標準時間遠程復現(xiàn)系統(tǒng)的不同比對技術對比分析

韓松岳，劉婭，王嘉琛，陳瑞瓊，許龍霞，李孝輝

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隨著各行業(yè)對高精度標準時間的需求增加，國家標準時間傳遞的準確性、穩(wěn)定性和時間同步一致性成為時間頻率領域的研究重點。部分用戶需要權威且高精度的國家標準時間，卻沒有條件直接接入中國科學院國家授時中心所保持的UTC(NTSC)。目前國家授時中心設計研制的精度高、體積小、成本低的標準時間復現(xiàn)設備就是為了滿足上述用戶的需求。銣原子鐘是二級頻標，它的造價相對于氫鐘和銫鐘較低，長期穩(wěn)定性相對于晶振較好。工程實現(xiàn)上，因為銣鐘能夠小型化，所以復現(xiàn)設備采用銣鐘作為頻率源。

依托中國科學院國家授時中心保持的國家標準時間UTC(NTSC)，基于衛(wèi)星共視與全視的比對原理，建成了標準時間遠程復現(xiàn)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)用戶本地復現(xiàn)時間與UTC(NTSC)偏差小于5 ns[1]。復現(xiàn)系統(tǒng)由基準站、用戶站和數據處理中心三部分組成，基準站位于陜西臨潼，接入待復現(xiàn)的標準時間信號，用戶站位于測試基線的另一端，于用戶所在地進行標準時間信號復現(xiàn)試驗，利用GNSS信號和時間間隔計數器結合衛(wèi)星共視和全視原理，按規(guī)定周期生成本地參考時間與各個衛(wèi)星鐘或系統(tǒng)時間的偏差，通過數據傳輸網絡實時交換數據，生成各復現(xiàn)終端時間與標準時間的偏差，用于控制本地時間，使其與標準時間保持同步[2]。將用戶站與基準站并址安裝在陜西臨潼時，測量基線為零基線條件，系統(tǒng)的測量誤差最小，標準時間的復現(xiàn)性能主要由對時鐘源的駕馭性能決定；當基線拉長，可以通過對比試驗，檢驗基于共視和全視模式下實現(xiàn)標準時間復現(xiàn)的性能差異，為用戶選擇最優(yōu)方式提供依據。本文以銣鐘作為時鐘源分別開展了復現(xiàn)設備的零基線測試和中基線測試，地點分別在陜西臨潼國家授時中心和海南三亞測試站(1 774 km)。

1 共視與全視基本原理

共視與全視是遠距離時間傳輸的重要方法，但是兩種方法適用范圍有所差異。其基本原理都是靠測站接收衛(wèi)星信號計算鐘差，從而實現(xiàn)時間傳輸與比對。共視方法要求兩站同一時刻觀測到同一顆衛(wèi)星并計算星站鐘差，通過差分減小比對誤差的影響；全視方法利用第三方鐘差、軌道產品修正后，計算接收機時鐘與GNSST系統(tǒng)時差值。經典的共視和全視比對方法不能完全滿足標準時間復現(xiàn)系統(tǒng)對實時性、可靠性需求，應用時進行了適應性改進。

1.1 共視法基本原理

利用共視法計算A、B兩地觀測站的時差，需要兩地用戶在同一時刻測量本地鐘與相同衛(wèi)星鐘的時間差。對于同一顆衛(wèi)星的星載鐘,它與兩觀測站的時差為：

ΔTAS=TA-TS-dA,

(1)

ΔTBS=TB-TS-dB,

(2)

式(1)和(2)中，TA、TB、TS分別表示A站時鐘、B站時鐘和衛(wèi)星時鐘的時間，dA與dB為衛(wèi)星到A和B站的路徑延遲。那么A和B站鐘差可以用ΔTAS與ΔTBS做差得到，即：

ΔTAB=ΔTAS-ΔTBS= (TA-TB)-(dA-dB)。

(3)

此時得到的兩站鐘差的計算公式中，TS通過運算抵消，這樣能夠消除傳播路徑上的共同誤差，從而實現(xiàn)兩地的時間比對[3-4]。

最早的GPS共視法于1980年由美國的D.W.Allan等[5]提出,幾年后國際上多數時頻實驗室很快便具備了GPS共視時間比對的能力,從而大幅提高了UTC計算的精度[6]。經典共視方法標準中，16 min為衛(wèi)星共視周期，其中13 min用于觀測，1 min用于觀測準備，2 min用于數據處理[7]。為滿足復現(xiàn)系統(tǒng)的實時性和不間斷的時間比對，以及駕馭不同類型振蕩器的需求，需要靈活共視周期、無間斷的比對數據，所以復現(xiàn)系統(tǒng)設計基本觀測周期為1 min，可以設置為其整數倍，比如5 min，10 min等。

