王善和，華 宇，向 渝，高媛媛，黃長江，趙 弦

(1.中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101048)

0 引言

在當(dāng)今信息化社會，許多行業(yè)均有時間同步需求，如電力、通信、金融等行業(yè)，尤其是飛速發(fā)展的5G通信技術(shù)，對現(xiàn)代授時系統(tǒng)的要求越來越高。在國防領(lǐng)域，不僅需要精確的時間信息，還需要一定精度的定位服務(wù)能力。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (Glo-bal Navigation Satellite System，GNSS)的快速發(fā)展與應(yīng)用為時間頻率和定位導(dǎo)航帶來了革命性的變化，在保障國家與國防安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與提高人民生活質(zhì)量等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

但是GNSS信號易受遮蔽，抗干擾能力不足，難以滿足軍民各類用戶安全、可靠的應(yīng)用需求。美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)于2019年6月6日公布了最新的全源定位與導(dǎo)航(All Source Positioning and Navigation，ASPN)項目概覽，提出了在沒有全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的環(huán)境下達(dá)到與GPS相當(dāng)?shù)亩ㄎ粚?dǎo)航與授時(Positioning, Navigation and Timing，PNT)水平，并且擁有比GPS更好的抗干擾能力[1](Achieve GPS-level PNT without GPS/Outperform GPS for disruptive capabilities)。在2020年2月19日，英國多個部門聯(lián)合發(fā)布了“國家授時中心(National Timing Centre)”建設(shè)計劃，該項目總投入3600萬英鎊，主要目標(biāo)之一是為英國提供彈性的國家時間基礎(chǔ)設(shè)施，規(guī)避過度依賴GNSS帶來的風(fēng)險[2]。

因此，為更好地滿足社會經(jīng)濟(jì)活動和軍事行動對授時服務(wù)及對抗的需求，迫切需要引入新技術(shù)、新系統(tǒng)、新方法，形成更為完善、可靠的國家授時服務(wù)體系[3-4]。

中國科學(xué)院國家授時中心(National Time Ser-vice Center，NTSC)作為我國唯一、專門、全面從事時間頻率基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的科研機(jī)構(gòu)，積極推進(jìn)我國時間頻率體系的建設(shè)，為構(gòu)建立體交叉、多源互補授時體系開展了多種新的授時手段的研究，如基于低壓電力線的授時方法研究[5]、基于有線電話的授時方法研究[6-7]、基于FM調(diào)頻廣播的授時方法研究[8]和基于數(shù)字衛(wèi)星電視的授時方法研究[9-11]。其中，數(shù)字衛(wèi)星電視授時充分利用了現(xiàn)有的廣電基礎(chǔ)設(shè)施和頻率資源，在不影響電視節(jié)目正常播出的前提下，利用衛(wèi)星電視信號實現(xiàn)了高精度的時間傳遞，該授時方法是一種星基授時方法，具有覆蓋范圍廣、授時精度高等優(yōu)點，可作為GNSS的補充或備份系統(tǒng)，以減小過度依賴GNSS帶來的風(fēng)險。

1 數(shù)字衛(wèi)星電視授時理論及方法

我國數(shù)字衛(wèi)星電視采用的是衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)(Digital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S)標(biāo)準(zhǔn)，通過對DVB-S標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字衛(wèi)星電視信道的研究，中國科學(xué)院國家授時中心在2008年提出了基于DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法，并申請了多項發(fā)明專利。這種方法主要是利用電視信號中的節(jié)目時鐘參考(Program Clock Reference，PCR)字段作為時間同步與信號傳播時延測量的參考信號，即在數(shù)字衛(wèi)星電視上行站和接收機(jī)同時記錄電視信號中每個PCR出現(xiàn)的精確時刻，相同PCR對應(yīng)的時刻值之差就是電視信號從上行站到電視衛(wèi)星、再到接收機(jī)的傳播時延。通過對電視信號傳播鏈路時延的高精度測量與計算，對接收機(jī)進(jìn)行實時時延修正，以達(dá)到接收機(jī)與上行站標(biāo)準(zhǔn)時間的高精度同步。

1.1 高精度時間戳技術(shù)

