武文俊,廣偉,張繼海,高喆,董紹武,張首剛

(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) 天文與空間科學(xué)學(xué)院,北京 101048)

0 引言

時間比對是協(xié)調(diào)世界時(UTC)和國際原子時(TAI)實現(xiàn)過程中的必要環(huán)節(jié)[1]。衛(wèi)星雙向時間頻率比對(TWSTFT),GPS和GLONASS時間比對是現(xiàn)國際權(quán)度局(BIPM)用于計算UTC/TAI的基本時間比對手段[2]。20世紀(jì)80年代初,GPS共視法(CV)剛被D.Allan提出便很快被BIPM所采用[3]。1999年,德國物理技術(shù)研究院(PTB)和奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)(TUG)的TWSTFT首次出現(xiàn)在BIPM出版的Cirt-T時間公報中[4]。為提高國際標(biāo)準(zhǔn)時間計算的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度和可靠性,國際時間頻率咨詢委員會(CCTF)從2009年開始鼓勵使用多類時間比對技術(shù)共同計算UTC/TAI。經(jīng)過多次計算驗證,同年11月,俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)開始首次被用于UTC/TAI的歸算[5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),經(jīng)過不斷發(fā)展,現(xiàn)正處于全球組網(wǎng)階段。目前北斗已經(jīng)能夠為亞太地區(qū)提供精確的定位、測速和授時服務(wù)[6]。同時,歐洲的許多守時實驗室現(xiàn)也已經(jīng)可以有效地觀測到少數(shù)北斗中軌道衛(wèi)星。在這種情況下,BIPM和亞歐的一些時間實驗室開始提議加快北斗時間比對的研究,建議盡快將北斗國際時間比對應(yīng)用于UTC/TAI的歸算。中國科學(xué)院國家授時中心負責(zé)我國標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生和發(fā)播,北斗時通過UTC(NTSC)與世界UTC取得聯(lián)系,其中北斗時與UTC的差小于50 ns。基于我國時間基準(zhǔn)系統(tǒng),中國科學(xué)院國家授時中心(NTSC)與德國PTB、瑞典技術(shù)研究中心(RI.SE或SP)、西班牙海軍天文臺(ROA)和比利時皇家天文臺(ORB)等歐洲主要守時實驗室分別建立了基于北斗的亞歐間國際共視時間比對鏈路并取得了良好的結(jié)果。

1 北斗共視原理

北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過原子鐘及其時間尺度算法建立有自己獨立的北斗系統(tǒng)時間(簡稱BDT)。每顆北斗衛(wèi)星的時間與BDT的差都會在導(dǎo)航電文中進行廣播。地面北斗接收機與本地實驗室的時頻參考信號UTC(k)(UTC在各實驗室的物理實現(xiàn),k代表實驗室)相連接后,接收機通過觀測來自衛(wèi)星的信號,可以得到本地實驗室時間尺度與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)時間的差,如圖1所示。

圖1 北斗共視原理圖

兩實驗室交換測量數(shù)據(jù)后,將所得結(jié)果中的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)時抵消,便可獲得高精度的兩個異地站之間的鐘差,具體如式(1)～(3)所示：

T1=UTC(k1)-BDT,

(1)

T2=UTC(k2)-BDT,

(2)

T1-T2= UTC(k1)-UTC(k2),

(3)

式(1)～(3)中：Ti為地面時與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時的差,UTC(kj)為待比對時間實驗室的參考時間。

2 觀測誤差及其修正方法

在北斗信號的測量過程中,信號從衛(wèi)星到地面接收機會受到多個環(huán)節(jié)的影響,其主要包含衛(wèi)星硬件時延,大氣折射時延以及地面站接收機時延這3個部分的誤差影響[7-8]。為簡化并統(tǒng)一全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間比對,國際時間頻率咨詢委員會在1993年針對GPS推出了其時間比對的格式標(biāo)準(zhǔn)(the group on GPS time transfer standard,GGTTS-V1.0)。1998年,GGTTS升級為包含GPS和GLONASS兩大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間比對標(biāo)準(zhǔn),并且更名為Common GPS GLONASS Time Transfer Standards(CGGTTS-V2.0)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展,2015年CGGTTS再次擴展更名為Common GNSS Generic Time Transfer Standard(CGGTTS-V2.0E)。CGGTTS-V2.0E除了GPS和GLONASS外,還包括了北斗、Galileo和日本準(zhǔn)天頂星系統(tǒng)。在CGGTTS-V2.0E的GNSS時間比對數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)框架下,本文將大氣對流層,地球自轉(zhuǎn)影響進行了模型修正,對電離層采用了北斗雙頻無電離層組合方法來降低其影響,利用北斗接口文件中的參數(shù)消除了北斗衛(wèi)星星上的設(shè)備時延。

對流層在電磁頻率15 GHz以下可以認為是非色散介質(zhì)來處理,使用CGGTTS-2.0E推薦的NATO模型來求解對流層路徑時延Ttro：

Ttro=f(e)×ΔR(h),

(4)

式(4)中：f(e)是與衛(wèi)星高度角e相關(guān)的函數(shù)：

(5)

ΔR(h)是觀測點天頂方向的對流層總時延,h為接收機天線的海拔高度。ΔR(h)可以表達為：

(6)

