基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

武美芳，董孝松

(1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.山東理工大學(xué)，淄博 255000)

0 引言

時間是自然界中基本物理量之一[1]，高精度的時間服務(wù)攸關(guān)國家安全，也是國計民生中不可或缺的一部分。時間服務(wù)系統(tǒng)需溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)時間，這是國際電信聯(lián)盟對時間服務(wù)系統(tǒng)的要求[2]。由中國科學(xué)院國家授時中心負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播的UTC(NTSC)(coordinated universal time,UTC;National Time Service Center,NTSC)是我國的國家標(biāo)準(zhǔn)時間，也是國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC在我國的物理實現(xiàn)之一[3]。目前， GNSS授時因其10～50 ns較高的時間服務(wù)精度，廣泛的信號覆蓋，已成為使用最多的時間服務(wù)技術(shù)之一。

科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的快速發(fā)展對時間服務(wù)提出了更高的要求，精度從納秒級逐步到亞納秒級，時效性從事后到實時。目前已有的時間服務(wù)精度以及事后的工作模式已無法滿足需求。因此，越來越多的機構(gòu)和學(xué)者致力于研究高精度的、實時的時間服務(wù)系統(tǒng)。

2012年，Xu Longxia等[2]提出了基于共視原理的衛(wèi)星授時方法，基于該方法可獲得優(yōu)于5 ns的實時時間服務(wù)精度，該系統(tǒng)包括地面監(jiān)測站、上行注入站、通信衛(wèi)星等組成部分。2015年，歐盟[3-4]發(fā)起了“Horizon 2020”研究計劃， 并設(shè)計了“時間監(jiān)測與控制”模塊。該模塊下，服務(wù)端利用事后PPP(precise point positioning)技術(shù)每小時向用戶發(fā)送用戶鐘和UTC(k)之間的時間偏差。由于利用了事后PPP技術(shù)，該模塊提供的時間服務(wù)滯后1 h。2019年，Guo Wenfei等[5]搭建并測試了高精度實時GNSS單向授時系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于一個新的時間參考實現(xiàn)，而不是國家標(biāo)準(zhǔn)時間，該系統(tǒng)輸出了天穩(wěn)優(yōu)于1 ns的1 PPS信號。2021年，Wu Meifang等[6]研究并搭建了基于UTC的單向GNSS時間服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于PPP技術(shù)實現(xiàn)，因此，只能為用戶提供單一的定時模式。

UTC(NTSC)是我國國家標(biāo)準(zhǔn)時間，為時間服務(wù)提供基準(zhǔn)。國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)(international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)是我國倡導(dǎo)和建立的一套系統(tǒng)[7]，旨在建立GNSS全球跟蹤網(wǎng)，并生成各類高精度產(chǎn)品，例如精密星歷、衛(wèi)星鐘差等，服務(wù)于科學(xué)研究和各類應(yīng)用。本文利用UTC(NTSC)物理信號和iGMAS提供的數(shù)據(jù)及相關(guān)產(chǎn)品，設(shè)計并實現(xiàn)了亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)，用戶可根據(jù)自身需求，選擇PPP或?qū)崟r動態(tài)這兩種不同的定時解算模式，以獲得亞納秒級的實時國家標(biāo)準(zhǔn)時間服務(wù)。與此同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)簡便，利于推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，基于iGMAS的亞納秒級時間服務(wù)系統(tǒng)包括衛(wèi)星端、服務(wù)端、用戶端和通信網(wǎng)絡(luò)。外接UTC(NTSC)信號的基準(zhǔn)站、iGMAS跟蹤網(wǎng)、國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)跟蹤網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析處理中心共同構(gòu)成了服務(wù)端。用戶端由GNSS接收機和定時解算模塊構(gòu)成。系統(tǒng)基本原理為：以iGMAS作為平臺，建立GNSS與UTC(NTSC)的緊密聯(lián)系，用戶通過多種定時模式，實時獲得本地時鐘與UTC(NTSC)的偏差，從而實現(xiàn)精密時間服務(wù)，預(yù)期靜態(tài)時間服務(wù)精度達到亞納秒量級。

