武美芳，孫保琪,2，楊旭海,2，王 格,2，王源昕,2

(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)，北京 100049)

0 引言

時間作為自然界中最基礎(chǔ)的物理量之一，在科學(xué)研究和經(jīng)濟運行等領(lǐng)域都起著十分重要的作用。1972年1月，協(xié)調(diào)世界時(Coordinated Universal Time，UTC)開始正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)時間，是世界各國時間服務(wù)的基礎(chǔ)[1]。UTC是由國際計量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)和國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(International Earth Rotation and Reference Frames Service，IERS)保持的時間尺度，是國際原子時(International Atomic Time，TAI)和世界時(Universal Time，UT1)的結(jié)合。UTC是滯后的紙面時間，其在各國時間實驗室中的物理實現(xiàn)記為UTC(k)，大多數(shù)UTC(k)是各國的標(biāo)準(zhǔn)時間[1]。與以GPS時(GPS Time，GPST)為代表的GNSS系統(tǒng)時間相比，UTC(k)具有更好的穩(wěn)定性和可用性[2]。UTC(NTSC)是UTC在我國的物理實現(xiàn)之一，是我國的國家標(biāo)準(zhǔn)時間，由國家授時中心(National Time Service Center，NTSC)負責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播[2]。

授時，也稱為時間服務(wù)，是指確定、保持某種時間尺度，并通過一定方式將代表這種尺度的時間信息傳遞給使用者的一系列工作[1]。目前，常用的授時手段主要包括：網(wǎng)絡(luò)授時、電話授時、低頻時碼授時、短波授時、長波授時、GNSS授時及光纖授時等。GNSS授時精度可達10～50ns，是目前精度最高且應(yīng)用最廣泛的授時技術(shù)之一。然而，GNSS授時依賴于GNSS高精度的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，用戶通過解算用戶鐘與GNSS系統(tǒng)時之間的偏差完成授時。利用雙向、共視、全視、精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)和光纖等技術(shù)，可得到測站間的時間偏差，因此，稱為時間傳遞技術(shù)，而非授時技術(shù)[3]。

近年來，隨著現(xiàn)代信息社會的快速發(fā)展，新一代移動通信、深空探測等諸多領(lǐng)域?qū)覙?biāo)準(zhǔn)時間授時的精度和時效性提出了更高的要求，從秒級需求逐漸發(fā)展到納秒級、亞納秒級甚至皮秒級，從事后到實時。常規(guī)的幾十納秒到納秒級的授時精度以及事后處理的工作模式已無法滿足需求。因此，高精度的、實時的、基于國家標(biāo)準(zhǔn)時間的授時系統(tǒng)成為近年來的研究熱點。

2015年，歐盟發(fā)起了“Horizon 2020”研究計劃，旨在為用戶提供改進的時間服務(wù)[4-5]。該計劃設(shè)計了九種不同的服務(wù)模式，時間監(jiān)測與控制為其中之一。該模式下，服務(wù)端基于事后PPP方法，每小時向用戶廣播用戶鐘和UTC(k)之間的偏差。由于使用了事后PPP方法，用戶通過該模式獲得時間服務(wù)的時延至少為1h。2019年，W.Guo等建立了高精度實時GNSS單向授時系統(tǒng)，并對其進行了測試[6]，測試結(jié)果顯示，輸出的1PPS的天穩(wěn)優(yōu)于1ns。該系統(tǒng)建立并使用了一個新的時間參考，而不是UTC(k)。因此，用戶基于該系統(tǒng)可獲得亞納秒的授時精度,但該系統(tǒng)不可以直接應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)時間授時。

國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)(international GNSS Monitoring and Assessment Service，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)，并生成高精度精密星歷、衛(wèi)星鐘差等各類產(chǎn)品，服務(wù)于科學(xué)研究和各類應(yīng)用。

