基于北斗衛(wèi)星的納秒級(jí)全球授時(shí)系統(tǒng)

劉 婭，李孝輝，趙志雄，樊多盛,2，陳瑞瓊，許龍霞，欽偉瑾

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600;2.中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院，北京 100049)

0 引言

統(tǒng)一的時(shí)間是確保各類活動(dòng)有序的關(guān)鍵。隨著全球化進(jìn)展，對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的范圍和性能需求也越來越高。隨著北斗三號(hào)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(jìn)入了全球服務(wù)階段，BDS-3的系統(tǒng)時(shí)間(BDT)通過 UTC(NTSC)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC 建立聯(lián)系，BDT 與協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordina-ted，UTC)的偏差保持在 50ns以內(nèi)(模1秒)。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(bào)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(shí)信號(hào)，此外還有差分增強(qiáng)和精密單點(diǎn)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(shí)間偏差保持在26ns以內(nèi)。用戶通過BDS-3實(shí)際獲得的時(shí)間服務(wù)性能還與使用的接收機(jī)測(cè)量性能、設(shè)備時(shí)延標(biāo)定性能及信號(hào)大氣傳播時(shí)延改正精度等有關(guān)，用戶獲得的定時(shí)信號(hào)與BDT或UTC的偏差可能達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百納秒。為了更準(zhǔn)確地傳遞時(shí)間信號(hào)，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(shí)間頻率比對(duì)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(shí)頻傳遞(Two Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)方法和基于光纖的時(shí)頻信號(hào)比對(duì)方法，這些方法的時(shí)間比對(duì)精度可以達(dá)到納秒甚至亞納秒量級(jí)，主要用于守時(shí)實(shí)驗(yàn)室或者高性能原子鐘間比對(duì)。為保證時(shí)間比對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，產(chǎn)生UTC的國(guó)際計(jì)量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)會(huì)定期組織巡回校準(zhǔn)活動(dòng)，將便攜的GNSS時(shí)間傳遞接收設(shè)備搬運(yùn)至各參與比對(duì)的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延。

為了向用戶提供精準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Tech-nology，NIST)開通了時(shí)間測(cè)量和分析服務(wù)系統(tǒng)(Time Measurement and Analysis Service，TMAS)和多源共視馴鐘系統(tǒng)(Multi-Source Common-View Dis-ciplined Clock，MSCVDC)，支持基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)共視,不斷比對(duì)客戶本地時(shí)間與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NIST)的偏差，并通過互聯(lián)網(wǎng)每10min向客戶報(bào)告一次新結(jié)果，時(shí)間比對(duì)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(duì)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(shí)間信號(hào)，其本質(zhì)是在用戶所在地恢復(fù)出UTC(NIST)，恢復(fù)的時(shí)間與UTC(NIST)的偏差約10ns，峰峰值不超過25ns。

英國(guó)皇家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory，NPL)產(chǎn)生和保持英國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，開發(fā)了一套基于GPS共視的授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)，可以為申請(qǐng)的用戶提供與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NPL)直接的比對(duì)服務(wù)，校準(zhǔn)用戶的時(shí)頻設(shè)備，溯源至UTC(NPL)的時(shí)間不確定度為10ns(1)，相對(duì)頻率偏差為5×10(1，1天平均)。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了一套基于GNSS共視的遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置(NIMDO)，通過比對(duì)結(jié)果馴服銣原子鐘，可產(chǎn)生同步于UTC(NIM)的1PPS和10MHz信號(hào)，1PPS相對(duì)于UTC(NIM)的時(shí)間偏差優(yōu)于10ns(95%)，10MHz相對(duì)頻率偏差優(yōu)于1×10，時(shí)間偏差測(cè)量不確定度優(yōu)于5ns。