1.2 全視法基本原理

若A站和B站在ti時刻分別能夠觀測到m顆星和n顆星，則A站、B站與GNSST的時差可以表示為：

(4)

(5)

式(4)和(5)中，rk和rj為權值，受衛(wèi)星高度角影響。將兩式相減得到A、B兩站的鐘差值：

(TA-TB)ti=(TA-TGNSS)ti-(TB-TGNSS)ti。

(6)

2004年,國際權度局(BIPM)的Jiang zhiheng和G.Petit提出了可以突破基線限制的GPS全視時間比對,隨著比對兩站幾何基線的增大,全視方法相對共視法的優(yōu)勢越來越明顯[6]。2007年江志恒[8]給出了不同基線下共視與全視的觀測歷元數，在600 km基線長度下共視法與全視法基本具有相似性能，當處于17 000 km的超長基線下，全視法的觀測歷元有3 085個，共視只有150個，證明全視在基線長度的限制比共視小。另外，因為實時性的要求，全視數據在產品選擇上也需要兼顧精度和快速更新兩個方面?？焖傩菤v的鐘差精度能夠達到75 ps，比超快速預測產品的3 ns和超快速實測產品的150 ps精度更高，但是快速星歷發(fā)布滯后17～41 h，超快速實測產品滯后約3～9 h，均無法滿足實時性要求[9]。所以在遠程復現(xiàn)系統(tǒng)中，選擇滿足實時應用的超快速預報產品，數據每6 h更新一次[10]。

2 共視與全視復現(xiàn)性能對比方案設計

本文設計了以銣鐘為頻率源的兩組試驗，在支持BDS/GPS多頻點信號的雙模復現(xiàn)系統(tǒng)中進行了零基線和中基線復現(xiàn)試驗。試驗主要目的是對比全視與共視模式下標準時間復現(xiàn)效果，比較實時條件下GNSS共視和全視馴服銣鐘的性能差異，為系統(tǒng)性能優(yōu)化提供支持。試驗結合可用資源條件，選擇了陜西臨潼和海南三亞兩個典型地點。

2.1 零基線時間復現(xiàn)方案及結果

為了測試零基線復現(xiàn)效果，通過系統(tǒng)采集基準端與復現(xiàn)端1 PPS時差，并對比全視和共視模式下的標準差、峰峰值及Allan標準偏差。依據圖1所示原理，于2020年8月7日至8月8日在臨潼進行零基線共視測試，于2021年3月2日至3月3日進行零基線全視測試，圖2為零基線銣鐘共視和全視比對數據，分析結果如表1所示。標準差反映數據的離散程度，峰峰值表明測量周期內最大和最小值的變化范圍，均為衡量數據波動情況的重要指標。

表1 零基線復現(xiàn)結果分析表

圖1 復現(xiàn)方案原理圖

圖2 零基線銣鐘共視和全視比對數據

實測結果顯示，零基線模式下，共視與全視標準差相當，因為兩種方法的可視衛(wèi)星數相當。當共視和全視周期為60 s，測試時間持續(xù)約24 h，那么實際得到數據約1 440 個，無法分析秒穩(wěn)定度，只能計算采樣間隔大于60 s的Allan標準偏差。圖3反映的是零基線復現(xiàn)信號的頻率穩(wěn)定度，兩條圖線分別表示共視和全視模式。采用取樣間隔τ>60 s的Allan標準偏差表征，圖中具體數據如表3的第2和第3列所示。

圖3 零基線銣鐘共視和全視Allan標準偏差

2.2 中基線時間復現(xiàn)方案及結果

為了評估中基線標準時間復現(xiàn)效果，選取海南三亞作為復現(xiàn)地點，搭建復現(xiàn)終端設備，以陜西臨潼為基準終端站點，連接國家標準時間UTC(NTSC)，臨潼至三亞基線長度為1 774 km。測量原理與零基線相同，中基線全視測試時間為北京時間2020年9月26日17:00:10至2020年9月27日18:40:10，共視測試時間為北京時間2020年9月25日14:40:10至2020年9月26日16:40:10，測控周期為60 s，實驗保證連續(xù)測量24 h。將共視和全視的時差數據經過粗差剔除處理，結果如圖4所示；具體波動情況見表2，共視數據的標準差為1.23 ns，峰峰值為6.48 ns；全視數據的標準差為3.19 ns，峰峰值為16.3 ns。由標準差和峰峰值可見，實測共視模式比全視模式更穩(wěn)定，波動較小。

