛星單向時間比對授時 29
2.1.1 衛星單向時間比對授時原理 29
2.1.2 衛星單向時間比對授時誤差 30
2.2 衛星雙向時間比對授時 31
2.2.1 衛星雙向時間比對授時原理及誤差 32
2.2.2 衛星雙向時間比對授時系統組成 45
2.2.3 衛星雙向時間比對授時應用 46
2.3 衛星共視比對授時和衛星全視比對授時 46
2.3.1 衛星共視比對授時原理 46
2.3.2 衛星全視比對授時原理 49
2.4 精密單點定位授時 51
參考文獻 53
第3章 激光授時與網絡授時 55
3.1 星地激光時間比對授時 55
3.1.1 星地激光時間比對授時系統 55
3.1.2 星地激光時間比對授時原理 56
3.2 光纖雙向時間比對授時 57
3.2.1 光纖雙向時間比對授時原理 57
3.2.2 光纖雙向時間比對授時研究現狀 59
3.3 網絡授時 60
3.3.1 NTP網絡授時 60
3.3.2 PTP網絡授時 61
參考文獻 63
第4章 對流層散射授時 65
4.1 對流層散射單向時間比對授時 65
4.1.1 對流層散射單向時間比對授時原理 65
4.1.2 對流層散射單向時間比對授時誤差 66
4.1.3 對流層散射單向時間比對信號傳輸試驗 67
4.2 對流層散射雙向時間比對授時 68
4.2.1 對流層散射雙向時間比對授時原理 68
4.2.2 對流層散射雙向時間比對授時誤差 69
4.3 散射鏈路傳輸特征分析 77
4.3.1 理論分析 77
4.3.2 鏈路試驗設計 83
4.4 對流層傳播斜延遲分析 87
4.4.1 對流層傳播斜延遲模型 87
4.4.2 對流層傳播斜延遲誤差 88
參考文獻 92
第5章 融合授時與授時戰 94
5.1 授時模式 94
5.1.1 單模授時 94
5.1.2 雙模授時 94
5.1.3 多模授時 95
5.2 融合授時 96
5.2.1 概述 97
5.2.2 融合加權方法 98
5.3 授時戰 100
5.3.1 授時戰作戰樣式 100
5.3.2 授時進攻 102
5.3.3 授時防御 103
參考文獻 104
第6章 時間預報及時間校準 106
6.1 基于改進差分指數平滑法的中短期鐘差預報算法 106
6.1.1 指數平滑法的基礎理論 106
6.1.2 基于滑動窗+指數平滑法的鐘差預報算法 108
6.1.3 基于滑動窗+灰色模型+指數平滑法的鐘差預報算法 109
6.1.4 算例分析 110
6.2 預報時長不確定條件下的鐘差預報算法 116
6.2.1 算法流程 116
6.2.2 基礎預報方法 118
6.2.3 算例分析 118
6.3 組合鐘差預報算法 122
6.3.1 組合模型分類 123
6.3.2 基于序列相對貼近度的變權組合模型 124
6.4 時間校準 126
6.4.1 馴鐘方法 126
6.4.2 基于BBPLL的站間時鐘校準設計 129
6.4.3 基于PI鎖相環的站內頻率源校準設計 132
參考文獻 134
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綜合授時技術 節選