UTC(NTSC)作為我國國家標(biāo)準(zhǔn)時間，是一切時間服務(wù)的基礎(chǔ)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于iGMAS的國家標(biāo)準(zhǔn)時間精密授時系統(tǒng)(Precise Time Service System，PTS)?；赑TS，可獲得實時的、亞納秒級別的國家標(biāo)準(zhǔn)時間服務(wù)，且該系統(tǒng)成本低廉、易于實現(xiàn)，具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，PTS由服務(wù)端、用戶端和通信網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。服務(wù)端包括基準(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，其中基準(zhǔn)站外接UTC(NTSC)。用戶端包括GNSS接收機和授時解算模塊，其基本原理為：服務(wù)端收集基準(zhǔn)站以及iGMAS/IGS跟蹤網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，分析處理得到以UTC(NTSC)為參考的實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品和實時軌道產(chǎn)品。用戶端采集實時的偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合服務(wù)端經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)播發(fā)的實時軌道和以UTC(NTSC)為參考的實時鐘差產(chǎn)品，實時精確解算本地鐘與UTC(NTSC)偏差，即可完成授時。PTS用戶端可采用多種解算方法完成授時，本文采用PPP技術(shù)。

圖1 PTS工作原理

1.1 服務(wù)端—基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法

從圖1可知，以UTC(NTSC)為參考的、高精度的實時衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品是PTS實現(xiàn)的基礎(chǔ)。對于GPS和GLONASS來說，目前常用的實時產(chǎn)品包括廣播星歷中的鐘差參數(shù)、超快產(chǎn)品的預(yù)報部分(IGU-P)和IGS 實時服務(wù)(IGS RTS)提供的實時鐘差改正數(shù)等。GPS和GLONASS的廣播星歷鐘差精度(STD)分別為2.5ns和7ns，IGU-P提供的GPS預(yù)報鐘差精度為1.5ns，均不可用于亞納秒級的授時系統(tǒng)。IGS RTS產(chǎn)品從2013年4月1日開始正式發(fā)布，旨在提供廣播星歷的實時改正數(shù)，但IGS不保證IGS RTS產(chǎn)品的可用性和精度等。T.Hadas等指出，IGS RTS產(chǎn)品中GPS和GLONASS改正數(shù)的精度分別為0.28ns和0.8ns，當(dāng)衛(wèi)星在地影期間，產(chǎn)品精度會有所下降，且在極端情況下，數(shù)據(jù)中斷可能達8h[8]。Y.Lv等指出，IGS RTS提供的實時鐘差參數(shù)，在理想狀態(tài)下依然有約10%的歷元丟失[9]。以上問題均為基于IGS RTS產(chǎn)品開展實時授時面臨的困難。而對于BDS和Galileo，目前鮮有機構(gòu)提供可靠的實時鐘差產(chǎn)品。BDS和Galileo的廣播星歷精度也均大于1ns。因此，如何生成高精度、高可靠性、以UTC(NTSC)為參考時間的實時鐘差是PTS的關(guān)鍵技術(shù)之一。

PTS采用了基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法，生成以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)的高精度實時鐘差。一方面，將實時鐘差產(chǎn)品參考鐘設(shè)置為UTC(NTSC)，滿足了UTC實時精密授時的需求，克服了由于鐘差產(chǎn)品參考時間不連續(xù)而引起的授時結(jié)果跳變的問題；另一方面采用高頻觀測文件代替實時觀測數(shù)據(jù)流，在保證實時星鐘差產(chǎn)品精度的同時，提高了產(chǎn)品的可靠性和可用性?；诟哳l觀測文件拼接的實時鐘差確定算法，將鐘差估計和鐘差超短期預(yù)報相結(jié)合以確定實時衛(wèi)星鐘差。本文采用的高頻觀測文件為iGMAS和IGS提供的小時觀測文件，以削弱對網(wǎng)絡(luò)的依賴。

如圖2所示，基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法流程可以分為鐘差估計、鐘差預(yù)報及產(chǎn)品播發(fā)三部分。

圖2 基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法流程

鐘差估計部分采用最小二乘法，基于非差消電離層組合觀測值實現(xiàn)[10-12]。鐘差估計時，輸入高頻觀測文件、站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)及軌道，輸出與接收機無關(guān)的交換格式(Receiver Independent Exchange，RINEX)的鐘差文件。鐘差估計策略如表1所示。

