劉婭，樊多盛，陳瑞瓊，趙志雄，孟令達(dá)，郭偉，李孝輝，張首剛

增強(qiáng)羅蘭授時(shí)差分站的時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)

劉婭1,2,3，樊多盛1,2，陳瑞瓊1,2，趙志雄1,2，孟令達(dá)1,2，郭偉1，李孝輝1,2,3，張首剛1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

差分技術(shù)能將增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)微秒量級(jí)授時(shí)準(zhǔn)確度提升至100 ns以內(nèi)，原理是利用分布全國(guó)的差分增強(qiáng)站生成羅蘭授時(shí)偏差修正量并實(shí)時(shí)廣播給用戶。授時(shí)偏差修正量的產(chǎn)生需要各差分增強(qiáng)站的時(shí)鐘信號(hào)溯源至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間且保證與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差小于10ns（68.26%）。為滿足這一工程建設(shè)需求，本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)技術(shù)的分布式節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步方案，該方案具有低成本、高可靠、高精度、無(wú)人值守等工程應(yīng)用特點(diǎn)，可以滿足覆蓋我國(guó)國(guó)土區(qū)域的應(yīng)用需求。為檢驗(yàn)該方案，建立了試驗(yàn)系統(tǒng)，在零基線、短基線和長(zhǎng)基線等試驗(yàn)條件下均能獲得與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）偏差小于10 ns（95.44%）的信號(hào)，同時(shí)還能實(shí)時(shí)提供該信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差值，為系統(tǒng)完好性自主監(jiān)測(cè)提供支持。

eLoran授時(shí)；差分增強(qiáng)站；時(shí)間同步網(wǎng)；納秒級(jí)時(shí)間同步；時(shí)間溯源

0 引言

高精度地基授時(shí)系統(tǒng)計(jì)劃通過(guò)增強(qiáng)型羅蘭的無(wú)線授時(shí)與基于光纖的有線授時(shí)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)高可靠與高精度的授時(shí)。其中采用差分技術(shù)的增強(qiáng)羅蘭系統(tǒng)可以將授時(shí)準(zhǔn)確度由1μs提高到100 ns內(nèi)，具有作用距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是GNSS授時(shí)的最佳補(bǔ)充與備份系統(tǒng)[1-3]。

經(jīng)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)規(guī)劃論證，通過(guò)差分提升eLoran覆蓋區(qū)域的授時(shí)準(zhǔn)確度，需要在全國(guó)建設(shè)約200個(gè)差分增強(qiáng)站，監(jiān)測(cè)羅蘭授時(shí)信號(hào)的偏差，并由系統(tǒng)實(shí)時(shí)廣播到用戶終端進(jìn)行補(bǔ)償，保障系統(tǒng)的授時(shí)精度[4-5]。為保障各差分增強(qiáng)站生成的授時(shí)偏差修正量準(zhǔn)確性，要求各差分增強(qiáng)站參考時(shí)間溯源至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC），且與UTC（NTSC）偏差不大于10 ns。

目前支持該類組網(wǎng)應(yīng)用的主要技術(shù)有GNSS授時(shí)、GNSS共視和光纖時(shí)頻傳遞等，其中GNSS授時(shí)典型精度是10～20 ns（RMS），與接收機(jī)性能、安裝環(huán)境條件、饋線和設(shè)備時(shí)延等有關(guān)，輸出定時(shí)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差約為數(shù)十到數(shù)百納秒，難以滿足各差分增強(qiáng)站對(duì)參考時(shí)間的同步精度需求；GNSS共視能實(shí)現(xiàn)2～5 ns的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)間比對(duì)，因?yàn)橛^測(cè)周期為16 min，主要用于擁有原子鐘的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室之間的時(shí)間比對(duì)，不適用晶振等時(shí)差變化較快的頻率源間比對(duì)。晶振因?yàn)轶w積小、功耗小、成本低、可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是差分增強(qiáng)站頻率源的最優(yōu)選擇；光纖能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于納秒量級(jí)的時(shí)間同步，但需要各站點(diǎn)具有光纖帶寬資源，部分差分增強(qiáng)站可能在西部人煙稀少地區(qū)，不一定有可用的光纖資源，敷設(shè)或維護(hù)光纜成本較GNSS授時(shí)更高[6-7]。本文提出一種分布式的節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步技術(shù)，通過(guò)一臺(tái)內(nèi)置晶振的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取來(lái)自中心節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，即可保障該節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差始終小于10 ns。該技術(shù)支持組網(wǎng)應(yīng)用，可支撐全國(guó)范圍內(nèi)數(shù)萬(wàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，可以滿足差分增強(qiáng)站需求。

