随着现代军事和科学技术的飞速发展,人们在时间同步方面的需求范围越来越广,需求精度也越来越高,逐渐形成了一系列新的授时技术,其中,具有代表性的技术如下:
一、转发式授时技术
转发式授时技术脱胎于中国科学院研发的中国区域定位系统(CAPS),该系统是一个试验系统。系统利用地面高稳定度原子钟作为时钟基准生成标准时间信号,采用扩频码的信号体制,通过卫星转发完成定位授时功能。
北斗转发式授时示意图
CAPS的时间系统称为CAPST,溯源到国家授时中心的UTC(NTSC),因此转发式授时方式也可以作为一种标准时间发播方式。转发式授时既可以使用多星联合计算授时,也可以使用单星路径时延改正授时方式。转发式卫星授时的精度主要取决于扩频码测量精度,由于转发式授时采用C波段通信卫星,相比采用L波段的GNSS系统可以获得更好的电离层改正精度。转发式的授时精度可达3~5ns。
二、数字卫星电视授时技术
卫星电视授时技术是利用卫星电视信号进行标准时间的发播与传递的授时技术,我国在早期也曾制定过相关的模拟电视授时技术标准,并成功应用于多个领域。随着我国卫星电视由模拟向数字体制(DVB-S)的转变,需要研究新体制下的数字卫星电视授时技术。
中国科学院国家授时中心提出一种利用DVB-S体制中PCR计数器的授时方法。该方法在上行站端利用标准时间对PCR进行时间标记,在用户端记录该PCR的本地时间,同时接收电文中的卫星星历来计算整个链路传输时延,用于修正本地时间。试验证明,利用该方法可以获得优于100ns的单向授时精度,如果再利用广域差分技术可以获得优于20ns的授时精度。该方法具有投资少、系统建设周期短的优点。
三、光纤授时技术
利用光纤进行高精度时间频率传递是新发展起来的一种高精度时间频率传递手段,它具有结构简单、成本低廉、抗干扰能力强、抗毁性高和传输损耗低等优势。光纤授时技术是在光纤时间频率传递技术基础上发展起来的一种高精度授时技术,主要利用光调制技术对秒脉冲(PPS)信号进行调制,采用测量双程传播时间差的方式计算传输时延。由于信号调制到光频段上,具有测量精度高的优点。光纤授时技术的难点在于处理中继放大器的传输时延。
国家授时中心已经建成了112km的光纤时间传递应用系统,时间传递不确定度可以达到100ps,日波动在30ps范围内。
四、量子时间授时技术
量子授时技术是建立在量子通信技术基础上,国家授时中心建立了国内首个量子时间同步实验平台,研究了频率纠缠光源量子特性的可操控性,实现了频率一致纠缠光源和HOM二阶量子干涉,在实验室内证明了量子授时技术的可实现性。据实验室条件下的实测结果分析,量子授时技术可以达到亚皮秒级的授时精度,是目前可知授时精度最高的授时手段。
五、授时技术总结
以上四种授时技术是未来发展的新方向,目前光纤授时技术已经在室内定位得到广泛应用,随着量子通信技术的成熟,量子时间授时技术的应用也会越来越广泛,是获取亚皮秒量级时间的发展方向。
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