DVB-S信源編碼標(biāo)準(zhǔn)采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)[12]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TS流(Transport Stream)主要應(yīng)用于實時廣播的電視節(jié)目。TS流由TS包(TS Pack-et)組成，如圖1所示，每個TS包由4byte的包頭和184byte的載荷組成。包頭中含有固定值為0X47的8bit同步字節(jié)，另外包頭中的包標(biāo)識符(Packet Identifier，PID)長度為13bit，是用于區(qū)分不同類型TS包(如視頻/音頻)的重要參數(shù)，不同節(jié)目的視音頻TS包用唯一的PID標(biāo)識。

圖1 TS包結(jié)構(gòu)圖Fig.1 TS Packet structure diagram

在TS流中，只有指定的TS包中才有PCR，具體PCR在TS流的哪個包中，是由系統(tǒng)復(fù)用器輸出的PID值決定的。若TS包中存在PCR，則PCR標(biāo)志位為1，否則為0，但2個相鄰的PCR出現(xiàn)間隔不能超過40ms，且PCR在24h內(nèi)不會出現(xiàn)重復(fù)的值。

由于TS包的數(shù)據(jù)實時更新，且數(shù)據(jù)不可預(yù)知，因此選擇利用高精度原子鐘記錄TS包包頭同步字節(jié)0X47最后一位出現(xiàn)的精確時刻作為PCR對應(yīng)的時刻，如圖2所示。

圖2 時間戳生成示意圖Fig.2 Time stamp generation diagram

若當(dāng)前TS包的PID是指定包含PCR數(shù)據(jù)的PID且PCR標(biāo)志位為1，那么將PCR數(shù)據(jù)與測量的時間值合并，生成時間戳。時間戳的關(guān)鍵字是PCR數(shù)據(jù)，對應(yīng)時間為測量的精確時刻值。在電視信號傳輸和解調(diào)過程中，異步串行接口標(biāo)準(zhǔn)[13](Asynchronous Serial Interface, ASI)是一種承載動態(tài)圖像專家組(Moving Picture Experts Group，MPEG)傳輸層TS流的數(shù)據(jù)格式，ASI傳輸碼率為固定的270Mbit/s，因此時間戳分辨率為

其中，f是對原子鐘倍頻或分頻后的頻率，若取f=100MHz，則時間戳的分辨率為10ns。

向渝在其博士論文[10]中通過試驗證明了利用時間戳進(jìn)行鏈路時延測量的可行性和有效性；王善和等[14]通過理論分析給出了利用時間戳測量時延的標(biāo)準(zhǔn)差為4.08ns，并指出隨著測量次數(shù)的增加可以進(jìn)一步降低測量誤差。

1.2 數(shù)字衛(wèi)星電視授時原理

數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)的時間傳遞路徑如圖3所示，上行站將包含基準(zhǔn)時間的時間戳數(shù)據(jù)調(diào)制到電視信號上行載波上，與音視頻信號一同通過天線發(fā)射到衛(wèi)星，用戶接收機(jī)接收經(jīng)電視衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的電視信號。

圖3 數(shù)字衛(wèi)星電視授時時間傳遞路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of the transmission path of digital satellite TV timing

結(jié)合圖3，用戶接收機(jī)接收上行站發(fā)射信號總的傳播時延τ為

(1)

假設(shè)上行站檢測到某一PCR的生成時刻為T0，用戶端接收到該PCR的時刻為Tu，用戶鐘與上行站時間基準(zhǔn)的鐘差為Δtu，其時延測量相位關(guān)系如圖4所示。

圖4 時間測量相位關(guān)系示意圖Fig.4 Time measurement phase relationship diagram

由此可知

Δtu=Tu-(T0+τ)

(2)

將式(1)代入式(2)，得

(3)

將式(3)寫為

(4)

(5)

即

(6)

那么數(shù)字衛(wèi)星電視授時用戶與上行站鐘差公式為

(7)

將式(6)代入式(7)，得

(8)

1.3 數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法

在2015年以前，數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法的原理如式(7)，2015年提出了數(shù)字衛(wèi)星電視差分授時(Digital Satellite TV Differential Timing，DSTVDT)方法，其原理如式(8)。相對于式(7)，該方法減少了上行站對上行之前的信號進(jìn)行PCR時間戳生成的步驟，在計算過程中上行鏈路時延被完全抵消，下行時延可以抵消大部分，授時精度較單向授時有很大提高，并且簡化了授時流程，理論分析結(jié)果表明，該方法的授時精度可優(yōu)于10ns[14-15]。結(jié)合圖5給出了該授時方法的步驟：