1 分布式節(jié)點(diǎn)納秒級(jí)同步原理

分布式節(jié)點(diǎn)納秒級(jí)時(shí)間同步基本原理是：以GNSS衛(wèi)星鐘和導(dǎo)航信號(hào)為媒介，建立標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與待同步標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備時(shí)間的無(wú)線比對(duì)鏈路，各設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的無(wú)線比對(duì)數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通，要求通信網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)及時(shí)交換、網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)可根據(jù)任務(wù)需求共享、支持網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)處理等功能，此外考慮到工程應(yīng)用可靠性需求，還應(yīng)具有數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)機(jī)制、數(shù)據(jù)加密措施、各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延不同步的應(yīng)對(duì)措施等。

基本原理如圖1所示。系統(tǒng)由位于西安的中心站和分布全國(guó)各地差分增強(qiáng)站的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備組成，其中西安的中心站包括遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備和分析處理及監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備持續(xù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）主鐘信號(hào)與所有可視GNSS衛(wèi)星鐘的時(shí)差，并以每分鐘一組時(shí)差數(shù)據(jù)的頻度通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)往分析處理及監(jiān)控中心和各差分增強(qiáng)站。各差分增強(qiáng)站均安裝一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，與西安的基準(zhǔn)設(shè)備采用相同的工作模式，持續(xù)測(cè)試設(shè)備輸出的時(shí)間信號(hào)與所有可視GNSS衛(wèi)星鐘的時(shí)差，并按與中心站設(shè)備一致的頻度生成時(shí)差數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收并解析來(lái)自基準(zhǔn)設(shè)備的時(shí)差數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出UTC（NTSC）時(shí)間與復(fù)現(xiàn)設(shè)備時(shí)間的時(shí)差，該時(shí)差值一份送給分析處理及監(jiān)控中心用于集中監(jiān)控各站狀態(tài)和分析各站信號(hào)性能，一份用于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部，控制輸出的時(shí)間信號(hào)，使其與UTC（NTSC）主鐘同步，即在差分增強(qiáng)站恢復(fù)出與UTC（NTSC）同步的1 PPS和10 MHz信號(hào)，送入差分增強(qiáng)站設(shè)備。各節(jié)點(diǎn)與西安的中心站數(shù)據(jù)通信通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁钟蚓W(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等公用資源，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)前文所述需求，組建各站間安全、可靠的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 分布式節(jié)點(diǎn)納秒級(jí)同步原理圖

圖1中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）的時(shí)差測(cè)量是差分增強(qiáng)時(shí)間同步網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的關(guān)鍵，下面介紹時(shí)差的測(cè)量原理。

PDCA循環(huán)又稱戴明環(huán)。PDCA循環(huán)的含義是將質(zhì)量管理分為四個(gè)階段，即計(jì)劃（plan）、執(zhí)行（do）、檢查（check）、處理（act）。這四個(gè)階段形成循環(huán)階梯式上升，大環(huán)套小環(huán)，小環(huán)保大環(huán)，推動(dòng)大循環(huán)。這一工作方法是質(zhì)量管理的基本方法，也是企業(yè)管理各項(xiàng)工作的一般規(guī)律。

中心站和差分增強(qiáng)站的參考時(shí)間分別在相同時(shí)刻與同一顆衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘比對(duì)，則可以得到兩個(gè)站參考時(shí)間之差，如式（6）所示：

設(shè)備時(shí)延差異是時(shí)差測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一，需要在設(shè)備外場(chǎng)安裝前，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行零基線時(shí)延相對(duì)校準(zhǔn)，并精確標(biāo)校天線的饋線時(shí)延。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