圖4 中基線銣鐘共視和全視數據

表2 中基線復現(xiàn)結果分析表

與零基線數據類似，當測控周期為60 s，實際得到數據約1 440 個，短期穩(wěn)定度無法評估，仍然計算采樣間隔大于60 s的Allan標準偏差。結果如圖5所示，中基線共視模式下的頻率穩(wěn)定度同樣比全視更加穩(wěn)定，具體數值見表3的第4列和第5列。

圖5 中基線共視和全視Allan標準偏差對比

2.3 實測結果比較分析

總結2.1和2.2節(jié)的試驗結果，將Allan標準偏差匯總在表3，能夠得到如下結論：從不同基線來看，基線越長，復現(xiàn)信號與標準時間的偏差起伏越大，因為加長基線導致誤差影響變大,共視或全視比對誤差的主要來源有衛(wèi)星鐘、軌道、電離層、對流層影響、天線相位中心偏差以及多徑效應等。從測量模式對比，理論上，零基線條件下，全視與共視的復現(xiàn)效果應相當，基線越長，全視的性能優(yōu)勢應越明顯。

表3 零基線、中基線共視和全視穩(wěn)定度比對

當前國際上普遍采用不確定度評估時間比對方法的性能，在此本文對復現(xiàn)系統(tǒng)共視和全視模式下的不確定度進行估算。整個比對過程中影響精度的主要有與衛(wèi)星相關的誤差，如星鐘誤差，衛(wèi)星的軌道誤差；傳播過程中的誤差，如電離層、對流層誤差；還有接收機誤差等。按照主要誤差來源結合實測數據和經驗參數，給出各自的不確定度估計。因為共視比對將衛(wèi)星時鐘作為中間量抵消掉，所以衛(wèi)星共視的星鐘誤差影響可忽略[11-12]。表4為全視和共視的不確定度來源。

表4 全視和共視不確定度來源比對

假設上述各項誤差是統(tǒng)計獨立的，則可以估計全視和共視時間比對的合成不確定度分別為3.19 ns和1.54 ns：

(7)

(8)

綜上所述，當前系統(tǒng)條件下，在千千米基線上，共視模式比全視模式能獲得更高的性能。進一步分析原始數據發(fā)現(xiàn)，基于超快速預報產品的全視實時比對，由于依賴第三方平臺提供服務數據，應用過程中，存在部分觀測周期未能獲得有效的星歷數據問題，導致觀測結果誤差修正不完整,出現(xiàn)測量結果跳變。為解決上述問題，計劃下一步通過優(yōu)化數據處理邏輯、升級處理器能力和支持多渠道星歷產品等方式，改進系統(tǒng)能力。

3 結語

本文所基于的標準時間復現(xiàn)系統(tǒng)，突出特點在于其實時性。在零基線和1 774 km中基線的共視和全視時間復現(xiàn)試驗中，驗證了復現(xiàn)性能與基線長度的相關性，基線越長復現(xiàn)終端和基準終端受測量誤差影響越大。通過共視和全視兩種方法的復現(xiàn)對比分析，反映出當前系統(tǒng)存在的不足，并為下一步系統(tǒng)優(yōu)化提出了建議解決方案。

本文試驗的基線長度只選擇了0 km和1 774 km，但是根據相關論文，全視在長基線條件下數據可用率比共視數據可用率更高，在更長基線條件下，較共視模式有顯著優(yōu)勢[9]。因為客觀原因，目前還不具備在海外開展更長基線實驗的驗證，共視和全視的復現(xiàn)效果差異有待進一步驗證。

在后續(xù)的工程規(guī)劃中，除了現(xiàn)有的晶振和銣鐘分別作為復現(xiàn)設備的時鐘源，晶振與銣鐘鎖相輸出1 PPS信號也將作為復現(xiàn)終端時鐘源進行實驗。鎖相環(huán)作為產生、輸出周期信號的電子控制環(huán)路，通過不斷地調整輸出信號的相位使其與輸入信號相位時刻保持一致[13]。如果鎖相環(huán)調節(jié)后精度有所改善，其輸出的穩(wěn)定度能夠分別相比銣鐘和晶振復現(xiàn)效果有所提高，時差數據波動更小，則有可能為精度需求更高、使用場景更廣泛的用戶提供服務。