基于北斗衛(wèi)星的納秒級全球授時系統(tǒng)

摘 要：北斗三號系統(tǒng)的基礎(chǔ)服務(wù)可以為全球用戶提供精度優(yōu)于20ns的信號，更高精度的時間同步應(yīng)用，需要如GNSS共視、全視、PPP或衛(wèi)星雙向時頻傳遞等專用方法，成本高，并且需要專業(yè)維護，只適合小范圍應(yīng)用。在研究了各種高精度時間比對技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于國家授時中心的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)，提出了基于北斗衛(wèi)星實時共視、實時全視和實時PPP多種技術(shù)互補融合的納秒級全球授時方法。結(jié)合時延絕對標(biāo)定與分段標(biāo)定組合的設(shè)備時延標(biāo)定，以及振蕩器動態(tài)馴服等技術(shù)，建立了標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，由服務(wù)端和用戶端兩部分組成。服務(wù)端由國家授時中心維護，用戶僅需要安裝一臺標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，并通過互聯(lián)網(wǎng)或北斗短報文信道自動持續(xù)從服務(wù)端獲取服務(wù)數(shù)據(jù)，即可在本地恢復(fù)出溯源至標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的時間頻率信號。系統(tǒng)可為全球用戶提供與UTC(NTSC)偏差小于5ns的1PPS信號，以及萬秒頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-13、相對頻偏小于5×10-14的10MHz信號，授時A類不確定度優(yōu)于2ns。目前已經(jīng)為多個行業(yè)提供服務(wù)。

引言

統(tǒng)一的時間是確保各類活動有序的關(guān)鍵。隨著全球化進展，對時間統(tǒng)一的范圍和性能需求也越來越高。隨著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)正式開通，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星進入了全球服務(wù)階段，BDS-3的系統(tǒng)時間(BDT)通過 UTC(NTSC)與國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC 建立聯(lián)系，BDT 與協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordina-ted，UTC)的偏差保持在 50ns以內(nèi)(模1秒)[1]。2021年發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展》報告表明，BDS-3的基礎(chǔ)服務(wù)可以為全球用戶提供精度優(yōu)于20ns的授時信號，此外還有差分增強和精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)等服務(wù)，具有提供更高精度的服務(wù)能力，BDT與UTC時間偏差保持在26ns以內(nèi)[2]。用戶通過BDS-3實際獲得的時間服務(wù)性能還與使用的接收機測量性能、設(shè)備時延標(biāo)定性能及信號大氣傳播時延改正精度等有關(guān)，用戶獲得的定時信號與BDT或UTC的偏差可能達到數(shù)十甚至數(shù)百納秒。為了更準(zhǔn)確地傳遞時間信號，發(fā)展了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)衛(wèi)星的共視、全視和PPP等時間頻率比對方法，以及基于地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星的衛(wèi)星雙向時頻傳遞(Two Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)方法和基于光纖的時頻信號比對方法，這些方法的時間比對精度可以達到納秒甚至亞納秒量級，主要用于守時實驗室或者高性能原子鐘間比對。為保證時間比對結(jié)果的準(zhǔn)確性，產(chǎn)生UTC的國際計量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)會定期組織巡回校準(zhǔn)活動，將便攜的GNSS時間傳遞接收設(shè)備搬運至各參與比對的守時實驗室，校準(zhǔn)設(shè)備時延。

為了向用戶提供精準(zhǔn)時間服務(wù)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Tech-nology，NIST)開通了時間測量和分析服務(wù)系統(tǒng)(Time Measurement and Analysis Service，TMAS)[3]和多源共視馴鐘系統(tǒng)(Multi-Source Common-View Dis-ciplined Clock，MSCVDC)[18]，支持基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)共視,不斷比對客戶本地時間與美國國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NIST)的偏差，并通過互聯(lián)網(wǎng)每10min向客戶報告一次新結(jié)果，時間比對的A類不確定度優(yōu)于2ns，合成不確定度15ns。MSCVDC還支持通過共視比對結(jié)果馴服銣鐘或銫原子鐘的方式為用戶提供直接溯源至UTC(NIST)的時間信號，其本質(zhì)是在用戶所在地恢復(fù)出UTC(NIST)，恢復(fù)的時間與UTC(NIST)的偏差約10ns，峰峰值不超過25ns。

