隨著穩(wěn)定度和不確定度更優(yōu)的原子鐘在軌運行,如何建立穩(wěn)定的星地時頻傳遞鏈路,實現星地復雜環(huán)境下的高精度時間同步,是空間時頻技術體系亟發(fā)展的核心能力。以衛(wèi)星導航為典型代表的星地微波鏈路,僅能實現亞納秒級時差測量。更高性能的空間冷原子微波鐘和光鐘在軌應用,衛(wèi)星導航精度的進一步提高,亟需提升星地時間比對精度。
近日,國家授時中心科研團隊提出了一種利用中國空間站——地面同步系統(tǒng)觀測實現高精度時間同步的改進載波相位方法。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策略,可以有效校正星地同步過程中的相對運動誤差、相對論效應、大氣誤差(包括對流層和電離層)以及固定時延偏差等關鍵誤差源,有效提升星地時間同步的精度和穩(wěn)定性。
項目組設計了驗證實驗,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),對系統(tǒng)的基本性能進行了驗證,結果顯示,在桌面理想條件下,系統(tǒng)比對精度達到1ps以內(圖1),并通過多次重復試驗驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 桌面場景下設備測量噪聲水平
本研究還利用空間站在軌實測數據對本文方法的性能進行評估,結果表明,改進的載波相位時間同步方法有效抑制了周期性誤差,并在隨機噪聲控制方面表現優(yōu)異,在復雜星地環(huán)境下實現了近皮秒量級的時間同步精度,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-地面站微波比對測試系統(tǒng)
此外,通過對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-地面同步精度均達到皮秒量級,這表明通過選擇最佳仰角范圍的數據(稱為有效觀測弧段數據)并結合地面多站協(xié)同觀測,未來有可能進一步優(yōu)化星地時間同步性能。
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)表在學術期刊Satellite Navigation。中國科協(xié)會刊《科技導報》(2025年第43卷第5期)以“首次實現星地復雜環(huán)境下皮秒級微波時差測量”為題報道成果,美國科技促進會(AAAS)網站(https://www.eurekalert.org/news-releases/1073321)以“Super-precise timing unlocked: satellites get a big boost”為題報道成果。
