衛星授時與時間傳遞技術進展

楊旭海，李孝輝，華 宇，荊文芳，孫保琪，李偉超，欽偉瑾，武美芳，王 偉，趙坤娟

(1.中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 100049)

0 引言

衛星授時一般是指利用衛星平臺通過無線電方式將標準時間廣播出去，這樣廣大用戶即可通過接收機得到標準時間。衛星授時屬于廣域高精度的授時方式，動態用戶也可以使用，擁有非常廣大的用戶群體。時間傳遞一般是指通過測量和計算，得到位于異地的兩臺鐘的鐘差。并且，時間傳遞一般是對發端而言的，是指發端將時間傳遞給收端。本文重點討論了站間的衛星時間傳遞，它屬于高精度遠距離的時間傳遞方式，目前已經廣泛使用。

本文概述了衛星授時與衛星時間頻率傳遞技術的進展，主要包括三類：第一類是基于通信衛星的授時技術，主要包括轉發式授時技術和數字衛星電視授時技術；第二類是基于衛星導航系統的授時技術[1-2]，主要包括全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)標準授時技術、GNSS精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)授時技術[3-4]、基于共視(Common View，CV)原理的衛星授時技術和基于衛星導航系統的精密授時技術；第三類是國際權度局(Bureau International des Poids et Measures，BIPM)用于國際時間比對的高精度時間傳遞技術，主要包括全球定位系統(Global Positioning System，GPS)共視時間頻率傳遞技術和雙向衛星時間頻率傳遞(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer，TWSTFT)技術[5-6]。其中，GPS共視時間頻率傳遞技術，按照發展歷程進行分類，包括GPS單通道共視、GPS多通道共視、GPS全視以及GPS PPP時間傳遞技術。最后，對衛星時間頻率傳遞和授時技術的發展趨勢進行了分析和展望。需要說明的是，本文只概述了一些目前常見的技術，而這一領域的很多新技術正在快速發展之中。

1 基于通信衛星的授時技術

1.1 轉發式授時

轉發式授時技術是基于通信衛星來實現的，目前主要使用地球靜止軌道 (Geostationary Orbit，GEO)衛星[7]。如圖1所示，轉發式授時的地面主控站配備了高性能氫原子鐘，并與國家標準時間(Coordinated Universal Time，UTC/National Time Service Center，NTSC，UTC(NTSC))建立了高精度的連接。在地面站氫鐘的控制下，地面主控站生成專用偽碼信號和載波信號，并向GEO通信衛星發射，經衛星轉發器轉發后，向用戶廣播。靜態用戶接收機(站坐標已知)在本地進行偽距測量，在得到衛星軌道和虛擬星載鐘信息后，解算出用戶時間，從而實現國家標準時間的授時。

圖1 轉發式授時基本原理Fig.1 Principle of time service by transfer tracking

下面針對圖1，進一步描述了轉發式授時的基本原理，即采用偽碼廣播方式的轉發式授時。授時主控站的站鐘溯源到UTC(NTSC)，在扣除主控站到衛星的上行路徑時延后，即可得到虛擬星載鐘。對于用戶接收機而言，與GPS的單星授時方式類似，即

(1)

其中，ρ為偽距觀測量；(X,Y,Z)為衛星位置坐標；(x0,y0,z0)為用戶接收機天線坐標[8]。在靜態授時情況下，衛星坐標和用戶接收機天線坐標均已知，因此可以解算得出用戶鐘與虛擬星載鐘的鐘差Δt，進一步歸算到用戶鐘與國家標準時間UTC(NTSC)的鐘差，從而實現轉發式授時。

在轉發式授時技術體系中，發明了轉發式測定軌技術[9-11]，解決了GEO通信衛星的精密測定軌問題；提出了虛擬星載鐘方法，解決了通信衛星上沒有原子鐘的難題；提出了地面產生導航信號的碼和載波精密控制方法，使無星載鐘的通信衛星時頻性能優于10-14量級。主要基于上述三種方法，實現了基于偽距測量的轉發式授時技術，進而，基于GEO通信衛星和載波相位數據，通過高精度偽碼輔助，解決了載波相位模糊度固定問題[12]，實現了基于GEO通信衛星的精密授時技術。