1)上行站將本地時間溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)。

2)上行站通過衛(wèi)星天線接收數(shù)字衛(wèi)星電視下行信號，并記錄電視信號中所有PCR的接收時刻，生成高精度時間戳，即圖5中的時間戳s。

3)上行站將時間戳和其他系統(tǒng)提供的衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)編碼為授時電文，通過編碼器的數(shù)據(jù)接口(19.2kbit/s的串口)傳給信源編碼，并指定數(shù)據(jù)編碼器PID，插入電視信號中，隨音頻和視頻節(jié)目上行至電視衛(wèi)星對外廣播，即圖5中的紅色虛線。

5)將多組鐘差數(shù)據(jù)擬合，得到用戶本地鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差多項式，可進(jìn)一步駕馭本地鐘。

圖5 數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of digital satellite TV timing method

在上述步驟3)中將授時電文插入編碼器的數(shù)據(jù)接口，與音頻和視頻數(shù)據(jù)相對獨立，因此不會影響現(xiàn)有節(jié)目的正常播出。2013年，在優(yōu)漫卡通衛(wèi)視頻道也開展了測試，實際測試結(jié)果表明[10,16]：在授時電文插入前后，表征電視信號質(zhì)量的2個參數(shù)——信噪比和誤碼率均沒有明顯的變化，即電文的插入不影響電視節(jié)目的正常播出，并且授時電文能夠正常被解析，這說明電文的插播和解碼功能正常。

2017年11月8日—9日，在中國科學(xué)院國家授時中心(西安)、長春人衛(wèi)站(長春)和云南天文臺(昆明)同時對數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法進(jìn)行了測試。測試過程中，采用衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞[17-19](Two Way Satellite Time Frequency Transfer，TWSTFT)方法測量以上三站與UTC(NTSC)的鐘差，并作為基準(zhǔn)。圖6給出了各站利用數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法測量得到的鐘差與基準(zhǔn)的偏差。

圖6 數(shù)字衛(wèi)星電視授時鐘差測試結(jié)果Fig.6 Test results of clock difference of digital satellite TV timing

多個站的連續(xù)24h測試結(jié)果表明，數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法定時精度優(yōu)于50ns(RMS)。為了提高數(shù)字衛(wèi)星電視的可擴(kuò)展性，在授時電文中插入更多的信息和時間戳，例如多個頻道的時間戳數(shù)據(jù)，此時可通過網(wǎng)絡(luò)將授時電文對外發(fā)布，即省去電文插播的環(huán)節(jié)，這樣可以將上行站變?yōu)榛鶞?zhǔn)站。由于基準(zhǔn)站不再上行電視信號，所以布局較為靈活，只要具有衛(wèi)星接收天線和時間溯源至國家授時中心的地面站，理論上都可以作為基準(zhǔn)站；同時不受某節(jié)目上行站檢修帶來的不便，可持續(xù)發(fā)布電文信號，并且從根本上避免了授時電文的插播對電視節(jié)目安全播出的影響，但缺點是用戶接收機(jī)額外增加了網(wǎng)絡(luò)的需求。

1.4 優(yōu)點與不足

數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法是一種獨立于現(xiàn)有GNSS的高精度授時新方法。該方法充分利用現(xiàn)有廣播電視基礎(chǔ)設(shè)施和無線頻率資源，不用專門發(fā)射衛(wèi)星或轉(zhuǎn)發(fā)特定的信號、不占用珍貴的無線頻譜資源，在不影響現(xiàn)有廣播電視節(jié)目正常播出的前提下實現(xiàn)了高精度授時，具有系統(tǒng)建設(shè)投資少、周期短的優(yōu)點。此外，電視衛(wèi)星資源豐富，電視信號作為民用信號，在一定程度上可以避免GNSS信號所面臨的惡意干擾和攻擊問題，消除了GNSS授時所引起的戰(zhàn)略安全隱患。同時，基于該方法的研究成果將為構(gòu)建一種新的廣覆蓋、高可用性、安全可靠的授時系統(tǒng)提供有力的理論依據(jù)與技術(shù)支持，從而可形成對現(xiàn)有星基授時技術(shù)的補充和備份，對國家PNT體系建設(shè)中的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展具有重要意義。