圖2 差分節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步網(wǎng)系統(tǒng)組成框圖

工程系統(tǒng)可靠運(yùn)行是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩地互備的遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備配置方案，其中兩地參考信號(hào)通過(guò)專用光纖采用雙向時(shí)頻傳遞方案實(shí)現(xiàn)同步，同步精度優(yōu)于100 ps。全球時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)為系統(tǒng)內(nèi)各地設(shè)備的數(shù)據(jù)安全、實(shí)時(shí)交換建立通信鏈路；分析處理及監(jiān)控中心主要是為了滿足同步網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的工況、性能監(jiān)視，為各站設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)人值守創(chuàng)造條件。鑒于各差分增強(qiáng)站主要任務(wù)是測(cè)試增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)偏差，對(duì)各站參考時(shí)間同步性能要求較高，且需要運(yùn)行維護(hù)的站點(diǎn)數(shù)量多，儀器可靠性要求高，因此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的頻率源使用更可靠、成本低的晶振代替具有一定守時(shí)能力但是成本更高的原子鐘。系統(tǒng)服務(wù)能力與以下兩項(xiàng)因素有關(guān)：一是系統(tǒng)容量，包括運(yùn)算能力和并發(fā)數(shù)據(jù)吞吐容量；二是基準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)的有效作用范圍。系統(tǒng)容量方面，因?yàn)榛鶞?zhǔn)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)是廣播給各復(fù)現(xiàn)設(shè)備，理論上服務(wù)對(duì)象數(shù)量不受限制，但是因?yàn)樾枰酗@示、監(jiān)控各站工況，考慮通信帶寬容量以及服務(wù)器硬件配置，設(shè)計(jì)容量為支持10 000臺(tái)設(shè)備同時(shí)在線運(yùn)行；在數(shù)據(jù)的有效作用范圍方面，通過(guò)理論分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證確定，距離西安中心站直線距離3 000 km以內(nèi)，復(fù)現(xiàn)設(shè)備與基準(zhǔn)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2 ns的測(cè)量不確定度，滿足兩地時(shí)間偏差優(yōu)于10 ns的時(shí)間同步需求，而西安地處我國(guó)西北偏中部地區(qū)，西至霍爾果斯、南至三亞、北至漠河、東至上海均未超過(guò)3 000 km，因此本方案滿足工程建設(shè)需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)間同步性能，搭建了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)，研制了基于高穩(wěn)恒溫晶振的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備，分別進(jìn)行了零基線、30 km短基線、1 000 km和2 000 km長(zhǎng)基線四種典型場(chǎng)景的測(cè)試試驗(yàn)。

3.1 測(cè)試原理

測(cè)試原理如圖3所示，在零基線和短基線條件下，因?yàn)槟苤苯踊蛲ㄟ^(guò)光纖間接獲得UTC（NTSC）的主鐘信號(hào)，因此使用計(jì)數(shù)器直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1 PPS與主鐘信號(hào)的時(shí)差，評(píng)估復(fù)現(xiàn)設(shè)備的1PPS信號(hào)與主鐘信號(hào)的同步性能；當(dāng)復(fù)現(xiàn)設(shè)備與UTC（NTSC）主鐘和基準(zhǔn)設(shè)備相距超過(guò)1 000 km時(shí)，使用試驗(yàn)所在地的氫原子鐘作為參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，因氫原子鐘未與UTC（NTSC）保持同步，不能評(píng)價(jià)復(fù)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間同步性能，但是因其頻率準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10-13量級(jí)，能輸出穩(wěn)定間隔的1 PPS信號(hào)，可反映標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備恢復(fù)1 PPS信號(hào)的穩(wěn)定性。不同基線條件下的測(cè)試原理如圖3（a）～（c）所示。測(cè)試前，已對(duì)被測(cè)設(shè)備和電纜時(shí)延等可能影響測(cè)試結(jié)果的參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定。