國(guó)家授時(shí)中心產(chǎn)生和維持著標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)，在為北斗提供時(shí)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(shí)服務(wù)為目標(biāo)，開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，于2014年開始提供服務(wù)。目前，已發(fā)展為支持基于GNSS的實(shí)時(shí)共視、全視和PPP等多種比對(duì)技術(shù)，可為全球用戶提供溯源至UTC(NTSC)的時(shí)間頻率信號(hào)，相對(duì)UTC(NTSC)的時(shí)間偏差小于5ns，頻率偏差小于5×10，時(shí)間偏差測(cè)量A類不確定度優(yōu)于2ns，優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備。

1 廣域納秒級(jí)授時(shí)原理

授時(shí)是指把標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過有線或無線傳送到遠(yuǎn)距離，供時(shí)間比對(duì)、時(shí)間同步使用，與一般時(shí)間傳遞或比對(duì)的區(qū)別是授時(shí)發(fā)播的是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。國(guó)家授時(shí)中心產(chǎn)生和保持我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)，通過實(shí)時(shí)時(shí)間比對(duì)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(shí)間信號(hào)，頻率萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于5×10，10萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于5×10，相對(duì)頻偏小于5×10的10MHz頻率信號(hào)，時(shí)間偏差測(cè)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(shí)間信號(hào)，是指基于比對(duì)結(jié)果對(duì)振蕩器駕馭后，輸出的1PPS信號(hào)邊沿不能完全與UTC(NTSC)主鐘1PPS對(duì)齊，殘余的最大偏差小于5ns。為降低該殘余偏差對(duì)使用的影響，同時(shí)為用戶提供對(duì)應(yīng)時(shí)段的殘余偏差測(cè)量值，該測(cè)量值相對(duì)真值的隨機(jī)起伏即比對(duì)A類不確定度，優(yōu)于2ns(24h數(shù)據(jù)的RMS)。用戶使用信號(hào)的同時(shí)，輔以測(cè)量值修正后，最終可得到溯源至UTC(NTSC)的時(shí)間不確定度小于2ns。

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)使用基于GNSS的實(shí)時(shí)共視、全視和PPP三種遠(yuǎn)程比對(duì)技術(shù)，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景自由切換三種比對(duì)手段，單獨(dú)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(dòng)氫原子鐘等，測(cè)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(duì)時(shí)間、頻率信號(hào)的需求。

1.1 實(shí)時(shí)共視原理

基于北斗衛(wèi)星的實(shí)時(shí)共視比對(duì)基本原理是在國(guó)家授時(shí)中心的服務(wù)端觀測(cè)衛(wèi)星鐘與UTC(NTSC)的偏差，將偏差數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(shí)段觀測(cè)的衛(wèi)星鐘與本地參考時(shí)間偏差，計(jì)算本地參考時(shí)間與UTC(NTSC)的偏差，為控制振蕩器提供測(cè)量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理流程：各站利用北斗定時(shí)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，首先測(cè)得含有衛(wèi)星鐘δ和接收機(jī)時(shí)間偏差的偽距，然后利用接收機(jī)天線坐標(biāo)和廣播星歷預(yù)報(bào)的衛(wèi)星軌道，計(jì)算衛(wèi)星和接收機(jī)真距(含軌道預(yù)報(bào)誤差)，偽距與真距的差包含了衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差、傳播路徑上的各種時(shí)延，以及衛(wèi)星軌道等各種誤差項(xiàng)，用雙頻偽距測(cè)量值修正電離層延遲，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚龑?duì)流層時(shí)延，進(jìn)而計(jì)算得到含有誤差的接收機(jī)時(shí)間與各顆衛(wèi)星鐘的鐘差，最后結(jié)合事先測(cè)得的接收機(jī)時(shí)延改正參數(shù)Δ和計(jì)數(shù)器持續(xù)監(jiān)測(cè)的接收機(jī)時(shí)間與本地參考時(shí)間的時(shí)差值，生成本地參考時(shí)間與各顆北斗衛(wèi)星鐘的鐘差，的計(jì)算如式(1)所示。

=+(---)+
δ--Δ

(1)