英國皇家物理實驗室(National Physical Laboratory，NPL)產(chǎn)生和保持英國的國家標(biāo)準(zhǔn)時間，開發(fā)了一套基于GPS共視的授時服務(wù)系統(tǒng)，可以為申請的用戶提供與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NPL)直接的比對服務(wù)，校準(zhǔn)用戶的時頻設(shè)備，溯源至UTC(NPL)的時間不確定度為10ns(1σ)，相對頻率偏差為5×10-14(1σ，1天平均)[4]。

中國計量科學(xué)研究院研制了一套基于GNSS共視的遠(yuǎn)程時間溯源裝置(NIMDO)，通過比對結(jié)果馴服銣原子鐘，可產(chǎn)生同步于UTC(NIM)的1PPS和10MHz信號，1PPS相對于UTC(NIM)的時間偏差優(yōu)于10ns(95%)，10MHz相對頻率偏差優(yōu)于1×10-13，時間偏差測量不確定度優(yōu)于5ns[5-6]。

國家授時中心產(chǎn)生和維持著標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)，在為北斗提供時間溯源服務(wù)基礎(chǔ)上，以在廣泛區(qū)域給用戶提供更高精度的授時服務(wù)為目標(biāo)，開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，于2014年開始提供服務(wù)[7-10]。目前，已發(fā)展為支持基于GNSS的實時共視、全視和PPP等多種比對技術(shù)，可為全球用戶提供溯源至UTC(NTSC)的時間頻率信號，相對UTC(NTSC)的時間偏差小于5ns，頻率偏差小于5×10-14，時間偏差測量A類不確定度優(yōu)于2ns，優(yōu)于國內(nèi)外同類設(shè)備。

授時是指把標(biāo)準(zhǔn)時間通過有線或無線傳送到遠(yuǎn)距離，供時間比對、時間同步使用，與一般時間傳遞或比對的區(qū)別是授時發(fā)播的是標(biāo)準(zhǔn)時間。國家授時中心產(chǎn)生和保持我國的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)，與UTC偏差常年保持在5ns以內(nèi)(見BIPM每月發(fā)布的Circular-T)。標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)，通過實時時間比對技術(shù)和振蕩器駕馭技術(shù)在用戶本地恢復(fù)出與UTC(NTSC)偏差小于5ns的時間信號，頻率萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-13，10萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-14，相對頻偏小于5×10-14的10MHz頻率信號，時間偏差測量的A類不確定度優(yōu)于2ns。其中，為用戶提供與UTC(NTSC)偏差小于5ns的時間信號，是指基于比對結(jié)果對振蕩器駕馭后，輸出的1PPS信號邊沿不能完全與UTC(NTSC)主鐘1PPS對齊，殘余的最大偏差小于5ns。為降低該殘余偏差對使用的影響，同時為用戶提供對應(yīng)時段的殘余偏差測量值，該測量值相對真值的隨機起伏即比對A類不確定度，優(yōu)于2ns(24h數(shù)據(jù)的RMS)。用戶使用信號的同時，輔以測量值修正后，最終可得到溯源至UTC(NTSC)的時間不確定度小于2ns。

標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)使用基于GNSS的實時共視、全視和PPP三種遠(yuǎn)程比對技術(shù)，可根據(jù)應(yīng)用場景自由切換三種比對手段，單獨使用或加權(quán)融合；本地振蕩器可選配晶體振蕩器、普通性能銣振蕩器、高性能銣振蕩器和銫原子鐘及被動氫原子鐘等，測量數(shù)據(jù)更新頻度支持1min、5min、10min和自定義等多種，滿足各行業(yè)用戶對時間、頻率信號的需求。