圖3 系統(tǒng)在不同基線條件下的性能測(cè)試原理圖

3.2 零基線試驗(yàn)結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備分別安裝在國(guó)家授時(shí)中心臨潼實(shí)驗(yàn)室，兩設(shè)備直線距離約5 m，近似零值，室溫環(huán)境下測(cè)試24 h，使用計(jì)數(shù)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1 PPS相對(duì)UTC（NTSC）主鐘1 PPS的時(shí)差變化量，結(jié)果如圖4所示，最大偏差為3.28 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為0.96 ns，時(shí)差峰峰值為6.37 ns，所有時(shí)差值均小于5 ns。

使用連續(xù)6 d的測(cè)試數(shù)據(jù)，用Allan方差分析頻率穩(wěn)定度，測(cè)得1.59×10-12/1 000 s，1.65×10-13/10 000 s，1.78×10-14/100 000 s。

因?yàn)榻屏慊€，比對(duì)鏈路相關(guān)性最強(qiáng)，測(cè)量誤差最小，測(cè)試結(jié)果反映了該系統(tǒng)在當(dāng)前條件下所能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。

圖4 零基線時(shí)復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.3 32 km基線試驗(yàn)結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備分別安裝在國(guó)家授時(shí)中心西安臨潼實(shí)驗(yàn)室和西安航天城實(shí)驗(yàn)室，兩地直線距離約32 km，臨潼實(shí)驗(yàn)室設(shè)備處于自然室溫環(huán)境，西安航天城實(shí)驗(yàn)室24 h室溫變化范圍小于5℃，持續(xù)測(cè)試24 h，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1 PPS相對(duì)UTC（NTSC）主鐘1 PPS的時(shí)差變化結(jié)果如圖5所示，最大偏差為4.23 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為0.98 ns，時(shí)差峰峰值為6.95 ns，所有時(shí)差值均小于5 ns。即當(dāng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)距離中心站直線距離約30 km時(shí)，可以提供與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差優(yōu)于5 ns的時(shí)間信號(hào)，優(yōu)于差分增強(qiáng)站10 ns的需求。

圖5 基線長(zhǎng)度約32 km時(shí)，復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.4 1 000 km基線試驗(yàn)結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備分別安裝在天津某實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家授時(shí)中心臨潼實(shí)驗(yàn)室，兩地直線距離約904 km，天津某實(shí)驗(yàn)室24 h室溫變化范圍小于5℃，持續(xù)測(cè)試24 h，使用計(jì)數(shù)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1 PPS相對(duì)氫原子鐘1 PPS的時(shí)差變化量，扣除初始時(shí)差后結(jié)果如圖6所示，最大偏差為6.92 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為1.91 ns，時(shí)差峰峰值為12.33 ns，所有時(shí)差值均小于8 ns。因?yàn)樵O(shè)備輸出1 PPS相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的固定偏差可以通過(guò)零值校準(zhǔn)予以補(bǔ)償，而隨機(jī)起伏不能被標(biāo)校，反映的是系統(tǒng)在該條件下所能達(dá)到的最佳性能，1 000 km條件下實(shí)測(cè)為6.92 ns，優(yōu)于差分增強(qiáng)站10 ns的需求。

圖6 基線長(zhǎng)度約1 000 km時(shí)，復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.5 2 000 km基線試驗(yàn)結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備與遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備分別安裝在海南省三亞市某實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家授時(shí)中心臨潼實(shí)驗(yàn)室，兩地直線距離約1 774 km，室溫環(huán)境下測(cè)試24 h，使用計(jì)數(shù)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出1 PPS相對(duì)氫原子鐘1 PPS的時(shí)差變化量，扣除初始時(shí)差后結(jié)果如圖7所示，最大偏差為13.11 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為2.72 ns，時(shí)差峰峰值為20.63 ns，其中99.36%的時(shí)差值小于10 ns，93.92%的時(shí)差數(shù)據(jù)小于5 ns。2 000 km條件下實(shí)測(cè)最大偏差為13.11 ns，其中99.36%的時(shí)差值小于10 ns，優(yōu)于差分增強(qiáng)站要求68%的時(shí)差小于10 ns需求。