表1 鐘差估計策略表

在鐘差估計時，首先要提供一個鐘差基準(zhǔn)，可選擇一個衛(wèi)星或接收機的鐘差或其組合，基于該基準(zhǔn)，估計其他衛(wèi)星相對于該基準(zhǔn)的鐘差。PTS中，為了實現(xiàn)UTC(NTSC)授時，將星鐘差的基準(zhǔn)固定為UTC(NTSC)，稱之為歸一化處理。歸一化處理是實現(xiàn)以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)的高精度實時衛(wèi)星鐘差的關(guān)鍵步驟。

將星鐘差產(chǎn)品的基準(zhǔn)固定為UTC(NTSC)，有兩種方法。方法1為：在星鐘差解算的過程中，將其基準(zhǔn)設(shè)置為某接收機鐘，并將該接收機外接UTC(NTSC)信號，此時獲得的星鐘差即為以UTC(NTSC)為基準(zhǔn)的實時星鐘差產(chǎn)品；方法2為：在星鐘差計算完成后，利用實時PPP技術(shù)，通過解算星鐘與UTC(NTSC)之間的偏差，將星鐘差參考時間歸算至UTC(NTSC)。方法2中，由于利用PPP計算需要耗費時間，歸算參考時間時需要一定的時間，因此，方法2適用于近實時產(chǎn)品，而非實時產(chǎn)品。

本系統(tǒng)采用方法1將星鐘差產(chǎn)品的基準(zhǔn)固定為UTC(NTSC)。首先，設(shè)置基準(zhǔn)接收機，外接UTC(NTSC)信號，并精確測量連接鏈路設(shè)備時延。其次，基準(zhǔn)接收機數(shù)據(jù)參與實時星鐘差解算，并將其固定為星鐘基準(zhǔn)，解算各星鐘相對于該基準(zhǔn)的鐘差。此時，生成的星鐘差產(chǎn)品參考時間即為UTC(NTSC)。

鐘差預(yù)報也是基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法中的一部分。鐘差預(yù)報前，需進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，包括粗差探測及修復(fù)和鐘跳探測及修復(fù)等。由于基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法的更新頻率較快(15min～1h均可)，只需對衛(wèi)星鐘差的超短期預(yù)報進行研究。系統(tǒng)中采用了G.Huang等提出的自適應(yīng)鐘差預(yù)報模型[13]，此處不再贅述。

鐘差預(yù)報生成高精度的RINEX格式實時鐘差產(chǎn)品，根據(jù)實時用戶需求，可將其生成狀態(tài)空間表示(State Space Repersentation，SSR)格式的廣播星歷鐘差的高精度改正數(shù)。值得注意的是，廣播星歷是沒有修正相對論效應(yīng)的，而通過上述步驟生成的RINEX格式的實時鐘差產(chǎn)品是修正了相對論效應(yīng)的，所以需要將其二者匹配后再通過BNC軟件播發(fā)。

1.2 用戶端

用戶端接收服務(wù)端生成的基于UTC(NTSC)的高精度實時衛(wèi)星鐘差，結(jié)合衛(wèi)星實時軌道和測站坐標(biāo)等。基于式(1)和式(2)，利用非差消電離組合觀測值，即可得出用戶站鐘相對于UTC(NTSC)的鐘差，從而實現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)時間精密授時

(1)

(2)

2 系統(tǒng)搭建

國家授時中心負責(zé)國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的產(chǎn)生、保持和發(fā)播，同時也是iGMAS跟蹤站所在地之一，且是iGMAS分析中心和數(shù)據(jù)中心之一，為基于iGMAS的國家標(biāo)準(zhǔn)時間亞納秒級授時系統(tǒng)的搭建提供了便利條件。UTC(NTSC)是我國國家標(biāo)準(zhǔn)時間，中長期穩(wěn)定度為10-15～10-16量級，在過去2年內(nèi)，UTC-UTC(NTSC)的RMS保持在3ns以內(nèi)[2]。

2018年11月，國家授時中心設(shè)計并搭建了基于iGMAS的國家標(biāo)準(zhǔn)時間亞納秒級授時原型系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)由跟蹤網(wǎng)、分析處理服務(wù)平臺、播發(fā)平臺及用戶平臺組成。其中，分析處理服務(wù)平臺包括大型服務(wù)器及相關(guān)分析處理軟件；播發(fā)平臺基于CASTER、BNC等軟件實現(xiàn)；用戶平臺基于全球分布的各種類型的接收機展開測試；跟蹤網(wǎng)包括IGS/iGMAS跟蹤站及基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站包括UTC(NTSC)主鐘、相位微調(diào)儀和基準(zhǔn)接收機等各類設(shè)備及相關(guān)軟件。

