劉婭,陳瑞瓊,趙志雄,樊多盛,李孝輝

(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),北京 100049)

0 引言

中國科學(xué)院國家授時中心的守時實驗室維持著我國的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC),通過衛(wèi)星雙向時頻傳遞、GNSS精密單點定位、GNSS衛(wèi)星共視等手段與國際上其他守時實驗室保持比對,近幾年保持的時間與UTC偏差小于10 ns,其中大部分時間小于5 ns。

為將國家標(biāo)準(zhǔn)時間傳遞到各行業(yè)用戶,國家授時中心建立了長波、短波、低頻時碼等時間無線廣播系統(tǒng),維護(hù)了網(wǎng)絡(luò)、電話、電視等有線授時系統(tǒng),結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時,現(xiàn)有廣播授時手段能覆蓋從秒到10 ns的時間同步需求[1]。對于10 ns以及更高精度的時間同步,有衛(wèi)星共視、衛(wèi)星雙向、衛(wèi)星全視、精密單點定位、光纖時間傳遞等技術(shù)可選[2-6],通過建立點對點比對鏈路提供給用戶。由于點對點建鏈的成本以及維護(hù)難度等問題,僅能支持少量用戶,不適用于批量用戶的需求,因此若有大量納秒級同步的用戶需求,目前尚沒有合適的解決方案。

本文基于衛(wèi)星共視比對原理,提出了一種能異地復(fù)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時間同步偏差在10 ns以內(nèi)的方法,支持多地用戶同時獲得與標(biāo)準(zhǔn)時間同步的信號。另外,針對不同用戶對時間同步性能、頻率穩(wěn)定度性能的差異化需求,設(shè)備終端采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可根據(jù)用戶需求靈活配置。

1 標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程比對工作原理

衛(wèi)星共視技術(shù)利用導(dǎo)航衛(wèi)星覆蓋范圍廣,有星載時鐘源,可以測量信號自衛(wèi)星到接收設(shè)備的傳播距離等優(yōu)勢,將其作為比對中間源,在需要時間比對的兩地分別安裝接收設(shè)備,使其執(zhí)行相同的共視時刻表觀測衛(wèi)星,各自獲得觀測數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)絡(luò)交換,通過數(shù)據(jù)處理抵消衛(wèi)星相關(guān)以及共有傳播路徑誤差的影響,實現(xiàn)高精度的比對。其基本工作原理如下所述[7]。

假設(shè)有A,B兩地需要利用衛(wèi)星共視計算時差,首先兩站同時觀測衛(wèi)星S,假設(shè)A站時鐘為TA,B站時鐘為TB,衛(wèi)星鐘為TS,dA為A站到衛(wèi)星S的路徑延遲,dB為B站到衛(wèi)星S的路徑延遲,則測得A,B兩站與衛(wèi)星S的時差分別為：

ΔTAS=TA-TS-dA,

(1)

ΔTBS=TB-TS-dB。

(2)

然后將式(1)和(2)進(jìn)行共視做差,則A站與B站的時差用式(3)表示：

ΔTAB=ΔTAS-ΔTBS=(TA-TB)-(dA-dB)。

(3)

從式(3)可以看出,衛(wèi)星共視通過交換相同時段內(nèi)兩地測得的星地鐘差,并做互差處理,從而抵消其中影響星地鐘差測量結(jié)果的衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘以及傳播路徑中共同誤差分量,最終獲得兩地時間的比對結(jié)果。共視比對誤差與星地間信號傳播時延的計算精度有關(guān),目前基于碼測量的GPS衛(wèi)星共視,零基線RMS最高能達(dá)到0.3 ns[8],1 000 km以上約在2～5 ns水平。為降低比對誤差,需要使用模型修正、雙頻電離層改正、載波相位平滑等技術(shù)手段,另外影響共視比對精度的因素還包括多路徑效應(yīng)、接收機(jī)延遲等,需要采取技術(shù)手段進(jìn)行抑制和修正,減少誤差的影響。

GPS衛(wèi)星共視作為國際間比對的手段之一,有標(biāo)準(zhǔn)的觀測流程和數(shù)據(jù)存儲格式規(guī)范。要求A站和B站的接收機(jī)按照16 min一個周期的約定共視時刻表觀測,以CGGTTS格式保存數(shù)據(jù)文件,事后交換數(shù)據(jù)文件,計算A,B兩地鐘差[9]。適用于原子鐘等穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度較高的鐘源比對,對數(shù)據(jù)的實時要求較低。如果將共視應(yīng)用于晶振等守時性能較差的時鐘源,即使比對數(shù)據(jù)滯后1 h,也可能導(dǎo)致數(shù)十納秒的時間漂移,且變化方向未知,難以保證時鐘源輸出信號的納秒級時間同步；而對于要求同步精度在幾個納秒的需求,即使是銫原子鐘,數(shù)據(jù)滯后幾個小時也可能難以滿足要求；另外要獲取可信任的共視比對參考數(shù)據(jù),還需要外部資源的支持,但相比獨立維持一對點對點的比對,設(shè)備成本相對較低。綜上所述,傳統(tǒng)的共視比對規(guī)范,難以滿足大量用戶同時進(jìn)行時間比對、低成本時鐘源比對的需求。