1.1 實時共視原理

基于北斗衛(wèi)星的實時共視比對基本原理是在國家授時中心的服務(wù)端觀測衛(wèi)星鐘與UTC(NTSC)的偏差，將偏差數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時廣播給用戶端，用戶端設(shè)備接收偏差數(shù)據(jù)，結(jié)合本地相同時段觀測的衛(wèi)星鐘與本地參考時間偏差，計算本地參考時間與UTC(NTSC)的偏差，為控制振蕩器提供測量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理流程：各站利用北斗定時接收機接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，首先測得含有衛(wèi)星鐘δt(s)和接收機時間偏差的偽距ρ，然后利用接收機天線坐標(biāo)和廣播星歷預(yù)報的衛(wèi)星軌道，計算衛(wèi)星和接收機真距r(含軌道預(yù)報誤差)，偽距與真距的差包含了衛(wèi)星和接收機鐘差、傳播路徑上的各種時延，以及衛(wèi)星軌道等各種誤差項，用雙頻偽距測量值修正電離層延遲I，用經(jīng)驗?zāi)Ｐ托拚龑α鲗訒r延T，進而計算得到含有誤差的接收機時間與各顆衛(wèi)星鐘的鐘差，最后結(jié)合事先測得的接收機時延改正參數(shù)Δt1和計數(shù)器持續(xù)監(jiān)測的接收機時間與本地參考時間的時差值Ttic，生成本地參考時間與各顆北斗衛(wèi)星鐘的鐘差TREFSV，TREFSV的計算如式(1)所示。

式（1）

其中，c為真空光速；引入了未知參數(shù)ερ，表示含接收機偽距觀測誤差在內(nèi)的各種剩余誤差總和。

各用戶端設(shè)備按約定的觀測周期，將TREFSV擬合生成該時段各衛(wèi)星的圖片與來自服務(wù)端相同觀測周期、相同衛(wèi)星的TREFSV擬合值圖片做差，抵消衛(wèi)星鐘、衛(wèi)星軌道預(yù)報誤差等共性誤差的影響，計算各站參考時間與標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差。服務(wù)端只需將觀測數(shù)據(jù)按約定間隔擬合后生成的圖片廣播給用戶，就可以實現(xiàn)共視比對，數(shù)據(jù)擬合可以降低原始觀測數(shù)據(jù)中隨機噪聲的影響，還能將實時通信數(shù)據(jù)量降低到1000字節(jié)以內(nèi)，利于工程實現(xiàn)。

因為實時共視需要各用戶端與服務(wù)端能同時觀測到相同衛(wèi)星，共視的衛(wèi)星數(shù)量越多，越有利于降低測量隨機誤差；距離越近，兩端觀測數(shù)據(jù)的誤差相關(guān)性越高，測量精度越高。結(jié)合北斗衛(wèi)星在中國的幾何分布和實測檢驗，北斗實時衛(wèi)星共視最優(yōu)作用距離約在3000km以內(nèi)[11]，更長基線可能會犧牲測量性能，為了能在更廣泛區(qū)域為用戶授時，引入了基于北斗的實時全視技術(shù)。

1.2 實時全視原理

為滿足與服務(wù)端更遠(yuǎn)距離(基線2000km以上)用戶與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)高精度比對的需求，不依賴兩地有共同可視衛(wèi)星的衛(wèi)星全視成為更優(yōu)選擇。傳統(tǒng)衛(wèi)星全視依靠最終精密星歷和鐘差產(chǎn)品解算鐘差，只能事后生成比對結(jié)果，因主要用于守時實驗室高性能原子鐘間比對，守時原子鐘頻率變化量很小，滯后結(jié)果不影響應(yīng)用。但面向廣泛用戶的高精度授時需求，需要考慮普通振蕩器的應(yīng)用場景，該類振蕩器的特點是頻率變化相對較快，獲得測試結(jié)果的時效性直接影響時間服務(wù)性能。因此，本文提出了實時全視的解決方案，主要流程與實時共視相似，區(qū)別在于時間比對的中間媒介不是衛(wèi)星鐘，而是第三方機構(gòu)提供的超快速星歷預(yù)報產(chǎn)品中鐘差的歸算基準(zhǔn)。將服務(wù)端生成的UTC(NTSC)與歸算基準(zhǔn)的偏差通過網(wǎng)絡(luò)廣播到用戶端，用戶端設(shè)備接收偏差數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶端測得的本地參考時間與歸算基準(zhǔn)的偏差，就可以獲得本地參考時間與UTC(NTSC)的偏差。目前，國內(nèi)外有多家機構(gòu)可以提供實時全視所需超快速預(yù)報的衛(wèi)星位置和鐘差產(chǎn)品，相較其他產(chǎn)品，超快速預(yù)報產(chǎn)品的主要特點是可靠性高，軌道精度5cm(STD)，鐘差精度優(yōu)于1.5ns(STD)，已滿足實時共視比對需求。