圖3 PTS原型系統(tǒng)

基準(zhǔn)站位于國家授時中心，記為XIA6。基準(zhǔn)站外接UTC(NTSC)信號，并精密測定接收機時延和電纜時延等。用戶測試平臺包括CAP1、GOP6和ONS1這3個測站?；鶞?zhǔn)站及用戶站信息如表2表示。

表2 基準(zhǔn)站與用戶站信息表

1)將UTC(NTSC)信號經(jīng)相位微調(diào)儀處理后，接入基準(zhǔn)站接收機XIA6，并精確測量電纜等設(shè)備時延；

2)基于iGMAS/IGS跟蹤網(wǎng)的小時觀測文件，分析處理平臺歸算實時軌道及基于UTC(NTSC)的實時星鐘差，并通過BNC軟件生成實時鐘差改正數(shù)；

3)播發(fā)平臺通過CASTER軟件，將實時鐘差和軌道改正數(shù)播發(fā)，記為TEST0；

4)用戶測試平臺各用戶站接收實時觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷，結(jié)合TEST0改正數(shù)，求解本地站鐘與UTC(NTSC)的差，授時完成。

3 系統(tǒng)測試

原型系統(tǒng)搭建完成后，對系統(tǒng)的測試分為2個方面：一方面是對基于UTC(NTSC)的實時鐘差精度和完整性的測試；另一方面是基于原型系統(tǒng)的授時精度的測試。

3.1 基于UTC(NTSC)的實時鐘差性能測試

實時鐘差的性能是PTS性能的關(guān)鍵因素之一。因此，首先對基于高頻觀測文件拼接確定的、以UTC(NTSC)為參考的實時鐘差產(chǎn)品進行測試。

采用Gibbs方程和Van’Hoff 方程對磁性纖維素吸附亞甲基藍的熱力學(xué)特征進行分析。吸附自由能(ΔG)、吸附焓變(ΔH)和吸附熵變(ΔS)可以通過式

測試中使用的高頻觀測文件為IGS/iGMAS發(fā)布的小時觀測文件，實時軌道固定為iGMAS分析中心NTSC生成的超快產(chǎn)品NTU-P，ERP固定為FINALS2000A，測站數(shù)量約為70個，其中包含約30個iGMAS測站和40個IGS測站。實時鐘差參考鐘設(shè)置為UTC(NTSC)。以NTSC生成的最終產(chǎn)品為真值，基于二次差法，圖4展示了2020年9月12日(DOY:255/2020)—2020年10月11日(DOY:284/2020)的GPS實時鐘差測試結(jié)果。

圖4 基于UTC(NTSC)的GPS實時衛(wèi)星鐘差精度

30天的在線測試統(tǒng)計結(jié)果顯示，基于高頻觀測文件拼接確定的GPS實時鐘差，其精度(STD)可達0.16ns，與IGS RTS提供的實時鐘差產(chǎn)品精度相當(dāng)，優(yōu)于目前成熟的實時鐘差產(chǎn)品廣播星歷和超快鐘差產(chǎn)品。由于不存在數(shù)據(jù)丟包等現(xiàn)象，該產(chǎn)品的完整率為100%，且其參考時間為UTC(NTSC)。因此，基于高頻觀測文件確定的實時鐘差可用于PTS。

3.2 原型系統(tǒng)授時性能測試

目前，基于iGMAS快速產(chǎn)品，利用GPS PPP站時間比對精度(STD)可達0.1ns，可作為真值評價PTS原型系統(tǒng)實時授時精度。因此，本文采用基準(zhǔn)站XIA6和各用戶站的事后PPP鏈路結(jié)果，對PTS原型系統(tǒng)的測試結(jié)果進行評估。評估方法可描述為：

