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相对论时间比对理论与高精度时间同步技术

刘利  
【摘要】:时间是描述物质运动的一个基本物理量。随着科学技术的发展,时间计量的精度越来越高,现代原子钟的长期稳定度已接近10~(-17),并且以大约每7年一个数量级的速度在提高。时间计量的理论基础也由经典的牛顿理论发展为广义相对论。但是,对于实现一个大尺度时空范围的时间同步,仅有高精度的原子钟是不够的,还必须在各单台原子钟之间进行高精度的时间比对,从而得到一个比任意一台原子钟稳定度更高的时间尺度,同时为了在一定精度范围内保持这种同步,还需要建立各原子钟读数与标准时间尺度之间的关系,即进行时间预报。本文就针对相对论时间比对理论与高精度时间同步技术进行了系统地研究和探讨。 相对论时延对时间比对的影响是不可忽略的。本文详细推导了相对论框架下原时与坐标时的关系,从而给出了相对论框架中无线电时间比对和搬运钟方法的基本模型以及地面钟和卫星钟的频率调整方案。指出了常用搬运钟法计算模型中存在的不足,给出了考虑搬运钟与标准钟速率差的计算模型。 大气延迟是影响地球附近空间无线电时间比对精度的主要误差源之一。本文讨论了几种常用的对流层延迟和电离层延迟模型,分析了它们对各种时间比对方法的影响。 仔细研究了几种常用无线电时间比对方法——单向法、TWSTFT(Two-way Satellite Time and Frequency Transfer)、LASSO(LAser Synchronization from Stationary Orbit)和伪码与激光测距技术。详细推导了它们在地心非旋转坐标系中的计算模型,并将本文的LASSO和TWSTFT计算模型与其它经典的计算模型进行了比较。结果表明,其它计算模型均是本文计算模型在某种程度的近似,Petit推导的了WSTFT计算模型仅为10ps量级,并不能达到Petit所说的1ps量级。在此基础上,分析了各种误差源对时间比对的影响,给出了不同比对精度下需要考虑的改正项。 讨论了GPS共视法的基本原理和计算模型,详细分析了卫星星历误差和接收机位置误差对GPS共视比对的影响,给出了减小卫星位置误差和接收机位置误差影响需要注意的问题,并用不同的基线算例进行了计算,分析了引起误差的原因。提出了北斗卫星共视时间比对方法,讨论了它的基本原理,给出了其在地心非旋转坐标系和地心地固系中的计算模型,分析了该方法的主要误差源及其对比对结果的影响特点。提出了一种北斗共视电离层延迟模型,该模型消除了卫星转发器时延随时间变化的影响,并避免了中心站特殊标校机以及反复投影变换带来的误差。 讨论了原子钟时间预报模型,针对三种不同类型的GPS卫星钟,在连续观测和不连续观测两种情况下,计算分析了短期预报和长期预报中预报方法、可观测弧段和采用数据量与预报精度的关系。


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