圖1 基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)工作原理

根據(jù)用戶站與基準(zhǔn)站間形成的長度不同的基線，用戶端可選擇PPP定時模式或?qū)崟r動態(tài)定時模式，解算本地鐘與國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的鐘差，以完成時間服務(wù)過程。

1.1 服務(wù)端

從圖1可知，當(dāng)用戶端采用PPP定時模式時，以UTC(NTSC)為參考的，高精度實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品是基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵前提保證。當(dāng)前部分iGMAS和IGS分析中心已經(jīng)實現(xiàn)了厘米級實時衛(wèi)星軌道(MEO/IGSO衛(wèi)星)和百皮秒級實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的產(chǎn)生與播發(fā)[8]。但是，實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品存在兩方面不足：① 衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的參考基準(zhǔn)不連續(xù)、不固定，只能用來進行定位(基準(zhǔn)偏差被接收機鐘差吸收)，不能用于定時；② 基于實時流產(chǎn)生與播發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)通訊依賴性較大，可靠性較差[9]。因此，高精度的以UTC(NTSC)為參考時間的實時鐘差是該系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)采用了基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法生成高精度實時鐘差，且該實時鐘差的參考時間為UTC(NTSC)。一方面，以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)的實時鐘差產(chǎn)品克服了由于鐘差產(chǎn)品基準(zhǔn)不連續(xù)而導(dǎo)致的時間服務(wù)結(jié)果不連續(xù)的問題，另一方面利用高頻觀測文件實現(xiàn)實時鐘差算法，而不是常用的實時觀測數(shù)據(jù)流，使實時鐘差產(chǎn)品的可靠性和可用性得到提高。基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法，在鐘差估計的基礎(chǔ)上進行超短期鐘差預(yù)報，以確定實時衛(wèi)星鐘差。目前iGMAS和IGS提供的觀測文件，根據(jù)時長，可分為天文件、小時文件和15 min文件。天文件時延太長，因此，基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法可根據(jù)更新周期選擇小時文件或15 min文件。

基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法充分考慮時鐘建模，采用15 min或小時更新的文件形式觀測數(shù)據(jù)生成實時精密鐘差產(chǎn)品，并利用外接UTC(NTSC)主鐘1 PPS和10 MHz信號的接收機，將鐘差產(chǎn)品的參考時間固定為UTC(NTSC)。根據(jù)衛(wèi)星鐘的運行特性進行建模，進而實施衛(wèi)星鐘差超短期預(yù)報，采用文件的形式向用戶播發(fā)。

在星鐘差解算的過程中，首先，設(shè)置外接UTC(NTSC)信號的基準(zhǔn)接收機，需精確測量連接鏈路的設(shè)備時延。其次，實時星鐘差解算時，包含基準(zhǔn)接收機數(shù)據(jù)，并將基準(zhǔn)接收機固定為衛(wèi)星鐘差基準(zhǔn)，解算其他各星鐘相對于該基準(zhǔn)的鐘差。此時，生成以UTC(NTSC)為參考時間的衛(wèi)星鐘差。

另外，基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法還包括超短期鐘差預(yù)報。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是鐘差預(yù)報中不可或缺的部分，例如：粗差探測及修復(fù)、鐘跳探測及修復(fù)[10-11]等。由于生成的實時鐘差更新頻率較快，系統(tǒng)采用了Huang Guanwen等[12]提出的自適應(yīng)鐘差預(yù)報模型進行超短期預(yù)報，此處不再贅述。

鐘差預(yù)報生成了高精度的文件格式的實時鐘差產(chǎn)品。為了滿足實時用戶需求，可將其生成狀態(tài)空間表示 (state space representation，SSR)格式的廣播星歷改正數(shù)，并通過BNC軟件播發(fā)。需要明確的是，廣播星歷鐘差并沒有修正相對論效應(yīng)，而生成的文件格式的實時鐘差產(chǎn)品已精確修正相對論效應(yīng)，因此需要將其二者相匹配后再進行播發(fā)。