式(6)中：Ns=324.8,ΔN=-7.32e0.005 577Ns,Nslog=ln((Ns+ΔN)/105)。

為消除或減少電離層在衛(wèi)星信號傳播過程中的影響,利用北斗B1和B2頻點的觀測值ρ1和ρ2共同構(gòu)建了無電離層組合的L3B共視觀測量ρL3B,如式(7)所示,該方法能夠消除絕大部分電離層影響:

(7)

式(7)中：fB1,fB2分別是B1和B2的頻率1 561.098 MHz和1 207.140 MHz。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號從高空傳播到接收機的過程中,由于地球自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星運動,信號會受到Sagnac效應(yīng)的影響。通過衛(wèi)星坐標(biāo)改正公式(8)可以修正該項誤差：

(8)

式(8)中：(xs,ys,zs)為改正前衛(wèi)星坐標(biāo),(x′,y′,z′)為改正后的衛(wèi)星坐標(biāo),α=ωτ為信號傳播時地球轉(zhuǎn)過的角度,ω為地球自轉(zhuǎn)速度,τ為信號在空間中傳播的時間。

對于L3B的無電離層組合,北斗共視時間比對時還需要依據(jù)北斗接口文件中的參數(shù)來扣除星上的設(shè)備時延TGDLB3：

(9)

式(9)中：TGD1,TGD2分別為B1和B2頻點與LB3之間的星上設(shè)備時延差。

地面接收機硬件時延是衛(wèi)星共視時間傳遞中的重要影響因素,該項一般由移動接收機閉環(huán)校準(zhǔn)確定。

3 實驗結(jié)果及分析

為支持北斗國際時間比對加入UTC/TAI的計算,中國科學(xué)院國家授時中心和德國物理技術(shù)研究院、比利時皇家天文臺、瑞典技術(shù)研究中心和西班牙海軍天文臺共同開展了首次亞歐間北斗國際時間比對試驗,比對鏈路如圖2所示。

圖2 現(xiàn)已建成的北斗亞歐國際共視時間比對鏈路

NTSC,ORB,SP和ROA這4家實驗室一直都配備有北斗接收功能的接收機,德國PTB于2017年8月完成了北斗接收模塊的升級。本文利用北斗共視原理,依據(jù)CGGTTS-2E的GNSS數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn),對NTSC-PTB,NTSC-ORB,NTSC-ROA以及NTSC-SP這4條亞歐共視鏈路的數(shù)據(jù)進行了誤差項處理,從而獲得了4條鏈路的北斗國際標(biāo)準(zhǔn)共視時間比對結(jié)果。圖3至圖6分別給出了上述4條北斗亞歐國際時間比對鏈路的共視時間比對結(jié)果以及目前各條鏈路可用于北斗共視時間比對的衛(wèi)星數(shù)目。圖3是PTB-NTSC鏈路從約化儒略日MJD 57 969至MJD 57 978之間10 d的比對結(jié)果,圖4至圖6分別為ORB-NTSC,SP-NTSC以及ROA-NTSC鏈路從MJD 57 870至MJD 57 968之間98 d的比對結(jié)果,表1給出了以GPS精密單點定位時間比對為參考的北斗亞歐共視鏈路的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖3至圖6以及表1可知,在共視衛(wèi)星大部分時間為3～4顆的情況下,北斗亞歐國際共視時間比對結(jié)果現(xiàn)可以達到2～4 ns的精度,數(shù)據(jù)連續(xù),可靠并且光滑,這已經(jīng)證明目前北斗已經(jīng)初步可以滿足UTC/TAI計算的要求。

圖3 德國PTB-中國NTSC北斗共視時間比對結(jié)果及其可共視衛(wèi)星數(shù)

圖4 比利時ORB-中國NTSC北斗共視時間比對結(jié)果及其可共視衛(wèi)星數(shù)

圖5 瑞典SP-中國NTSC北斗共視時間比對結(jié)果及其可共視衛(wèi)星數(shù)

圖6 西班牙ROA-中國NTSC北斗共視時間比對結(jié)果及其可共視衛(wèi)星數(shù)

表1 北斗亞歐國際共視時間比對精度 ns

4 結(jié)語

為促進北斗在UTC/TAI產(chǎn)生中應(yīng)用,中國科學(xué)院國家授時中心與德國物理技術(shù)研究院和比利時皇家天文臺等歐洲主要守時實驗室開展了基于北斗的亞歐國際共視時間比對試驗。在國際時間頻率咨詢委員會最新推出的CGGTTS-2.0E全球衛(wèi)星導(dǎo)航時間比對標(biāo)準(zhǔn)框架下,將北斗原始觀測數(shù)據(jù)采用NATO對流層模型、地球自轉(zhuǎn)Sagnac效應(yīng)算法、雙頻無電離層組合和衛(wèi)星星上設(shè)備時延修正后,獲得了北斗共視時間比對結(jié)果,其精度可以達到2～4 ns,這已經(jīng)能夠初步滿足當(dāng)前UTC/TAI的計算。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,我們將后續(xù)開展北斗全視和精密單點定位時間比對方法的研究,爭取推動北斗早日正式納入UTC/TAI的歸算。