1)利用原型系統(tǒng)進行授時，得到用戶測試平臺中各用戶站本地鐘與UTC(NTSC)的差；

2)利用iGMAS快速產(chǎn)品、結(jié)合PPP時間傳遞技術(shù)，生成用戶測試平臺中各用戶站與基準(zhǔn)站XIA6的時間比對結(jié)果，由于XIA6外接了UTC(NTSC)信號，并精確測量電纜等設(shè)備時延，可得到各用戶站本地鐘與UTC(NTSC)間的鐘差；

3)結(jié)果1)與結(jié)果2)做差，并對其進行統(tǒng)計，即為PTS原型系統(tǒng)授時精度評估結(jié)果。

本文涉及的授時精度均指A類不確定度，采用標(biāo)準(zhǔn)差表示。

依據(jù)評估方法，圖 5顯示了用戶測試平臺中3個用戶站CAP1、GOP6和ONS1 年積日(Day of Year，DOY)122/2021—128/2021共7天的實時在線授時評估結(jié)果。

圖5 PTS原型系統(tǒng)各用戶站連續(xù)7天授時精度評估結(jié)果

從圖5可以看出，7天連續(xù)的評估結(jié)果顯示，各用戶站的授時評估精度為：CAP1為 0.81ns，GOP6為0.74ns，ONS1為0.70ns。

圖6所示為各用戶站單天的授時精度評估結(jié)果。從圖6可以看出，用戶測試平臺中的用戶站GOP6和ONS1所有天及CAP1站絕大多數(shù)天均可達到優(yōu)于1ns的授時評估結(jié)果。

圖6 PTS原型系統(tǒng)各用戶站單天授時精度評估結(jié)果

為了揭示影響PTS原型系統(tǒng)授時精度的原因，分析了各用戶站與基準(zhǔn)站XIA6之間形成的基線長度，并利用TEQC軟件計算了各用戶站觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差。如表3所示，各用戶站基線從短到長依次為：CAP1，ONS1，GOP6；多路徑誤差從大到小為：CAP1，GOP6，ONS1?？梢钥闯觯嗦窂秸`差較大的測站CAP1，其PTS時間服務(wù)精度也明顯較差。這是因為目前PTS原型系統(tǒng)用戶端基于PPP技術(shù)進行授時，觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差會影響PPP解算結(jié)果。與此同時，ONS1站觀測數(shù)據(jù)多路徑誤差略大于GOP6站觀測數(shù)據(jù)，但ONS1站的時間服務(wù)精度略優(yōu)于GOP6測站。D.Matsakis等[14]指出，當(dāng)PPP解算中使用浮點解模糊度時，可能會引起結(jié)果的非線性失真，這只是一個可能的原因，還需要進一步確認。從上述分析可以看出，PTS原型系統(tǒng)時間服務(wù)精度的影響因素包括：用戶站和基準(zhǔn)站之間形成的基線長度，以及用戶站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量等。其中，用戶站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對系統(tǒng)精度影響較大。

表3 用戶站連續(xù)7天PTS評估精度、平均多路徑誤差及與基準(zhǔn)站形成的基線長度

4 結(jié)論

UTC是國際標(biāo)準(zhǔn)時間，是世界各國時間服務(wù)的基礎(chǔ)。針對目前基于UTC的時間服務(wù)在精度和時效性等方面存在的問題，本文設(shè)計并搭建了PTS原型系統(tǒng)，詳細闡述了其系統(tǒng)原理和系統(tǒng)組成，并對原型系統(tǒng)性能進行了測試分析。測試結(jié)果表明：

1)該系統(tǒng)可提供亞納秒級精度的、實時的、可靠的授時服務(wù)。與目前廣泛應(yīng)用的GNSS授時技術(shù)相比，PTS將實時授時精度提高了1～2個量級，可滿足某些領(lǐng)域?qū)r間服務(wù)的需求。

2)PTS基于國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)實現(xiàn)，可直接用于UTC比對。該方法成本低廉，易于實現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3)本文在搭建PTS原型系統(tǒng)時，用戶端采用PPP技術(shù)求解用戶站鐘與UTC(NTSC)的鐘差，以完成授時。在實際應(yīng)用中，用戶端解算時，可根據(jù)用戶對精度等方面的要求，選擇多種方式。另外，本文僅基于GPS對PTS原型系統(tǒng)授時精度進行測試?；贐DS的PTS授時測試方案和結(jié)果還需要進一步完善。