1.2 用戶端

考慮到不同用戶站與基準(zhǔn)站間形成基線長度各異，基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計時，在用戶端提供兩種定時模式。當(dāng)基線較長時，用戶端利用PPP定時模式，解算本地鐘與UTC(NTSC)的鐘差，完成時間服務(wù)過程。當(dāng)基線較短時，用戶端利用實時動態(tài)模式，解算本地鐘與UTC(NTSC)的鐘差。

1.2.1PPP定時模式

服務(wù)端將基于UTC(NTSC)的實時衛(wèi)星鐘差廣播至用戶端。用戶端接收實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品、實時衛(wèi)星軌道、測站坐標(biāo)等，利用式(1)和(2)，基于非差消電離組合，生成用戶端本地鐘相對于UTC(NTSC)的時間偏差，完成時間服務(wù)。

(1)

(2)

1.2.2實時動態(tài)定時模式

實時動態(tài)定時模式借鑒了實時動態(tài)(real-time kinematic，RTK)定位思想，在基線較短(通常小于100 km)的情況下，利用碼偽距和載波相位觀測值，用戶站和基準(zhǔn)站之間進行站間單差，得到用戶站本地鐘與基準(zhǔn)時間之間的時間偏差，從而實現(xiàn)定時。實時動態(tài)定時模式有3個顯著優(yōu)勢：① 僅使用廣播星歷，不再依賴實時精密軌道和鐘差產(chǎn)品；② 因為使用了載波相位觀測值，可達到亞納秒的定時精度；③ 該方法所需收斂時間較短，且原理簡單并易于實現(xiàn)。

基準(zhǔn)站接收機和用戶站接收機均實時接收GNSS偽距和相位觀測數(shù)據(jù)，如式(3)和(4)所示。

(3)

(4)

基準(zhǔn)站將接收到的GNSS觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時轉(zhuǎn)發(fā)給用戶端定時模塊。用戶端定時模塊將用戶端觀測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)做站間單差，如式(5)和(6)所示。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，站間單差觀測值中消除了衛(wèi)星端相關(guān)誤差項，例如衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星端硬件延遲等。當(dāng)兩測站間基線較短(例如30 km以內(nèi))，空間相關(guān)性較強的誤差項，例如，電離層延遲、對流層延遲等也可忽略。但是，接收機天線相位中心需要修正。

2 系統(tǒng)設(shè)計

我國國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)中長期穩(wěn)定度為10-15～10-16量級[2]，由國家授時中心負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播。與此同時，國家授時中心還擁有iGMAS跟蹤站之一、 iGMAS分析中心和數(shù)據(jù)中心之一，為基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)的搭建提供了便利條件。

如圖2所示，跟蹤網(wǎng)、分析處理服務(wù)平臺、播發(fā)平臺及用戶平臺共同構(gòu)成了基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)原型系統(tǒng)。其中，分析處理服務(wù)平臺有服務(wù)器及分析處理軟件；播發(fā)平臺包括CASTER、BNC等軟件；用戶平臺包括全球分布的各種類型的接收機；跟蹤網(wǎng)包括IGS/iGMAS跟蹤站，以及外接UTC(NTSC)的基準(zhǔn)站。

圖2 基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)原型系統(tǒng)

外接UTC(NTSC)信號的基準(zhǔn)站設(shè)置于國家授時中心，記為XIA6，并精密測定連接鏈路時延。根據(jù)用戶站與基準(zhǔn)站形成的基線長度不同，設(shè)計PPP和實時動態(tài)兩種定時模式?；鶞?zhǔn)站及用戶站信息如表1所示。

表1 基準(zhǔn)站與用戶站信息表

當(dāng)用戶端采用PPP定時模式時，系統(tǒng)流程為：

① 基準(zhǔn)站接收機接入UTC(NTSC)物理信號，包括1 PPS和10 MHz，需精密測量連接鏈路時延；

② 利用iGMAS/IGS發(fā)布的小時觀測文件，分析處理平臺生成實時軌道及基于UTC(NTSC)的實時星鐘差產(chǎn)品；

③ 播發(fā)平臺歸算實時鐘差和軌道改正數(shù)，并利用CASTER軟件，將其播發(fā)給用戶測試平臺，實時改正數(shù)記為TEST0；

④ 用戶測試平臺一方面接收TEST0改正數(shù)，另一方面獲取實時觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷， 基于PPP模式，計算本地站鐘與UTC(NTSC)的時間偏差。