本文提出了一種共享共視數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)觀測與數(shù)據(jù)處理并行的新方法,其基本工作原理與衛(wèi)星共視相似,是基于數(shù)據(jù)互差抵消共有誤差,系統(tǒng)組成如圖1所示,由基準(zhǔn)時鐘源、遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)終端、遠(yuǎn)程時間復(fù)現(xiàn)終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控中心5部分組成。

遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)終端與UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端同時觀測所在地可視的GNSS衛(wèi)星,以約定的觀測周期處理測量數(shù)據(jù),生成本地(參考)時間與各衛(wèi)星鐘時間的偏差,通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)交換偏差數(shù)據(jù),系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控中心收集各地比對數(shù)據(jù),以遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)終端的數(shù)據(jù)為參考,計算出各復(fù)現(xiàn)終端時間與參考時間的偏差,再通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)反饋到各復(fù)現(xiàn)終端,完成一個共視處理流程,其中數(shù)據(jù)觀測與數(shù)據(jù)交換并行處理保障測量無間隙。

遠(yuǎn)程時間復(fù)現(xiàn)終端獲得本終端時間與系統(tǒng)參考時間的共視比對結(jié)果后,結(jié)合歷史測量數(shù)據(jù)生成對復(fù)現(xiàn)終端時間的調(diào)整量,進(jìn)一步根據(jù)鐘駕馭策略,調(diào)整信號的頻率或相位,經(jīng)反復(fù)迭代,最終使復(fù)現(xiàn)終端輸出時間、頻率信號與參考接近一致,實現(xiàn)參考(標(biāo)準(zhǔn))時間的異地復(fù)現(xiàn),若以UTC(NTSC)為標(biāo)準(zhǔn)時間,則復(fù)現(xiàn)的時間可經(jīng)由UTC(NTSC)的溯源鏈路溯源至UTC。

本文提出的方案能將晶振等穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度難以進(jìn)行時間保持的信號源,結(jié)合衛(wèi)星共視和實時獲取比對結(jié)果,實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時間異地納秒級的同步,而對于銣原子或銫原子鐘等頻率準(zhǔn)確度能達(dá)到10-11量級甚至更高的原子鐘而言,及時的獲得比對結(jié)果,也有利于實現(xiàn)更小偏差的時間同步,比如銫鐘可能實現(xiàn)5 ns以內(nèi)的時間偏差；另外,建立的共視數(shù)據(jù)共享平臺,可以支持多地、多用戶與同一參考時間比對、同步,進(jìn)而保證各用戶之間的時間同步性,形成時間同步網(wǎng)絡(luò)。

2 基于遠(yuǎn)程時間比對結(jié)果駕馭時鐘源原理

遠(yuǎn)程時間復(fù)現(xiàn)終端采用模塊化結(jié)構(gòu),內(nèi)部組成包括共視比對所需的時間間隔測量、衛(wèi)星接收,以及產(chǎn)生信號的信號源和配套的鐘駕馭軟件。鐘駕馭軟件的主要功能是根據(jù)共視比對結(jié)果,對信號源輸出信號變化規(guī)律建模,根據(jù)預(yù)測量修正信號源的輸出,使其輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)時間偏差保持在某個區(qū)間內(nèi)。

信號源輸出信號的相位與時間關(guān)系一般模型可以表示為

(4)

式(4)中,a表示與參考信號的偏差,b表示與參考信號的頻率差,c表示信號源的頻率漂移率,ε表示瞬時隨機(jī)相位變化量。需要注意的是由于頻率漂移率的存在,實際應(yīng)用中頻差b并非是常數(shù),而是呈動態(tài)變化特性,因此需要根據(jù)實時共視比對結(jié)果,采用多項式擬合更新。并將計算結(jié)果通過頻率調(diào)整量和相位調(diào)整量植入信號源。

復(fù)現(xiàn)終端的時鐘源可根據(jù)不同用戶對復(fù)現(xiàn)信號的性能需求配置,目前兼容高穩(wěn)晶振、銣原子鐘模塊、銫原子鐘、氫原子鐘等多種類型,不同時鐘源主要決定復(fù)現(xiàn)終端輸出信號的頻率短期穩(wěn)定度特性。

3 UTC(NTSC)遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)性能測試

為評估標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程高精度復(fù)現(xiàn)方法的性能,基于國家授時中心已經(jīng)建成的高精度時間復(fù)現(xiàn)系統(tǒng),將一套UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端安裝到距國家授時中心約70 km的洛南試驗場進(jìn)行測試。共設(shè)計了針對設(shè)備的共視比對誤差測試和復(fù)現(xiàn)信號性能測試兩項試驗。下面分別介紹測試情況。