實時全視數(shù)據(jù)處理流程：各用戶端設(shè)備利用北斗定時接收機接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，首先測得偽距ρ，然后通過第三方機構(gòu)獲得超快速星歷預(yù)報產(chǎn)品，經(jīng)多項式內(nèi)插生成對應(yīng)觀測時刻的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差，計算衛(wèi)星與接收機距離r，計算接收機時間與歸算基準(zhǔn)的偏差δt(s)；然后用雙頻觀測值計算電離層延遲改正值I，使用經(jīng)驗?zāi)Ｐ透恼龑α鲗友舆tT，并進行Sagnac效應(yīng)、衛(wèi)星天線相位中心、接收機天線相位中心和衛(wèi)星發(fā)射時延改正，改正量用Δtother表示，接收機的時延改正量為Δt1，計數(shù)器測得接收機時間與本地參考時間的時差值為Ttic。對同一歷元所有可視衛(wèi)星按高度角加權(quán)，生成該時刻本地參考時間與歸算基準(zhǔn)的偏差TREFSV，TREFSV的計算如式(2)所示。

式(2)

其中，c為真空光速；引入未知參數(shù)ερ，表示含接收機偽距觀測誤差在內(nèi)的各種殘余誤差總和。

服務(wù)端和各用戶端設(shè)備按約定的觀測周期，分別擬合TREFSV，生成代表該時段的偏差TUTCREFSV和TProREFSV。與實時共視時服務(wù)端廣播的觀測數(shù)據(jù)相比，服務(wù)端在全視比對時，每個觀測周期僅需廣播一條TUTCREFSV數(shù)據(jù)，進一步簡化了通信數(shù)據(jù)量。各用戶端設(shè)備接收來自服務(wù)端的TUTCREFSV數(shù)據(jù)，處理方式與共視完全相同，得到本地時間與UTC(NTSC)的偏差。

根據(jù)上述流程可知，只要用戶端設(shè)備可以觀測到北斗衛(wèi)星，并能獲得對應(yīng)衛(wèi)星的超快速星歷產(chǎn)品，就可以直接與UTC(NTSC)比對，用戶與服務(wù)端間沒有距離限制，服務(wù)性能主要與星歷產(chǎn)品、接收機性能有關(guān)。

受偽距測量誤差以及超快速星歷預(yù)報產(chǎn)品精度限制，實時全視的比對不確定度優(yōu)于2ns，更高精度的比對需要尋求更高分辨率的測量方法，例如PPP。

1.3 實時PPP原理

實時PPP是在衛(wèi)星共視和全視保障了基本應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，隨著北斗衛(wèi)星的第三方星歷產(chǎn)品逐漸成熟，為滿足更高精度授時需求發(fā)展而來的。實時PPP與實時全視的基本思路完全相同，主要區(qū)別在于使用測距碼與載波相位測量數(shù)據(jù)結(jié)合，代替了僅使用碼偽距測量值，使用實時衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品代替超快速預(yù)報產(chǎn)品。

采用雙頻無電離層組合進行PPP解算，基于載波相位的TREFSV計算方程用式(3)表示。

式（3）

根據(jù)不同的優(yōu)化方法，可以簡單地將磁場SLAM分為濾波和圖優(yōu)化兩類。

其中，λ表示無電離層組合波長；圖片表示載波相位模糊度。獲得本地參考時間與精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品系統(tǒng)時間的偏差，按觀測周期擬合后生成TProREFSV，再接收服務(wù)端廣播的對應(yīng)觀測周期的TUTCREFSV，生成本地參考時間與標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差[14-17]?；趯崟r星歷產(chǎn)品，目前實時PPP可以實現(xiàn)優(yōu)于1ns不確定度的比對。

1.4 振蕩器控制原理

通過實時共視/全視/PPP可以得到各用戶端本地時間與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的偏差，要實現(xiàn)本地時間與UTC(NTSC)同步，還需要對本地振蕩器進行駕馭。為能產(chǎn)生更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時間頻率信號，對振蕩器駕馭需遵循兩項基本原則：一是使本地時間與UTC(NTSC)偏差盡可能??；二是使頻率長期穩(wěn)定度最優(yōu)的同時，盡可能少惡化短期穩(wěn)定度。結(jié)合需求分析，對振蕩器的時間變化特性建模預(yù)報，比事后調(diào)整更利于目標(biāo)實現(xiàn)。典型的振蕩器隨時間變化模型如式(4)所示。