試驗結果表明：實現的廣播式授時精度偽碼優于8ns、載波相位優于2ns；實現的遠距離轉發式共視授時精度為2～3ns。

轉發式授時技術的特色與優勢如下：

1)只需要租用通信衛星的透明轉發器，即可實現精密授時，并具有通信授時一體化的優點；

2)采用C波段測距，電離層影響可降低到L波段的近1/10；

3)時頻基準設備放置在地面，便于和標準時間高精度連接，維護升級更為方便；

4)導航信號在地面產生，具有更強的靈活性、可配置性和可重構能力。

1.2 數字衛星電視授時技術

衛星電視授時技術是利用衛星電視信號進行標準時間發播的授時技術。我國在早期曾發明模擬電視授時技術，并投入應用。隨著衛星電視從模擬向數字體制的轉變，近年來，國家授時中心(National Time Service Center, NTSC)發明了數字衛星電視授時技術。該技術在上行站端，利用標準時間對節目時鐘參考(Program Clock Reference，PCR)計數器進行時間標記，在用戶端記錄該PCR的本地時間，同時接收電文中的衛星星歷來計算整個鏈路的傳輸時延。試驗結果表明：該技術的單向授時精度優于100ns，如果再附加廣域差分技術，授時精度可優于20ns[13]。

數字衛星電視授時技術的基本原理是利用電視信號中的PCR字段作為信號傳播時延測量的參考信號，即在數字衛星電視上行站和用戶接收機端同時記錄每個PCR出現的精確時刻，相同PCR對應的時刻值之差就是電視信號從上行站到電視衛星再到接收機的偽距。借助于測定軌手段得到了衛星軌道，并且已知上行站位置和用戶接收機位置，可以計算出信號從上行站到衛星再到用戶接收機的傳播時延。扣除該傳播時延后，可以得到用戶接收機與上行站時鐘的鐘差，而上行站時鐘可以高精度溯源到國家標準時間，從而實現國家標準時間的授時。

2 衛星導航系統的授時技術

2.1 GNSS標準授時

GPS的兩大主要功能：標準定位(Standard Point Positioning，SPP)和授時。這里的標準定位和授時，是指基于偽距測量并使用廣播電文(含廣播星歷、廣播星鐘等)[14-15]來實現的定位和授時[16-17]。用戶接收機同時接收4顆以上GPS衛星信號，可實現對接收機的定位，并解算出用戶接收機鐘與GPS系統時間(GPS Time，GPST)的差(即實現授時)。對于靜態授時用戶(用戶接收機的天線固定不動)，可以事先輸入高精度的接收機天線坐標，這樣接收機只要收到1顆以上衛星信號，就可以得到用戶接收機鐘與GPST的鐘差。該方法也稱為單向法時間傳遞，時間傳遞準確度約在幾十納秒量級。

北斗衛星導航系統(BeiDou Satellite Navigation System，BDS)同樣具備標準的定位和授時功能，并且充分發揮了后發優勢，在星座組成(是GEO/傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)/中地球軌道(Middle Earth Orbit，MEO)混合星座)、星載原子鐘和星間鏈路等方面有很多技術創新[18-22]。

2.2 GNSS PPP授時

GNSS PPP主要使用載波相位和偽距觀測數據，并結合國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)組織提供的高精度軌道和星鐘差等產品來實現PPP方式的定位和授時[23]。對于靜態的精密授時用戶，可事先輸入接收機天線坐標，可以更好地開展PPP授時。

國際GNSS監測評估系統(international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)是我國倡議并主導研制的一套系統，它借鑒了IGS的一些成功經驗，并提供更為廣泛的科學產品服務以及監測評估功能。iGMAS在全球建設約30個核心跟蹤站，基本均勻分布。iGMAS在2020年底已經建成。隨著北斗三號的全面建成并提供服務，在iGMAS支持下，利用BDS開展PPP授時研究與應用也在快速發展[24]。

PPP技術是近些年的研究熱點，在模糊度固定和精度提高等方面涌現出很多研究成果[25-28]。通過站鐘模型的約束，可以有效改善定位的高程精度[29]，也可以提高PPP授時精度[30]。

2.3 基于共視原理的衛星授時

國家授時中心李孝輝研究員等提出了基于共視原理的衛星授時方法[31]，將共視原理應用于衛星授時，將授時精度由普通單向授時的20ns提高到3～5ns。

以國家授時中心產生的國家標準時間為基礎[32]，監測GNSS廣播的時間與我國標準時間的時差并實時廣播，用戶利用衛星導航系統的單向授時測量本地時間與GNSS廣播時間的偏差，基于國家授時中心的監測數據，就可以獲得本地時間與國家標準時間的偏差。這個過程通過單向授時和數據改正實現了與國家標準時間的共視，進而實現了基于共視原理的單向授時，授時精度與共視時間比對相同。