第1章緒論 時間，是標注事件發生瞬間（即時刻）及持續歷程（即時長）的基本物理量。隨著人類文明的發展與進步，時間對于人類的意義日趨重要，特別是在當今所處的信息時代，金融、電力、通信、交通、網絡等諸多領域，無一不需要精確的時間作為支撐，時間精度直接決定著信息化水平，也影響著人們的生活水平。 1.1時間起源 1.1.1時間發展 著名詩人陶淵明在《雜詩》中寫道，“盛年不重來，一日難再晨，及時當勉勵，歲月不待人”，提醒世人應重視時間，珍惜當下，努力拼搏，奮發有為。時間在日、月、季、年的不斷輪回變換中，周而復始。我國古代勞動人民從季節變換中，總結出了適合農作生產的二十四節氣，也運用天干地支方法來進行計時。 從古至今，時間在我們的日常生活中發揮了重要作用，隨著科技的進步與發展，時間的作用和地位也在日益凸顯。時間是金融、電力、通信、交通、網絡等領域正常運行的基礎，更是數字化、信息化、智能化生活的基礎，在軍事領域顯得尤為重要：幾乎所有的信息化裝備都需要高精度的時間源作為支撐，時間精度直接影響探測預警、電子對抗、精確制導、敵我識別和毀傷評估等精度。可以說，時間是我們日常工作、生活、農業、工業、國防等領域中的一個重要、基礎的物理量。時間，關系國家主權，也事關國家安全。 那么時間是什么？從古至今，人們都在尋求時間的真諦。孔子在《論語》中寫道：“逝者如斯夫，不舍晝夜”；牛頓認為存在不依賴于物質與運動的絕對時間；萊布尼茨認為不存在絕對的時間和空間，時間和空間都是相對的；從相對論的角度，時間既是絕對的，又是相對的；霍金在《時間簡史》中寫道，宇宙大爆炸是時間的起點，而黑洞是時間的終結；等等[1]。 時間的發展，經歷了原始時、天文時、電子時等過程。 原始時，是人們對于時間的*早的認識，是時間概念和計時方法形成的階段[2]。從太陽的東升西落的規律中，得出了日的概念；從月亮的盈虧中，得出了月的概念；從不同的氣候輪轉中，得出了季、年的概念。這種日、月、季、年的粗略時間劃分是古代勞動人民在日常勞作中總結并逐漸形成的計時規律，雖然精度不高，但對于指導日常農業勞作很有針對性。此外，我國古代勞動人民總結的二十四節氣至今對農業生產都有指導作用。將一日繼續細分是時間測量甚至是人類文明的一大進步，*早將一日分成二十四小時的是古埃及人，我國古代發明了十二時辰對一日進行計時。 天文時，是用天文學測量的方法和手段，根據天體的運行規律，利用地球的自轉和公轉規律，對時間進行計量而得出的時間，一般認為是從用太陽計時開始的。天文學中，將太陽兩次經過觀測地點子午線的時間間隔稱為一個真太陽日，將其均分為86400份，得到1s的概念，這種方法得出了真太陽時。隨著科技的進步，人們發現地球公轉軌道的類橢圓性等導致真太陽時是不均勻的，在此基礎上，通過改進得出了平太陽時：將全年的真太陽日平均得到平太陽日。平太陽時的穩定性在10.8量級，難以滿足日新月異的科技對于時間精度的要求，迫使人們尋找更為精準的時間基準。1960年，開始采用歷書時來代替平太陽時。所謂歷書時，是以地球公轉運動為參考基準的時間系統，取地球公轉過程中兩次經過同一地點所需的時間間隔的1/31556925.9747為歷書時的1s，歷書時穩定性在10.9量級，但觀測誤差較大，隨后被原子時代替，標志著進入電子時時代[1，3]。 電子時，也稱為原子時，利用量子在不同能級之間躍遷過程中的高穩定性、高可靠性和復現性，實現對時間的計量。1967年，在第十三屆國際計量會議上定義了原子時秒長：位于海平面上的銫Cs133原子基態的兩個超精細能級在零磁場中躍遷振蕩9192631770周所持續的時間為一個原子時秒，這也是目前所采用的秒長的定義。秒是國際單位制七個基本物理量之一。國際原子時（international atomic time，TAI）是由全球60多個時間實驗室合作產生的紙面時間，通過各時間實驗室產生的時間標準加權計算后以文件形式發布。 除上述三個概念外，常用的時間概念還有以下幾種。 世界時（universal time，UT），是指以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時，分為UT0，UT1，UT2，三者之間的關系如式（1.1）所示。 （1.1） 其中，UT0為原始觀測值，對應瞬時極地子午圈；為極移修正值；Ts為季節性變化值，與地球自轉相關，該值較小，因此一般用UT1作為統一的時間系統。 協調世界時（coordinated universal time，UTC），是為了兼顧不同領域對于原子時和世界時的需要而建立的一種折中的時間系統，其一方面以國際原子時秒長為基礎，另一方面采用閏秒/跳秒的方式使其盡量接近世界時。協調世界時是所有國家都采用的時間系統，不同時區的國家和地區的地方時與UTC相差若干整數小時。世界時、歷書時和原子時之間對比如表1.1所示。 儒略日（Juliandate，JD），公元前4713年1月1日12時00分起開始對每一天進行累加計數，其適合于進行科學計數。由于起點過于遙遠，人們采用修正儒略日（modified Julian date，MJD）對儒略日進行了改進，MJD=JD-2400000.5。 年積日（dayofyear，DOY），將一年中的每一天累加而得出的某天在一年中的位置值。 北斗時（BeiDou time，BDT），北斗系統的時間基準，起始歷元為2006年1月1日0時0分0秒，采用國際單位制（SI）秒進行連續計時，不閏秒（閏秒信息在導航電文中播報），其通過國家授時中心（National Time Service Center，NTSC）建立的UTC（NTSC）與國際UTC建立聯系，與國際UTC的差值小于50ns（模1s）[4]。 GPS時（GPStime，GPST），GPS系統的時間基準，其起始歷元為1986年1月6日0時0分0秒，該時TAI-UTC=19s，不閏秒，在任何時候整數秒與TAI相差19s。 1.1.2原子鐘及其應用 原子鐘又稱為原子頻標，是高精度時間同步的基礎，各分布式組網系統、各時間實驗室一般配置有高精度的原子鐘作為時間基準；原子鐘由量子躍遷理論發展而來，主要采用銫原子、銣原子和氫原子等實現。1955年英國國家物理實驗室的Essen和Parry研制成功了世界**臺銫鐘，穩定度為一天100ps，約為10.15d.1。后來新型原子鐘發展迅速，如原子噴泉鐘[5-7]、光鐘[8-10]、相干布居囚禁原子鐘[11，12]和氫脈澤[13，14]等都取得了較大進展，新型鋁離子光鐘的頻率不確定度達到8.6.10.18量級[15]，光學冷原子鐘不確定度和穩定度也達到了10.18量級[16]。2017年美國天體物理聯合實驗室進行了鍶原子光晶格鐘實驗，實現了5.10.19（1h）穩定度，鍶原子光晶格鐘穩定度和準確度超越了銫原子噴泉鐘、離子阱囚禁光鐘[17，18]。美國科學家利用量子糾纏現象設計了一款原子鐘，運行140億年時間精度保持在0.1s內。 我國于2013年年底在原子鐘研究領域取得了突破性進展，中國科學院武漢物理與數學研究所構建的10.16量級星載鋁離子光鐘實驗系統，實現了星載原子鐘10.16穩定度水平。2016年，該研究所實現了10.17量級的穩定度和不確定度[19]。2021年梅剛華等研制了高/甚高精度星載銣原子鐘，天穩分別達到了9.4.10.15/3.9.10.15[20]。另外，中國航天科工集團第二研究院203所研制的藍寶石主動型氫原子頻標BM2101-03，天穩達到了3.0.10.15，頻率準確度達到了3.0.10.13，體積小便于搬運，且具有互聯網遠程監控能力。相關成果對提升我國北斗衛星導航系統授時精度和自主運行能力具有重要意義，也對我國未來空間實驗的開展、空間科研水平的提升有著深遠的影響。時間領域的自主、精確、可控和安全是一個國家科技實力和軍隊信息化水平的直接體現。 