式(4)

其中，a表示與參考信號的初始時差；b表示與參考信號的頻率差；c表示振蕩器的頻漂；ε表示瞬時隨機變化量。利用持續(xù)比對獲得的歷史時差數(shù)據(jù)，結(jié)合對各類振蕩器的先驗經(jīng)驗，確定對式(4)中各項參數(shù)的擬合方法，目前擬合工具較多且較為成熟，各有適用場景，在此不再贅述。需要特別注意擬合數(shù)據(jù)的長度選擇，以及根據(jù)擬合結(jié)果結(jié)合對時間偏差的預(yù)期以及振蕩器類型綜合考慮制定對振蕩器的駕馭策略，較為典型的方案是將駕馭按階段細(xì)分，采用不同駕馭策略，精準(zhǔn)實施。

為驗證基于北斗衛(wèi)星實時共視、全視和PPP向全球用戶傳遞標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的能力，國家授時中心建立了一套標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)?；谠萍軜?gòu)，設(shè)計扁平化的授時模式，任意節(jié)點可直接溯源至UTC(NTSC)，獲得本地時間與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的偏差。溯源技術(shù)支持單選實時共視、全視和PPP，或各比對結(jié)果融合；觀測周期支持1min、5min、10min和自定義等多種間隔，滿足各種振蕩器與UTC(NTSC)同步需求。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生系統(tǒng)、遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備三類設(shè)備組成，其中標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生系統(tǒng)為授時系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。本系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)是我國的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)，與UTC的偏差常年保持在5ns內(nèi)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成圖

Fig.1 Composition of UTC(NTSC) remote replicating system

遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)設(shè)備是服務(wù)端的核心設(shè)備，用于按約定的各種觀測周期、比對技術(shù)，持續(xù)產(chǎn)生觀測數(shù)據(jù)TUTCREFSV和圖片廣播給用戶設(shè)備。遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)設(shè)備是系統(tǒng)運行的核心，為提高可靠性，采用異地冗余互備方案，由分布多地的多臺設(shè)備共同組成，通過專用光纖同步網(wǎng)絡(luò)確保各地參考時間統(tǒng)一至UTC(NTSC)主鐘。

標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備屬于用戶端設(shè)備，通過北斗衛(wèi)星的實時共視/全視/PPP等比對技術(shù)，持續(xù)獲得本地參考時間與UTC(NTSC)的偏差，進而駕馭本地振蕩器，產(chǎn)生與UTC(NTSC)同步的本地參考信號。目前，標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備支持馴服的振蕩器類型包括晶振、銣鐘、銫原子鐘和氫原子鐘等。用戶安裝一臺標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，即可獲得與UTC(NTSC)同步的1PPS時間信號和10MHz頻率信號，以及當(dāng)前時間信號與UTC(NTSC)的偏差信息和當(dāng)前時刻的時碼。

為滿足不同用戶安裝需求，設(shè)計了通過互聯(lián)網(wǎng)、北斗短報文等多種渠道廣播服務(wù)端的觀測數(shù)據(jù)，其中對通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)進行了授權(quán)和加密兩層防護處理，而北斗短報文模式下僅北斗授權(quán)用戶才能獲得，安全性更高。

標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)還支持為授權(quán)用戶提供數(shù)據(jù)分析和管理服務(wù)，滿足個性用戶對標(biāo)準(zhǔn)時間的需求。

2.2 時延標(biāo)校

作為授時系統(tǒng)，還需要特別關(guān)注所傳遞時間被用戶獲得的準(zhǔn)確性，即最終用戶獲得時間的誤差。授時誤差可以分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差，其中隨機誤差與使用的時間比對方法、環(huán)境變化、器件等相關(guān)，一旦授時方案確定后，難以改變；系統(tǒng)誤差具有重復(fù)性、單向性、可測性等特征，是影響授時誤差的主要因素，來源主要是設(shè)備時延、電纜時延、轉(zhuǎn)接器等信號在各環(huán)節(jié)傳輸引入的時延，在一定周期內(nèi)重復(fù)可測，對系統(tǒng)誤差的精確標(biāo)校能力，影響了標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)最終為用戶提供授時服務(wù)的能力。