3.1 共視比對誤差測試

零基線共鐘比對是評估衛(wèi)星共視比對設(shè)備測量誤差的常用方法,測量原理如圖2所示,圖中所示的流動校準(zhǔn)終端是用于標(biāo)校UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端的設(shè)備時延,具有和UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端完全相同的測量結(jié)構(gòu),主要區(qū)別是內(nèi)部是否有時鐘源,因此流動校準(zhǔn)終端可以反映復(fù)現(xiàn)終端的測量性能,可用于評估UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端的測量誤差。

圖2 零基線共鐘測試共視比對測試原理圖

將流動校準(zhǔn)終端與遠(yuǎn)程時間比對基準(zhǔn)終端鄰近(室外天線間直線距離約5 m)安裝,使用國家授時中心的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)作為兩個終端的共同參考時鐘進(jìn)行零基線測試,因測試對象相同,共視測量結(jié)果中不含參考信號的影響,以10 min為觀測周期,持續(xù)測試10 d,測試結(jié)果反映兩終端的相對時延偏差和隨機(jī)誤差。

測試時間：20160418T07:30:00/20160427T01:50:00,測試結(jié)果如圖3所示。統(tǒng)計測試期間所有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,為0.72 ns,即本系統(tǒng)在零基線測試條件下,采用不確定度A類評定[10]獲得的測量誤差能小于1 ns。

圖3 零基線共鐘無間斷共視比對測試結(jié)果

3.2 UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端性能測試

將UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端安裝到洛南,以銫原子鐘作為時鐘源,使用測量精度高于衛(wèi)星共視的衛(wèi)星雙向比對設(shè)備作為性能評估設(shè)備。將衛(wèi)星雙向比對設(shè)備分別與復(fù)現(xiàn)終端和基準(zhǔn)終端并址安裝,分別接入洛南復(fù)現(xiàn)終端輸出的時鐘信號和西安輸入基準(zhǔn)終端的參考信號UTC(NTSC),測試原理如圖4所示。

衛(wèi)星雙向比對設(shè)備與UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端同時測試,測試兩地信號的實際偏差,衛(wèi)星雙向能實現(xiàn)優(yōu)于1 ns的比對精度,優(yōu)于被測設(shè)備的比對精度,因此可用于評估基于衛(wèi)星共視的復(fù)現(xiàn)終端性能。

洛南與西安的基線長度約為70 km,測試時間：20170816T07:47:00/20170827T09:53:10。衛(wèi)星雙向設(shè)備測得的UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端輸出時間與UTC(NTSC)主鐘之差如圖5所示。

測試期間所有偏差結(jié)果的均方根為1.24 ns,最大偏差為3.54 ns,標(biāo)準(zhǔn)差為1.24 ns,取樣間隔1 ks和10 ks的ADEV分別為3.19×10-13和1.12×10-13,100 ks的頻率穩(wěn)定度1.75×10-14,取樣時間100 s以下的MTIE為2.22 ns,1 ks的MTIE為2.48 ns,10 ks為5.34 ns,100 ks為6.01 ns。高性能銫原子鐘的頻率準(zhǔn)確度為5.0×10-13,即每天可能導(dǎo)致的時間偏差數(shù)十納秒,經(jīng)本文復(fù)現(xiàn)終端駕馭后,輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)時間偏差在4 ns以內(nèi),取樣10 ks的最大時間間隔誤差為6.01 ns,遠(yuǎn)優(yōu)于銫鐘自身的準(zhǔn)確度。

圖4 衛(wèi)星雙向測試復(fù)現(xiàn)終端性能原理框圖

圖5 UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)測試結(jié)果(測量間隔為10 s)

4 結(jié)語

本文研究了基于衛(wèi)星共視原理的標(biāo)準(zhǔn)時間遠(yuǎn)程高精度復(fù)現(xiàn)方法,設(shè)計并實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)時間高精度復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端,在西安—洛南兩地,實地測試了用銫原子鐘作為UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端內(nèi)部信號源所復(fù)現(xiàn)信號的性能,持續(xù)10 d的測試結(jié)果顯示,復(fù)現(xiàn)信號的天頻率穩(wěn)定度為1.75×10-14,保持與標(biāo)準(zhǔn)時間偏差小于4 ns,較銫原子鐘自身的頻率準(zhǔn)確度性能有顯著提高。

UTC(NTSC)復(fù)現(xiàn)終端采用模塊化組成結(jié)構(gòu),內(nèi)部時鐘源模塊可以根據(jù)需求搭配,目前的設(shè)計兼容晶振、銣原子模塊、銫鐘、被動型氫鐘等,可根據(jù)用戶對復(fù)現(xiàn)信號的ADEV、MTIE、TDEV等指標(biāo)需求不同配置,滿足各類用戶需求。