在当今时间频率体系中,时间频率同步,尤其是自由空间时间频率同步发挥着不可替代的作用。本论文针对卫星导航定位与授时、射电天文学等领域的需求,开展了基于相位补偿的微波和光载射频两种自由空间时间频率同步方法的研究。该研究主要包括以下几个方面:1.基于相位补偿的自由空间微波频率同步。这一工作在距离为108 m的大气中实验演示了L波段频率信号的高稳定度传输。通过探测与补偿传输路径中的相位噪声和一系列频率变换,两条传输链路同时将相位锁定于同一频率参考源的不同频率信号由发射端发出,在接收端分别复现了参考频率,测得两复现的频率信号间的相对稳定度——即采用相位补偿方法的自由空间频率传输稳定度优于3×10-13/s、4×10-17/d。此方案可以将目前各种商用原子钟,如铯束钟、主动型氢原子钟等的频率信号传输至客户端并保持其频率稳定度,在异地原子钟的高精度频率比对、北斗卫星导航系统、射电天文学和海陆空天立体时间频率网络建设中有广阔的应用前景。2.基于相位补偿的星地微波频率同步链路可行性论证。为了预估主动相位补偿的微波频率传输方案在星地链路等远距离传输中的稳定度,将实验设备集成为可搬运系统,并在中国计量院昌平基地进行了从10 m到640 m不同传输距离上的测试。在气流相对平稳的夜间,测量了系统短期传输稳定度,并参照大气湍流标度律构建了传输稳定度与积分时间和传输距离的二元回归模型。回归分析的结果表明,若将这一模型外推到星地链路,传输稳定度有望达到1×10-12/s、6×10-16/d,这一指标较卫星双向时间频率比对法和基于GPS的时间频率传输方法有一到两个数量级的提升。3.基于相位补偿的自由空间光载射频频率同步。本论文提出了1550 nm波段自由空间光载射频的频率同步技术。利用18 mm口径光纤准直器搭建的频率同步系统在70 m室内空气中传输稳定度为2×10-12@1 s、9×10-16@104s,改进的利用300 mm口径反射式望远镜搭建的频率同步系统在30 m室内空气初步测试中传输稳定度下限为10-14@1 s、10-18@104 s。此外,采用温度补偿方法搭建了频率无关的光纤时延的测量与控制系统,与上述频率同步方法结合可以实现多路时标信号和频率信号的同时传输。