由于用戶場所條件差異大，需要根據(jù)安裝條件配置不同的饋線型號、長度，甚至還可能需要加入功分等器件，增加了時延的不確定性。為此，設(shè)計了時延的分段標(biāo)校方案。將時延相對固定的用戶端設(shè)備主機和天線進行組合標(biāo)校，單獨標(biāo)校時延不固定的饋線，其中主機與天線的組合時延絕對標(biāo)校原理如圖2所示。

圖2 設(shè)備時延校準(zhǔn)原理圖

Fig.2 Schematic diagram of equipment time delay calibration

被校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)設(shè)備并址短基線安裝，獨立天線，預(yù)先標(biāo)定饋線時延，待設(shè)備運行穩(wěn)定后，使用時間間隔計數(shù)器持續(xù)測試復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1PPS與UTC(NTSC)主鐘信號的時差，不少于24h。測試結(jié)果扣除測試電纜和饋線時延后，與對應(yīng)測試時段標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出的本地參考時間與UTC(NTSC)偏差做差，統(tǒng)計差值的均值即為設(shè)備的固定時延。

GNSS接收天線至標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備主機的饋線時延，與安裝環(huán)境條件密切相關(guān)，按需配置，一般在百納秒至數(shù)百納秒之間。電纜時延的測試方法較為通用，標(biāo)定不確定度與所使用的儀器性能相關(guān)，一般情況下遠(yuǎn)優(yōu)于100ps。

為了檢驗系統(tǒng)的授時性能，以及對比實時共視、全視和PPP的性能差異，采用多系統(tǒng)雙頻定時接收模塊結(jié)合銣振蕩器，組成標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，分別在零基線和千公里基線條件下，對標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的授時性能進行測試，每一組測試持續(xù)不少于24h。測試原理如圖3所示。零基線條件下，用時間間隔計數(shù)器直接測量復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1PPS與UTC(NTSC)主鐘信號的偏差；千公里基線時，以UTC(NTSC)為參考，采用事后PPP比對技術(shù)校準(zhǔn)當(dāng)?shù)氐囊慌_氫原子鐘的1PPS和10MHz信號的偏差，用作測試參考，校準(zhǔn)后氫原子鐘的頻率偏差小于5×10-15，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-15/d，優(yōu)于被測標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備時頻信號的預(yù)期能力。

圖3 授時性能測試原理

Fig.3 Principle for the test of timing service performance

標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的輸出時間與UTC(NTSC)的偏差如圖4～圖6所示，偏差數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征在表1列出。

圖4 零基線授時偏差

Fig.4 Deviation of timing service at zero baseline

圖5 基線904km授時偏差

Fig.5 Deviation of timing service at 904km baseline

圖6 基線1774km實時共視比對時，授時偏差

Fig.6 Deviation of timing service at 1774km baseline based on real-time CV

表1 標(biāo)準(zhǔn)時間復(fù)現(xiàn)性能測試結(jié)果匯總表

Tab.1 Test results summary of UTC(NTSC) remote replicating performance

觀察圖4～圖6曲線發(fā)現(xiàn)，部分時段的時間偏差存在顯著的單向漂移特性，為進一步分析其原因，為銣振蕩模塊單獨增加了保溫層，發(fā)現(xiàn)曲線改善明顯，并證實主要與銣振蕩器的溫度特性有關(guān)。測試時，設(shè)備處于室溫環(huán)境，實驗室溫度約有10℃變化，引起銣振蕩器頻率隨機漂移。因此，對于具備溫控條件的用戶，將設(shè)備放置在恒溫環(huán)境(溫度變化小于2℃)，會顯著改善輸出信號的頻率穩(wěn)定性。

實測千公里基線條件下，實時PPP測量值的均方根(RMS)優(yōu)于0.35ns，較共視和全視的0.8ns，測量結(jié)果隨機起伏更小，有利于振蕩器準(zhǔn)確建模和預(yù)報，因此實時PPP比對時復(fù)現(xiàn)信號的頻率長期穩(wěn)定度和時間同步精度均表現(xiàn)更優(yōu)。