當(dāng)用戶端采用實時動態(tài)定時模式時，系統(tǒng)流程如下：

① 基準(zhǔn)站接收機接入UTC(NTSC)物理信號，包括1 PPS和10 MHz，需精密測量連接鏈路時延；

② XIA6將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送至各用戶站；

③ 各用戶站利用收到的XIA6觀測數(shù)據(jù)和自身觀測數(shù)據(jù)，做站間差分；

④ 結(jié)合廣播星歷，解算用戶站本地時鐘與基準(zhǔn)站UTC(NTSC)的偏差，完成定時。

3 系統(tǒng)測試

利用iGMAS或IGS發(fā)布的快速鐘差和軌道產(chǎn)品，GPS PPP站間時間比對精度(標(biāo)準(zhǔn)差)可達0.1 ns。因此，可利用其作為“真值”來評估原型系統(tǒng)提供的實時時間服務(wù)精度。本文采用基準(zhǔn)站和各用戶站之間的事后PPP時間傳遞結(jié)果，對原型系統(tǒng)展開評估。評估步驟如下：

① 原型系統(tǒng)利用PPP和實時動態(tài)兩種定時模式，分別提供時間服務(wù)，用戶站歸算本地鐘與UTC(NTSC)的時間偏差；

② 基于iGMAS或IGS發(fā)布的快速鐘差和軌道產(chǎn)品，利用PPP手段，生成用戶站與基準(zhǔn)站之間的鏈路時間比對結(jié)果?；鶞?zhǔn)站外接UTC(NTSC)信號，因此，用戶站與基準(zhǔn)站之間的鏈路結(jié)果即為用戶站與UTC(NTSC)的事后時間比對結(jié)果；

③ 結(jié)果①和結(jié)果②做差，并進行統(tǒng)計，即為原型系統(tǒng)時間服務(wù)精度評估結(jié)果。

通常，授時誤差包含A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度也稱為抖動，常用標(biāo)準(zhǔn)差表示。B類不確定，也稱為偏差，可通過校準(zhǔn)的方式扣除。在本文中，涉及的時間服務(wù)精度均指A類不確定度，采用標(biāo)準(zhǔn)差表示。

3.1 PPP定時模式測試

依據(jù)評估方法，圖 3顯示了用戶測試平臺中3個用戶站CAP1、WTZR和BRUX 年積日(day of year,DOY)2021-48/2021-54共7 d的實時在線評估結(jié)果，其中，BRUX在DOY54由于數(shù)據(jù)中斷，沒有結(jié)果。

圖3 原型系統(tǒng)各用戶站連續(xù)7 d時間服務(wù)精度評估結(jié)果(PPP定時模式)

從圖3可以看出，7 d 連續(xù)的評估結(jié)果顯示，各用戶站的時間服務(wù)評估精度為：CAP1為 0.92 ns，WTZR為0.75 ns，BRUX為0.83 ns，各用戶站起伏范圍在4 ns以內(nèi)。與此同時，WTZR和BRUX所有天和CAP1絕大多數(shù)天的單天時間服務(wù)精度評估結(jié)果均優(yōu)于1 ns。

對圖3中各用戶站時間服務(wù)精度評估結(jié)果進一步分析，包括各用戶站多路徑誤差和各用戶站與基準(zhǔn)站形成的基線長度。如表2所示，各用戶站評估精度與其多路徑誤差強相關(guān)。這是因為，原型系統(tǒng)采用PPP模式進行時間服務(wù)時，觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差會影響PPP解算結(jié)果。而用戶站與基準(zhǔn)站之間形成的基線長度，對PPP模式影響甚微。從上述分析可以看出，原型系統(tǒng)時間服務(wù)精度的主要影響因素為用戶站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。另外，衛(wèi)星鐘差和軌道精度也是影響原型系統(tǒng)時間服務(wù)精度的一個重要因素。