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

因?yàn)閷?shí)時(shí)共視需要各用戶端與服務(wù)端能同時(shí)觀測(cè)到相同衛(wèi)星，共視的衛(wèi)星數(shù)量越多，越有利于降低測(cè)量隨機(jī)誤差；距離越近，兩端觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差相關(guān)性越高，測(cè)量精度越高。結(jié)合北斗衛(wèi)星在中國(guó)的幾何分布和實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，北斗實(shí)時(shí)衛(wèi)星共視最優(yōu)作用距離約在3000km以內(nèi)，更長(zhǎng)基線可能會(huì)犧牲測(cè)量性能，為了能在更廣泛區(qū)域?yàn)橛脩羰跁r(shí)，引入了基于北斗的實(shí)時(shí)全視技術(shù)。

1.2 實(shí)時(shí)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(shí)間UTC(NTSC)高精度比對(duì)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(duì)結(jié)果，因主要用于守時(shí)實(shí)驗(yàn)室高性能原子鐘間比對(duì)，守時(shí)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(shí)需求，需要考慮普通振蕩器的應(yīng)用場(chǎng)景，該類振蕩器的特點(diǎn)是頻率變化相對(duì)較快，獲得測(cè)試結(jié)果的時(shí)效性直接影響時(shí)間服務(wù)性能。因此，本文提出了實(shí)時(shí)全視的解決方案，主要流程與實(shí)時(shí)共視相似，區(qū)別在于時(shí)間比對(duì)的中間媒介不是衛(wèi)星鐘，而是第三方機(jī)構(gòu)提供的超快速星歷預(yù)報(bào)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(cè)得的本地參考時(shí)間與歸算基準(zhǔn)的偏差，就可以獲得本地參考時(shí)間與UTC(NTSC)的偏差。目前，國(guó)內(nèi)外有多家機(jī)構(gòu)可以提供實(shí)時(shí)全視所需超快速預(yù)報(bào)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(bào)產(chǎn)品的主要特點(diǎn)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(shí)時(shí)共視比對(duì)需求。

實(shí)時(shí)全視數(shù)據(jù)處理流程：各用戶端設(shè)備利用北斗定時(shí)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，首先測(cè)得偽距，然后通過第三方機(jī)構(gòu)獲得超快速星歷預(yù)報(bào)產(chǎn)品，經(jīng)多項(xiàng)式內(nèi)插生成對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差，計(jì)算衛(wèi)星與接收機(jī)距離，計(jì)算接收機(jī)時(shí)間與歸算基準(zhǔn)的偏差δ；然后用雙頻觀測(cè)值計(jì)算電離層延遲改正值，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼龑?duì)流層延遲，并進(jìn)行Sagnac效應(yīng)、衛(wèi)星天線相位中心、接收機(jī)天線相位中心和衛(wèi)星發(fā)射時(shí)延改正，改正量用Δ表示，接收機(jī)的時(shí)延改正量為Δ，計(jì)數(shù)器測(cè)得接收機(jī)時(shí)間與本地參考時(shí)間的時(shí)差值為。對(duì)同一歷元所有可視衛(wèi)星按高度角加權(quán)，生成該時(shí)刻本地參考時(shí)間與歸算基準(zhǔn)的偏差，的計(jì)算如式(2)所示。

=+(---)+
δ-Δ--Δ

(2)

其中，為真空光速；引入未知參數(shù)，表示含接收機(jī)偽距觀測(cè)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(cè)周期，分別擬合，生成代表該時(shí)段的偏差和。與實(shí)時(shí)共視時(shí)服務(wù)端廣播的觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，服務(wù)端在全視比對(duì)時(shí)，每個(gè)觀測(cè)周期僅需廣播一條數(shù)據(jù)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了通信數(shù)據(jù)量。各用戶端設(shè)備接收來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)，處理方式與共視完全相同，得到本地時(shí)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(cè)到北斗衛(wèi)星，并能獲得對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的超快速星歷產(chǎn)品，就可以直接與UTC(NTSC)比對(duì)，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(jī)性能有關(guān)。