為解決授時誤差隨用戶遠離主站而增加的難題，提出了基于碼相位的大范圍虛擬共視基準站方法，可以在整個覆蓋區域內實現高精度授時，能實現近零基線的比對，將GNSS的授時精度提高到3～5ns，100km內用戶之間的相對時間同步精度為1ns。為實現系統的獨立性，使用廣播鏈路與測距源融合共用方法，最終實現的授時方法不但可以提高GNSS的授時精度，還可以脫離GNSS實現獨立高精度授時。

該方法不但能提高授時精度，也能提高用戶的定位精度，滿足我國對高精度衛星授時的急需，并且多系統聯合使用還可以增強授時系統的魯棒性和可靠性。該方法具有幾個特征：1)將共視方法和虛擬基準站方法進行改進，可以應用于衛星授時，提高授時精度；2)利用GNSS為媒介，進行我國標準時間的廣播；3)授時系統可以脫離GNSS，獨立提供高精度授時功能。

這種授時新方法具有重要的意義，首先該方法比目前GPS衛星單向授時的精度提高4倍，滿足高端用戶的需要；其次是以GPS、GLONASS和BDS為媒介進行我國標準時間的廣播，解決了我國對高精度衛星授時的急需；第三是使用多個衛星導航系統的信號，并且具備獨立運行能力，在其中一個系統異常時可以使用其他系統，提高了授時系統的可靠性。

2.4 基于衛星導航系統的精密授時

國家授時中心楊旭海、孫保琪和武美芳提出了基于衛星導航系統的精密授時(Precise Time Service，PTS)方法。該方法依托BDS，以iGMAS作為平臺，將位于國家授時中心的iGMAS跟蹤站和國家授時中心保持的標準時間UTC(NTSC)連接，并以其為參考鐘，測量并歸算所有星鐘相對于UTC(NTSC)的實時星鐘差[33-36]，連同超快速軌道一起作為實時精密信息，通過衛星或網絡播發給用戶接收機。用戶端采用實時PPP方式解算出用戶站鐘相對于UTC(NTSC)的鐘差，從而實現標準時間的精密授時[36]。對于靜態授時情況，可以事先精確測定站坐標，作為強約束條件，這樣可以只解算站鐘差，從而提高授時精度。

基于衛星導航系統的PTS靜態授時具有重要意義和應用前景。如圖2所示，該技術基于iGMAS平臺歸算以UTC(NTSC)為參考的BDS實時星鐘差產品，用戶通過實時PPP時間傳遞方法實現精密授時，得到用戶與標準時間UTC(NTSC)的鐘差，靜態授時精度為亞納秒量級(也可以進行動態授時，目前正在試驗研究當中)[36]。

圖2 PTS授時原理Fig.2 Principle of precise time service(PTS)

3 BIPM體系的時間頻率傳遞技術

3.1 GNSS共視時間頻率傳遞技術發展

GNSS共視時間頻率傳遞技術主要經歷了GPS單通道共視、GPS多通道共視、GPS全視和GPS PPP時間傳遞等發展階段[37]。

1)GPS單通道共視

在1980年國際頻率控制年會上，Allan提出了GPS共視(GPS CV)時間傳遞方法[38]。GPS CV早期使用的是單通道共視方式。與單向法時間傳遞(即單向授時)不同的是，GPS CV是使用兩站來同時觀測同一顆衛星，將兩站各自的單向時間傳遞結果互差后，便可得到兩站之間的鐘差。該方法的優點是兩站觀測同一顆衛星，可以抵消公共的衛星鐘差，也可以部分抵消掉衛星的星歷誤差和傳播過程中的電離層誤差，提高了該方法的時間傳遞精度。該方法自提出之后，很快成為國家級時頻實驗室高精度時間傳遞的主要技術手段。從20世紀90年代中期開始，BIPM用GPS CV處理全世界約50個時間實驗室的觀測資料，以歸算國際原子時(International Atomic Time，TAI)。但該方法也有自己的局限性，在開展兩站之間的共視比對時，要求兩站必須同時對衛星可視；另外，當兩站距離增加時，兩站電離層相關性降低，會影響GPS CV時間傳遞精度。

顧名思義，GPS CV時間傳遞是指兩站同時觀測同一顆GPS衛星，實現兩站之間的時間傳遞。假設2個共視接收機分別安裝在觀測站A和B，兩站的坐標需要精確測定，共視接收機的設備時延也需要精確測量。傳統的GPS CV時間傳遞使用的是偽碼觀測數據和GPS廣播星歷，在1000km基線內，站間時間傳遞準確度一般可達2～3ns;在1000～2000km基線上，一般可達3～5ns。