此外，還可以得出以下結(jié)論：

1) 基線千公里內(nèi)，實時共視比對不確定度差異較小，均優(yōu)于1ns，主要得益于我國境內(nèi)北斗可視衛(wèi)星較多，基本在8顆以上，保障了不依賴第三方產(chǎn)品的北斗衛(wèi)星實時共視,可支持我國國境范圍內(nèi)為用戶提供與標(biāo)準(zhǔn)時間偏差不超過5ns、RMS小于1ns的時間信號，10MHz頻率信號的穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-13/10000s、相對頻偏小于5×10-14；

2) 受大環(huán)境影響，近兩年不能在更遠(yuǎn)基線條件下開展基于北斗衛(wèi)星實時全視的試驗，僅對比了零基線和千公里基線的性能，結(jié)果顯示，兩種條件下測量結(jié)果24h的RMS值相當(dāng)，分別為0.77ns和0.81ns，可見衛(wèi)星全視的比對結(jié)果與基線長度相關(guān)度較低，可以滿足更遠(yuǎn)距離的比對需求；

3) 基于實時PPP比對技術(shù)，在零基線和千公里基線時，分別獲得了0.2ns和0.32ns的比對A類不確定度，復(fù)現(xiàn)信號與UTC(NTSC)最大偏差控制在3ns以內(nèi)，零基線的萬秒頻率穩(wěn)定度進入了10-14量級，為將來進一步優(yōu)化性能奠定了基礎(chǔ)；

4) 結(jié)合北斗衛(wèi)星星座特點和已有試驗基礎(chǔ)，基線2000km以內(nèi)，采用衛(wèi)星實時共視，能實現(xiàn)優(yōu)于2ns的比對A類不確定度。試驗也證明，基于北斗衛(wèi)星在基線7000km以上的歐亞比對中，依然有可共視衛(wèi)星，支持開展比對，但因可用數(shù)據(jù)大幅減少而影響性能；實時全視技術(shù)因使用預(yù)報的星歷與鐘差，在千公里以內(nèi)的短基線距離時，較共視技術(shù)的比對精度優(yōu)勢并不明顯，更遠(yuǎn)如3000km以上時，優(yōu)勢才能充分顯現(xiàn)；實時全視和PPP的比對性能與基線長度的相關(guān)性遠(yuǎn)不及實時共視技術(shù)，比對精度更高、覆蓋范圍更廣，但依賴衛(wèi)星的軌道和鐘差產(chǎn)品，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品因可用性變化需要進行產(chǎn)品切換時，可能會引入新的不確定因素，從而影響性能，需要進一步研究優(yōu)化方案。

綜合對比三種實時遠(yuǎn)程比對技術(shù)，實時PPP比其他兩種技術(shù)可以得到更準(zhǔn)確的比對結(jié)果，隨著實時星歷鐘差產(chǎn)品性能的進一步提升，未來還有進一步優(yōu)化的空間，但是對第三方產(chǎn)品依賴也最高；得益于北斗衛(wèi)星在中國區(qū)域的高密度覆蓋，實時共視應(yīng)用自由度最高，在中國區(qū)域內(nèi)比對性能與衛(wèi)星全視基本相當(dāng)；實時全視為實時共視的有力補充，可以為一帶一路沿線、海外用戶等更大范圍的授時應(yīng)用，提供與國內(nèi)性能相當(dāng)?shù)氖跁r服務(wù)，多種比對技術(shù)的互補、融合，可以為用戶提供更可靠的授時服務(wù)。

基于我國的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)和覆蓋全球的北斗衛(wèi)星條件，國家授時中心團隊開發(fā)了一套兼容實時共視、全視和PPP三種比對技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，可以為全球用戶提供授時服務(wù)，授時最大偏差小于5ns，取樣間隔10000s以內(nèi)的時間穩(wěn)定度優(yōu)于1ns，頻率萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-13，相對UTC(NTSC)的頻偏小于5×10-14，是北斗授時的有力補充，目前已經(jīng)在多個行業(yè)得到應(yīng)用。

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作者：劉 婭1,2,3，李孝輝1,2,3，趙志雄1，樊多盛1,2，陳瑞瓊1，許龍霞1，欽偉瑾1(1.中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院，北京 100049)

作者簡介：劉婭(1982-)，女，博士，研究員，主要從事時間頻率測量與控制方面的研究。

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