受偽距測(cè)量誤差以及超快速星歷預(yù)報(bào)產(chǎn)品精度限制，實(shí)時(shí)全視的比對(duì)不確定度優(yōu)于2ns，更高精度的比對(duì)需要尋求更高分辨率的測(cè)量方法，例如PPP。

1.3 實(shí)時(shí)PPP原理

實(shí)時(shí)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(shí)需求發(fā)展而來的。實(shí)時(shí)PPP與實(shí)時(shí)全視的基本思路完全相同，主要區(qū)別在于使用測(cè)距碼與載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合，代替了僅使用碼偽距測(cè)量值，使用實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品代替超快速預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

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

δ-Δ--Δ

(3)

1.4 振蕩器控制原理

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

(4)

其中，表示與參考信號(hào)的初始時(shí)差；表示與參考信號(hào)的頻率差；表示振蕩器的頻漂；表示瞬時(shí)隨機(jī)變化量。利用持續(xù)比對(duì)獲得的歷史時(shí)差數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)各類振蕩器的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定對(duì)式(4)中各項(xiàng)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(chǎng)景，在此不再贅述。需要特別注意擬合數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度選擇，以及根據(jù)擬合結(jié)果結(jié)合對(duì)時(shí)間偏差的預(yù)期以及振蕩器類型綜合考慮制定對(duì)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(shí)施。

2 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)共視、全視和PPP向全球用戶傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的能力，國(guó)家授時(shí)中心建立了一套標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)?；谠萍軜?gòu)，設(shè)計(jì)扁平化的授時(shí)模式，任意節(jié)點(diǎn)可直接溯源至UTC(NTSC)，獲得本地時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的偏差。溯源技術(shù)支持單選實(shí)時(shí)共視、全視和PPP，或各比對(duì)結(jié)果融合；觀測(cè)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(jì)

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)、遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備三類設(shè)備組成，其中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)為授時(shí)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。本系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)是我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)，與UTC的偏差常年保持在5ns內(nèi)。

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

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)時(shí)共視/全視/PPP等比對(duì)技術(shù)，持續(xù)獲得本地參考時(shí)間與UTC(NTSC)的偏差，進(jìn)而駕馭本地振蕩器，產(chǎn)生與UTC(NTSC)同步的本地參考信號(hào)。目前，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(tái)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，即可獲得與UTC(NTSC)同步的1PPS時(shí)間信號(hào)和10MHz頻率信號(hào)，以及當(dāng)前時(shí)間信號(hào)與UTC(NTSC)的偏差信息和當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)碼。

為滿足不同用戶安裝需求，設(shè)計(jì)了通過互聯(lián)網(wǎng)、北斗短報(bào)文等多種渠道廣播服務(wù)端的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中對(duì)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了授權(quán)和加密兩層防護(hù)處理，而北斗短報(bào)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(shí)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(gè)性用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的需求。

2.2 時(shí)延標(biāo)校

作為授時(shí)系統(tǒng)，還需要特別關(guān)注所傳遞時(shí)間被用戶獲得的準(zhǔn)確性，即最終用戶獲得時(shí)間的誤差。授時(shí)誤差可以分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，其中隨機(jī)誤差與使用的時(shí)間比對(duì)方法、環(huán)境變化、器件等相關(guān)，一旦授時(shí)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(cè)性等特征，是影響授時(shí)誤差的主要因素，來源主要是設(shè)備時(shí)延、電纜時(shí)延、轉(zhuǎn)接器等信號(hào)在各環(huán)節(jié)傳輸引入的時(shí)延，在一定周期內(nèi)重復(fù)可測(cè)，對(duì)系統(tǒng)誤差的精確標(biāo)校能力，影響了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)最終為用戶提供授時(shí)服務(wù)的能力。

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

圖2 設(shè)備時(shí)延校準(zhǔn)原理圖

被校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備并址短基線安裝，獨(dú)立天線，預(yù)先標(biāo)定饋線時(shí)延，待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器持續(xù)測(cè)試復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1PPS與UTC(NTSC)主鐘信號(hào)的時(shí)差，不少于24h。測(cè)試結(jié)果扣除測(cè)試電纜和饋線時(shí)延后，與對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出的本地參考時(shí)間與UTC(NTSC)偏差做差，統(tǒng)計(jì)差值的均值即為設(shè)備的固定時(shí)延。