表2 用戶站連續(xù)7 d評估精度、平均多路徑誤差及與基準(zhǔn)站形成的基線長度

3.2 實時動態(tài)定時模式測試

依據(jù)評估方法，圖4顯示了用戶測試平臺中使用實時動態(tài)定時模式的2個用戶站XIA9和CAP1 年積日2021-122/2021-128共7 d的實時在線評估結(jié)果。

圖4 XIA9和CAP1站連續(xù)7 d時間服務(wù)精度評估結(jié)果(實時動態(tài)定時模式)

如圖4所示，利用實時動態(tài)定時模式獲得時間服務(wù)結(jié)果與事后PPP時間傳遞結(jié)果符合較好。XIA9和基準(zhǔn)站XIA6形成超短基線，XIA9-UTC(NTSC)的評估結(jié)果在0.5 ns范圍內(nèi)波動，STD為0.09 ns，平均值為0.098 ns。XIA6和XIA9兩臺接收機天線相位中心修正值之差為0.026 m，接近XIA9-UTC(NTSC)的評估結(jié)果均值。CAP1與XIA6形成短基線，CAP1-UTC(NTSC)時間服務(wù)結(jié)果，同樣在0.5 ns以內(nèi)起伏，STD為0.12 ns。利用實時動態(tài)定時模式完成時間服務(wù)時，評估結(jié)果起伏波動的主要原因可能為接收機天線相位中心修正誤差。

另外，比較圖4和圖3中用戶站CAP1分別利用PPP定時模式和實時動態(tài)定時模式進行時間服務(wù)的評估結(jié)果，CAP1利用實時動態(tài)定時模式獲得的時間服務(wù)精度明顯優(yōu)于利用PPP定時模式。其原因在于，一方面，實時動態(tài)定時模式完全消除了衛(wèi)星鐘差的影響，削弱了軌道誤差的影響；另一方面，兩測站間基線較短，電離層延遲和對流層延遲等誤差項在一定范圍可忽略不計。因此，當(dāng)用戶站與基準(zhǔn)站形成基線較短時，應(yīng)優(yōu)先選擇利用實時動態(tài)定時模式完成時間服務(wù)。

從圖3和圖4可知，用戶端不論采用PPP定時模式，還是實時動態(tài)定時模式，原型系統(tǒng)均可提供亞納秒級精度的實時時間服務(wù)。

4 結(jié)語

信息時代的快速發(fā)展對時間服務(wù)的精度和時效性提出了更高的要求，常規(guī)的幾十納秒到納秒級的時間服務(wù)精度以及事后處理的工作模式已無法滿足需求。針對上述問題，設(shè)計并搭建了基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其系統(tǒng)原理和組成。依據(jù)用戶站和基準(zhǔn)站形成不同長度的基線，在原型系統(tǒng)用戶端部分創(chuàng)新性的集成設(shè)計了兩種不同的定時模式，PPP定時模式和實時動態(tài)定時模式。PPP定時模式適用于大規(guī)模廣域的高精度時間用戶；而實時動態(tài)定時模式則可以滿足分布范圍不大的局域網(wǎng)用戶的時間服務(wù)需求。

基于兩種不同定時模式，對原型系統(tǒng)時間服務(wù)性能開展詳細(xì)測試和分析。結(jié)果顯示，原型系統(tǒng)可基于PPP定時模式或?qū)崟r動態(tài)定時模式提供亞納秒級精度的實時時間服務(wù)。與目前廣泛應(yīng)用的GNSS授時技術(shù)相比，基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務(wù)系統(tǒng)將實時時間服務(wù)精度提高了1～2個量級，可滿足某些特定領(lǐng)域?qū)r間服務(wù)的需求。

另外，本文僅基于GPS對原型系統(tǒng)時間服務(wù)精度進行測試?；贐DS的測試方案和結(jié)果還在進一步完善中。