2)GPS多通道共視

在GPS單通道共視方法的基礎上，發展了GPS多通道共視,主要采用了GPS多通道接收機，每個站可收到天空所有衛星。為了站間能夠共視，BIPM推薦了共視比對表，便于大家觀測。多通道共視的優勢主要在于增加了冗余觀測，通過最小二乘原理求解超定方程，提高了站間時間傳遞精度。

3)GPS全視

2004年，Petit和江志恒提出了GPS全視(All in View，AV)時間傳遞技術[39]，該方法不再使用衛星時間作為公共參考，而使用GPST(或IGST)作為公共參考，2個觀測站都計算本地時間與GPST(或IGST)的時差，并交換數據作差得到兩站之間的鐘差，結果不受兩站間距離的限制，不需要同時觀測同一顆GPS衛星。2006年，GPS AV被正式用于BIPM的TAI計算。

4)GPS PPP時間傳遞

無論是GPS CV還是GPS AV，觀測量都是偽距觀測值，這也從根本上限制了其精度。GPS PPP技術基于載波相位觀測數據，使用IGS等提供的精密軌道和星鐘等產品，實現精密定位和授時。隨著PPP技術的不斷發展和完善，學者們開始研究將PPP應用于時間傳遞，并取得了很多研究成果。1998年3月，IGS和BIPM為了推動GPS PPP時間傳遞技術研究，組織了專門的試驗攻關。隨著IGS產品精度的不斷提高，進一步推動了GPS PPP時間傳遞技術的發展。

BIPM使用PPP時間傳遞進行國際時間比對并歸算UTC和TAI，其基本過程是，事先準確測定各守時實驗室接收機天線的位置(靜態應用)作為先驗信息，解算站鐘差，其具體含義是站鐘UTC(k)相對于IGST(IGS Time Scale，IGS自己推出的一個時間尺度，比GPST的性能更好，作為IGS產品的參考[40])的偏差。在此基礎上，BIPM進一步歸算出各守時實驗室的UTC(k)和德國技術物理研究所(Physikalisch Technische Bundesanstalt, PTB)保持的UTC(PTB)之間的鐘差，最后再歸算UTC和TAI(UTC和TAI都是事后產品)。BIPM目前PPP時間傳遞(事后處理模式)的穩定度優于0.3ns。

2015年開始，BIPM發展了可固定模糊度的PPP時間傳遞技術，即IPPP時間傳遞技術[41]，與PPP時間傳遞相比精度明顯改進。其實現途徑之一就是通過網解來解算星上的硬件時延，通過星間單差消掉地面接收機的硬件時延，從而恢復了模糊度的整周特性，在此基礎上可以固定模糊度。

在PPP時間傳遞當中，接收機硬件延遲標定精度直接影響時間傳遞的準確度。接收機硬件延遲標定方法主要包括：絕對標定方法和相對標定方法[42]。其中，相對標定方法使用的更多一些，它測量的是兩站接收機硬件延遲的差。在國際時間比對當中，一般使用一臺標校接收機到各守時實驗室進行巡回標定。

我國北斗三號在2020年底已經全面建成并提供全球服務，iGMAS已經可以提供精密軌道和鐘差等精密產品。在iGMAS數據產品的支持下，利用我國BDS開展PPP和PPP時間傳遞，條件已經成熟，這方面技術研究發展迅速。

3.2 TWSTFT技術進展

1)國際衛星雙向時間比對

通過GEO衛星的TWSTFT和GPS CV是目前BIPM進行國際時間比對所采用的兩種主要方法[43]。其中，TWSTFT方法由于信號傳遞路徑對稱，鏈路上所有傳播路徑的時延幾乎都可以抵消，因而時間傳遞精度高。目前，TWSTFT準確度可達500～750ps，穩定度可達200ps[44]。

基于GEO衛星的TWSTFT原理如圖3所示。

圖3 TWSTFT原理圖Fig.3 Schematic of TWSTFT

TWSTFT的計算方法如下

TIC(A)=A-B+dTB+dBS+dSBA+dSA+dRA+SB

(2)

TIC(B)=B-A+dTA+dAS+dSAB+dSB+dRB+SA

(3)