由于接收數(shù)字衛(wèi)星電視信號需要使用較大口徑的衛(wèi)星天線，在部分場景下可能無法使用該授時方法，因此天線小型化工作是下一步的工作重點。另外，當(dāng)電視衛(wèi)星機(jī)動時，可能在一段時間內(nèi)無法獲取精密星歷，如何保證這段時間內(nèi)的授時精度也是需要解決的問題。

2 應(yīng)用及推廣

2.1 降低星歷誤差影響的方法

理論推導(dǎo)表明[20]，因衛(wèi)星星歷誤差引起的基準(zhǔn)站A、用戶u到衛(wèi)星的距離差的誤差為

(9)

其中，duA是用戶與基準(zhǔn)站之間的距離；dAO是基準(zhǔn)站和電視衛(wèi)星之間的距離；Δr為星歷誤差向量；euA為用戶與基準(zhǔn)站之間的單位向量。

從式(9)可以看出，星歷誤差引入的授時誤差與用戶到基準(zhǔn)站的方向有關(guān)，若用戶到基準(zhǔn)站的方向向量與星歷誤差的方向向量垂直，則星歷誤差對授時精度的影響為零；若用戶到基準(zhǔn)站的方向向量與星歷誤差的方向向量平行，則星歷誤差對授時精度的影響最大，此時，影響系數(shù)是用戶到基準(zhǔn)站間的距離與基準(zhǔn)站到衛(wèi)星間的距離之比，用戶到基準(zhǔn)站距離越近，星歷誤差的影響越小。

式(9)也表明，若兩用戶與基準(zhǔn)站的距離相等，方向相反，則星歷誤差引入的授時誤差是相反數(shù)的關(guān)系。另一方面，將NTSC作為一個基準(zhǔn)站A1，再建立多個相同功能的基準(zhǔn)站A2，…，An，并且各基準(zhǔn)站時間溯源至NTSC。若用戶處于兩基準(zhǔn)站A1和A2中點的位置，則Teph(A1，u)和Teph(A2，u)大小相等，方向相反，通過求2個基準(zhǔn)站與用戶鐘差的平均值，可以消除星歷誤差的影響。因此，如果某一用戶利用多個基準(zhǔn)站的授時數(shù)據(jù)計算鐘差，并將鐘差按照一定的權(quán)重加權(quán)，可以減少甚至消除星歷對授時精度的影響。

假設(shè)用戶u同時接收基準(zhǔn)站A1，A2，…，An(n≥3)的授時數(shù)據(jù)，根據(jù)式(9)，對于Ai(i=1,…,n)基準(zhǔn)站有

(10)

(11)

通過適當(dāng)?shù)慕坪屯茖?dǎo)，求解權(quán)重的問題可以轉(zhuǎn)化為如下優(yōu)化問題

(12)

式中

求解出權(quán)重之后，根據(jù)式(11)即可得到星歷誤差引入的授時誤差，其最大值為

(13)

圖7 6個基準(zhǔn)站和分布圖Fig.7 Map of 6 base stations and

圖8 26個基準(zhǔn)站和分布圖Fig.8 Map of 26 base stations and

數(shù)據(jù)仿真與試驗結(jié)果表明，在衛(wèi)星星歷有10km誤差的情況下，在中國布局6個基準(zhǔn)站，可以顯著降低中國大部分地區(qū)星歷誤差對授時精度的影響。若基準(zhǔn)站之間的距離較短，在幾百千米左右，在基準(zhǔn)站包圍區(qū)域內(nèi)，衛(wèi)星星歷誤差對授時引入的誤差小于10ns，這種方法可以有效提高授時精度，同時也是數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個重要保障。

2.2 電視衛(wèi)星測定軌技術(shù)