圖7 基線長(zhǎng)度約2 000 km時(shí)，復(fù)現(xiàn)設(shè)備輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備分別安裝到距離臨潼直線距離2 000 km范圍內(nèi)的幾個(gè)典型距離進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加，相同統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差更大，信號(hào)起伏更加明顯，分析其原因，主要與基線長(zhǎng)度和設(shè)備工作環(huán)境兩個(gè)因素有關(guān)。為降低成本和提高可靠性，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)置頻率源為恒溫晶振，晶振輸出頻率特性對(duì)溫度較為敏感，盡管設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)采取了一定的溫補(bǔ)措施，但依然受室溫變化影響；其次，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)原理，基于GNSS導(dǎo)航信號(hào)的無(wú)線比對(duì)鏈路測(cè)量誤差會(huì)影響復(fù)現(xiàn)信號(hào)的起伏特性，隨著基線長(zhǎng)度增加，鏈路之間的相關(guān)性降低，測(cè)量誤差隨之增大。

為保障各差分增強(qiáng)站生成的授時(shí)偏差修正量準(zhǔn)確性，要求各差分增強(qiáng)站參考時(shí)間與UTC（NTSC）主鐘時(shí)間偏差優(yōu)于10 ns（68.26%），實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示，在2 000 km范圍內(nèi)，任意測(cè)試地點(diǎn)輸出的1 PPS與UTC（NTSC）主鐘偏差均能小于10 ns（95.44%），在溫控環(huán)境下甚至能達(dá)到8 ns以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于系統(tǒng)需求。

表1 不同基線時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)設(shè)備的1 PPS相對(duì)于參考信號(hào)1 PPS的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)技術(shù)的分布式節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步方案，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了基線長(zhǎng)度小于2 000 km范圍內(nèi)，可以提供與UTC（NTSC）偏差小于10 ns（95.44%）的1 PPS信號(hào)，優(yōu)于差分增強(qiáng)站小于10 ns（68.26%）的需求；結(jié)合理論分析，該方案可以滿足覆蓋我國(guó)國(guó)土范圍的差分增強(qiáng)站建站的性能需求；從工程可實(shí)現(xiàn)角度分析，系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)兼顧了系統(tǒng)容量、可靠性、安全性、成本、運(yùn)行維護(hù)等工程建設(shè)基本需求，易于工程實(shí)現(xiàn)。基于本文方案，已經(jīng)建成了試驗(yàn)系統(tǒng)，西安中心站的數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)共享，目前已為全國(guó)范圍內(nèi)的二十多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供常規(guī)服務(wù)。

綜上所述，基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間復(fù)現(xiàn)技術(shù)的分布式節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步方案，可以滿足長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)差分增強(qiáng)站對(duì)參考時(shí)間納秒級(jí)時(shí)間統(tǒng)一的需求。

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Time synchronization technology for eLoran differential enhanced stations

LIU Ya1,2,3, FAN Duo-sheng1,2, CHEN Rui-qiong1,2, ZHAO Zhi-xiong1,2, MENG Ling-da1,2, GUO Wei1, LI Xiao-hui1,2,3, ZHANG Shou-gang1,2,3

（1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

The accuracy of time service for eLoran can be improved to more than 10 times by using differential technology, this depends on the Loran time service deviation information which generated by the differential enhancement stations distributed all over the country. The accuracy of time service accuracy for eLoran system is expected to be better than 100 ns. The generation of deviation information requires that the clock signal of each differential enhancement station has the characteristics of tracing to the UTC(), and the time difference from UTC is less than 10 ns 68.26%). In order to meet the requirements of project, this study proposed a distributed node time synchronization scheme based on the standard time regenerate technology, which has the characteristics of engineering projects, including low cost, high reliability, high precision, automatic operation and so on. It can support the application in China. A test system was established for the validation. The results from the zero baseline, short baseline and long baseline tests shown that the equipment can output signals with a deviation of less than 10 ns (95.44%) from the UTC (NTSC), and it can also provide real-time time deviation values. The time deviation value can support the system to realize autonomous integrity monitoring.

eLoran time service; differential enhancement station; time synchronization network; nanosecond-level time synchronization; time tracing

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0279-09

劉婭，樊多盛，陳瑞瓊, 等. 增強(qiáng)羅蘭授時(shí)差分站的時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 279-287.

2021-05-11；

2021-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金天文聯(lián)合資助項(xiàng)目（U2031125）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2018ZDXM-GY-011）