原子從高能級躍遷到低能級或者從低能級躍遷到高能級要釋放或者吸收能量，通過輻射或者吸收電磁波的形式實現，電波頻率與原子能級間的關系為（1.2）其中，f為電波頻率；h為普朗克常數；Em和En為原子躍遷對應的兩個能級能量。原子能級是固定的，對應的能量也是不變的，由式（1.2）可得，對應的電波頻率是固定的，原子鐘就是根據原子躍遷時所對應的高確定性頻率的機理研制的。下面重點分析實驗室常用的銣鐘和銫鐘性能[21-23]。 1．銣鐘 Rb87、Rb85為銣原子的兩種同位素，銣鐘頻率即為基態超精細能級F.2、mF=0.和F=1、mF=0.之間躍遷所對應的頻率： f.6834684211.574H2(Hz)（1.3）其中，H為外加磁場強度。 銣鐘由光譜燈、濾光泡、諧振腔和光檢測器等部分組成，光譜燈中的金屬在高頻信號和恒溫電路作用下，蒸發成Rb87蒸汽，并利用高頻放電將其激發至高能激態，激態原子自發輻射產生恒定的電磁頻率。銣鐘具有體積小、質量輕、長期穩定度較差和適合作為工作頻率標準（簡稱為頻標）等特點。銣鐘布局緊湊，體積一般小于1000cm3；頻率穩定度為2.10.12～10.10.12(1000s)；受緩沖氣壓和光強頻移等因素影響，銣鐘一般僅適合作為工作頻標而不宜作為頻率基準。隨著科技的進步和發展，銣鐘性能得到了大幅度提升，已經廣泛應用于衛星星載鐘源中，應用領域日趨廣泛。 常用的PRS10型銣鐘體積小（391.4cm3）、質量輕（600g），外觀和內部結構如圖1.1所示。 圖1.1PRS10型銣鐘外觀和內部結構圖 該型號銣鐘具有如下特點：輸出頻率短期穩定度可達2.10.12(100s)；通過自身的1PPS輸入、輸出端口可與外部頻率源之間進行信息交換，從而實現二者之間的同步；通過RS232串口可與PC機進行數據和控制信號的交換。 2．銫鐘 銫鐘（Cs133）利用F=4、mF=0.和F=3、mF=0.之間的基態超精細能級躍遷原理制作而成，對應的躍遷頻率為 f=9192631770.427H2(Hz)（1.4） 銫鐘在高真空環境中工作，主要由銫爐、態選U型微波諧振腔和原子檢測器等部分組成。銫爐中的銫金屬在加熱到100℃左右時熔化并通過爐口噴出形成銫束。銫鐘的主要特點是準確度高和短期穩定性較差，為5×10.12～12×10.12（1s）水平。真空環境下工作的銫鐘的準確度高達10.15量級，時間實驗室的銫鐘一般用于頻率基準。商業銫鐘由于銫束管較短，準確度不及實驗室銫鐘，穩定度為10.13量級，工作壽命也較短，一般為3～7年。 3．氫脈澤振蕩器 氫脈澤振蕩器是一種精細且昂貴的商用頻標。氫脈澤所使用的氫原子振蕩頻率為1420405752Hz。 氫脈澤振蕩器一般有主動型和被動型兩種，主動型是指晶體振蕩器被鎖相于氫原子的自然振蕩；被動型是指將晶體振蕩器產生的頻率鎖相于原子的振蕩頻率，主要應用于銣原子或銫原子振蕩器。主動型振蕩器的輸出頻率直接來自原子的振蕩頻率，因此它比被動型具有更好的短期穩定度。兩種類型的氫脈澤振蕩器的短期穩定度均好于銫原子振蕩器。但是，氫激射振蕩器的性能依賴于復雜的環境條件，其準確度差于銫原子振蕩器。同時，由于氫脈澤振蕩器結構復雜、生產量低，造價較為昂貴。 4．原子鐘應用 原子鐘*重要的應用是作為全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）的星載和地面時間源，美國GPS衛星星載原子鐘情況如表1.2所示[24，25]，GPS星載銣鐘在軌性能如表1.3所示[26]。
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