為了減少數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)對定軌系統(tǒng)的依賴性，中國科學(xué)院國家授時中心探討了使用時間戳測距方式進(jìn)行衛(wèi)星定軌的可行性。在全國范圍內(nèi)選擇了5個測軌站，分別是西安站、上海站、長春站、昆明站和烏魯木齊站。為精確測量鏈路時延，各測軌站之間采用了衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞方式對時間進(jìn)行精確同步，即式(8)中Δtu為已知量，那么可得測軌站u和測軌站A之間的觀測方程為

(14)

式(14)中左側(cè)含有衛(wèi)星坐標(biāo)的3個未知數(shù)，5個測軌站可得4個觀測方程，因此可以求解出衛(wèi)星的坐標(biāo)。在數(shù)值仿真中，采用了中國科學(xué)院國家授時中心李志剛等提出的衛(wèi)星軌道測定方法——轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測軌定軌方法與技術(shù)[21-22]，對電視衛(wèi)星進(jìn)行定軌，仿真結(jié)果表明,該定軌方案精度優(yōu)于10m[10]。

2.3 基于數(shù)字電視衛(wèi)星的定位技術(shù)

轉(zhuǎn)發(fā)電視信號的衛(wèi)星為地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星，若數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)提供多顆GEO衛(wèi)星的時間戳數(shù)據(jù)，用戶接收機(jī)同時測量自身與基準(zhǔn)站到多顆衛(wèi)星的距離差或偽距差，在用戶高度已知的前提下，可以計算得到用戶的經(jīng)緯度和鐘差數(shù)據(jù)。即式(14)中左側(cè)含有用戶坐標(biāo)的3個未知數(shù)，若存在多個觀測方程，結(jié)合大地橢圓方程即可求解用戶的位置信息。

高媛媛在其博士論文[23]中探討了這種定位方法的可行性和定位精度。在半實物仿真過程中，選擇3顆GEO衛(wèi)星，分別是亞太7號、中星10號和中星12號，以西安站為基準(zhǔn)站，南海某海面作為待定位置，采用基點修正的氣壓測高實行地球橢圓高程約束，其測高精度約為20cm，在時差測量精度15ns的情況下，利用牛頓迭代法和無跡卡爾曼濾波[24-25](Unscented Kalman Filter，UKF)定位算法對待定位置進(jìn)行三維定位解算。其中，牛頓迭代法解算結(jié)果在X、Y、Z軸方向的均方根誤差分別為6.4m、18.4m和55.3m；基于UKF的定位算法在X、Y、Z軸方向的均方根誤差分別為7.3m、11.0m和7.4m。牛頓迭代法的三維定位精度(1σ)為32.1m；UKF算法的三維定位精度(1σ)為11.5m。

盡管定位精度不高，但在GNSS拒止情況下，該方法可發(fā)揮應(yīng)急和備份的作用，尤其是對于大型的海上移動目標(biāo)有較好的應(yīng)用前景。

3 總結(jié)及展望

本文通過回顧數(shù)字衛(wèi)星電視授時的發(fā)展過程，總結(jié)了數(shù)字衛(wèi)星電視授時原理和方法，闡述了其中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并指出了部分發(fā)展方向及應(yīng)用場景。基于現(xiàn)有基礎(chǔ)，數(shù)字衛(wèi)星電視授時下一步的工作大概有以下幾點：

1)天線小型化工作。目前數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)采用的信號為C波段電視信號，天線口徑大，在許多場景下使用不便。因此，為推廣數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)解決天線小型化問題，這也是作者所在團(tuán)隊的目標(biāo)之一。

2)基于Ku波段的授時方法研究。Ku波段電視信號具有更豐富的節(jié)目和頻率資源，同時也有利于接收天線的小型化。

3)基于新編碼體制下的授時方法研究。除了MPEG-2編碼，部分節(jié)目采用了MPEG-4編碼，但由于MPEG-2和MPEG-4的知識產(chǎn)權(quán)及專利費用問題，越來越多的節(jié)目采用了我國牽頭制定的AVS/AVS+編碼標(biāo)準(zhǔn)[26-27]，因此需要探索在不同編碼體制下的數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法。

4)豐富和完善授時系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用。豐富和完善數(shù)字衛(wèi)星電視授時系統(tǒng)的建設(shè)工作，推廣數(shù)字衛(wèi)星電視授時方法在測定軌和定位方面的應(yīng)用，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用場景。