隨著穩(wěn)定度和不確定度更優(yōu)的原子鐘在軌運(yùn)行,如何建立穩(wěn)定的星地時(shí)頻傳遞鏈路,實(shí)現(xiàn)星地復(fù)雜環(huán)境下的高精度時(shí)間同步,是空間時(shí)頻技術(shù)體系亟發(fā)展的核心能力。以衛(wèi)星導(dǎo)航為典型代表的星地微波鏈路,僅能實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)時(shí)差測量。更高性能的空間冷原子微波鐘和光鐘在軌應(yīng)用,衛(wèi)星導(dǎo)航精度的進(jìn)一步提高,亟需提升星地時(shí)間比對(duì)精度。
近日,國家授時(shí)中心科研團(tuán)隊(duì)提出了一種利用中國空間站——地面同步系統(tǒng)觀測實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步的改進(jìn)載波相位方法。通過空間站-地面三頻載波與偽碼融合的觀測模式,基于系統(tǒng)化的同步誤差精化修正模型與校準(zhǔn)策略,可以有效校正星地同步過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差、相對(duì)論效應(yīng)、大氣誤差(包括對(duì)流層和電離層)以及固定時(shí)延偏差等關(guān)鍵誤差源,有效提升星地時(shí)間同步的精度和穩(wěn)定性。
項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),搭建了同源場景下的端(地面站載荷)到端(空間站載荷)同步系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果顯示,在桌面理想條件下,系統(tǒng)比對(duì)精度達(dá)到1ps以內(nèi)(圖1),并通過多次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 桌面場景下設(shè)備測量噪聲水平
本研究還利用空間站在軌實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)本文方法的性能進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明,改進(jìn)的載波相位時(shí)間同步方法有效抑制了周期性誤差,并在隨機(jī)噪聲控制方面表現(xiàn)優(yōu)異,在復(fù)雜星地環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了近皮秒量級(jí)的時(shí)間同步精度,與傳統(tǒng)偽碼方法相比,同步精度和穩(wěn)定度均有顯著提升。

圖2中國空間站-地面站微波比對(duì)測試系統(tǒng)
此外,通過對(duì)不同觀測仰角條件下的同步精度分析,高仰角條件下的系統(tǒng)同步性能明顯提升,30°以上仰角條件下的空間站-地面同步精度均達(dá)到皮秒量級(jí),這表明通過選擇最佳仰角范圍的數(shù)據(jù)(稱為有效觀測弧段數(shù)據(jù))并結(jié)合地面多站協(xié)同觀測,未來有可能進(jìn)一步優(yōu)化星地時(shí)間同步性能。
研究成果“An improved carrier-phase-based method for?precise time synchronization using theobservations fromtheChina Space Station-ground synchronization system”以封面文章發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Satellite Navigation。中國科協(xié)會(huì)刊《科技導(dǎo)報(bào)》(2025年第43卷第5期)以“首次實(shí)現(xiàn)星地復(fù)雜環(huán)境下皮秒級(jí)微波時(shí)差測量”為題報(bào)道成果,美國科技促進(jìn)會(huì)(AAAS)網(wǎng)站(https://www.eurekalert.org/news-releases/1073321)以“Super-precise timing unlocked: satellites get a big boost”為題報(bào)道成果。