GNSS接收天線至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備主機(jī)的饋線時(shí)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(shí)延的測(cè)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。

3 試驗(yàn)結(jié)果與性能分析

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

圖3 授時(shí)性能測(cè)試原理

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

圖4 零基線授時(shí)偏差

圖5 基線904km授時(shí)偏差

圖6 基線1774km實(shí)時(shí)共視比對(duì)時(shí)，授時(shí)偏差

表1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)性能測(cè)試結(jié)果匯總表

觀察圖4～圖6曲線發(fā)現(xiàn)，部分時(shí)段的時(shí)間偏差存在顯著的單向漂移特性，為進(jìn)一步分析其原因，為銣振蕩模塊單獨(dú)增加了保溫層，發(fā)現(xiàn)曲線改善明顯，并證實(shí)主要與銣振蕩器的溫度特性有關(guān)。測(cè)試時(shí)，設(shè)備處于室溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室溫度約有10℃變化，引起銣振蕩器頻率隨機(jī)漂移。因此，對(duì)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(huì)顯著改善輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定性。

實(shí)測(cè)千公里基線條件下，實(shí)時(shí)PPP測(cè)量值的均方根(RMS)優(yōu)于0.35ns，較共視和全視的0.8ns，測(cè)量結(jié)果隨機(jī)起伏更小，有利于振蕩器準(zhǔn)確建模和預(yù)報(bào)，因此實(shí)時(shí)PPP比對(duì)時(shí)復(fù)現(xiàn)信號(hào)的頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度和時(shí)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(shí)時(shí)共視比對(duì)不確定度差異較小，均優(yōu)于1ns，主要得益于我國(guó)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(shí)時(shí)共視,可支持我國(guó)國(guó)境范圍內(nèi)為用戶提供與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差不超過5ns、RMS小于1ns的時(shí)間信號(hào)，10MHz頻率信號(hào)的穩(wěn)定度優(yōu)于5×10/10000s、相對(duì)頻偏小于5×10；

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(shí)時(shí)全視的試驗(yàn)，僅對(duì)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(cè)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(duì)結(jié)果與基線長(zhǎng)度相關(guān)度較低，可以滿足更遠(yuǎn)距離的比對(duì)需求；

3)基于實(shí)時(shí)PPP比對(duì)技術(shù)，在零基線和千公里基線時(shí)，分別獲得了0.2ns和0.32ns的比對(duì)A類不確定度，復(fù)現(xiàn)信號(hào)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(jìn)入了10量級(jí)，為將來進(jìn)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(diǎn)和已有試驗(yàn)基礎(chǔ)，基線2000km以內(nèi)，采用衛(wèi)星實(shí)時(shí)共視，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2ns的比對(duì)A類不確定度。試驗(yàn)也證明，基于北斗衛(wèi)星在基線7000km以上的歐亞比對(duì)中，依然有可共視衛(wèi)星，支持開展比對(duì)，但因可用數(shù)據(jù)大幅減少而影響性能；實(shí)時(shí)全視技術(shù)因使用預(yù)報(bào)的星歷與鐘差，在千公里以內(nèi)的短基線距離時(shí)，較共視技術(shù)的比對(duì)精度優(yōu)勢(shì)并不明顯，更遠(yuǎn)如3000km以上時(shí)，優(yōu)勢(shì)才能充分顯現(xiàn)；實(shí)時(shí)全視和PPP的比對(duì)性能與基線長(zhǎng)度的相關(guān)性遠(yuǎn)不及實(shí)時(shí)共視技術(shù)，比對(duì)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(jìn)行產(chǎn)品切換時(shí)，可能會(huì)引入新的不確定因素，從而影響性能，需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化方案。

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

4 結(jié)論

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