這里TIC(A)和TIC(B)是時間間隔計數器的讀數；A和B是兩站各自的鐘面時間；dXX是各自的傳播時延；SA和SB是Sagnac效應改正。

式(2)和式(3)再移項得到兩站鐘差表達式如表1所示。

表1 TWSTFT站間鐘差表達式

在表1右列，第一行表示計數器讀數的計算。第二行表示地面站設備時延的計算，可通過事先測量得到。第三行表示空間傳播時延的計算。空間傳播時延包括3個部分：幾何路徑時延、電離層時延和對流層時延。對流層時延可以完全抵消,電離層時延在使用Ku波段時基本上可以對消，在使用頻率較低的波段時需要考慮。第四行表示衛星端時延的計算，可以完全抵消。第五行表示Sagnac效應的計算，可通過公式準確計算。

1999年開始，TWSTFT方法被用于TAI和UTC的計算。美國、歐洲和亞洲均已組建了衛星雙向比對網。亞太網由中國科學院國家授時中心和日本國家信息通信技術研究所(National Institute of Information and Communication Technology，NICT)等組成。

在中國科學院和科技部的支持下，國家授時中心在國內最早建立了雙向衛星時間比對系統，參加國際衛星雙向比對，并開展相關技術研究[45]。國家授時中心從1998年起和日本的通信綜合研究所(現更名為“國家信息通信技術研究所”)開始建立衛星雙向時間頻率傳遞鏈路，2001年開始觀測數據正式加入TAI和UTC計算，成為國際高精度時間比對鏈接的重要一環。目前，國家授時中心已經與歐洲的PTB和荷蘭計量研究所(VSL)建立了TWSTFT鏈接，成為亞洲重要的國際TWSTFT站點。

ITU-R 250/7課題(衛星雙向授時與頻率傳遞(TWSTFT)的應用和改進)，希望國際同行對TWSTFT時間傳遞準確度與射頻載波頻率的關系開展試驗研究[46]。國家授時中心李偉超研究員等設計了以下試驗研究方法：采用2套TWSTFT系統，每小時改變一次射頻載波頻率進行雙向比對，由于這2套系統使用同一個時鐘觀測同一顆衛星，2個地面站天線相距只有幾米[47-48]。如果比對結果和射頻載波頻率有關系，通過這個試驗將能夠反映出來。

圖4中，上面為6.3GHz的鐘差，下面為6.0GHz的鐘差。每小時在6.3GHz和6.0GHz間更換一次射頻頻率。在本試驗中，使用不同頻率進行雙向比對會帶來約1.5ns的系統差。

圖4 兩站觀測同一顆衛星，在不同射頻載波頻率下的TWSTFT時間傳遞結果Fig.4 TWSTFT timing results of the same satellite observed by two stations at different frequencies

2)IGSO衛星雙向時間比對

與GEO衛星不同，使用IGSO衛星進行TWSTFT時，由于衛星運動使得信號上下行幾何路徑不對稱(圖5)，將會影響TWSTFT的準確度。具體來講，由于兩站時鐘并未物理同步，且兩站到達衛星的距離不同，因此兩站信號到達衛星的時刻不同。在此時間間隔內，衛星會發生運動，引起路徑不對稱。

圖5 衛星運動引起TWSTFT幾何路徑不對稱Fig.5 Geometric path asymmetry of TWSTFT caused by satellite motion

針對上述問題，王偉和楊旭海等提出了以下兩種解決方法[49]：1)通過精密定軌，使用精密軌道修正信號路徑不對稱誤差；2)在常規TWSTFT的基礎上，兩地面站分別增加自發自收通道，實現測距和測速功能，用于改正由衛星運動引起的誤差。進而建立了基于IGSO衛星的TWSTFT方法。

理論分析和試驗結果表明：通過上述方式修正后，采用IGSO衛星也可實現亞納秒量級的衛星雙向時間傳遞，拓展了TWSTFT方法的應用范圍及覆蓋區域。該方法可進一步拓展到其他快速運動的衛星，例如中低軌衛星。

4 衛星授時與時間傳遞技術發展分析

1)衛星精密測定軌技術發展是衛星時間傳遞和授時技術發展的前提條件。

在衛星授時和基于共視思想的時間傳遞當中，需要使用精密衛星軌道作為支撐。在使用GEO衛星的雙向衛星時間傳遞當中，由于采用了雙向對消，不需要高精度軌道。但在基于IGSO衛星的雙向時間傳遞當中，仍需要使用軌道進行改正。因此，一般來講，衛星精密測定軌技術發展是衛星時間傳遞和授時技術發展的前提條件。

2)BDS建成后，BDS授時應用研究已成為重要的發展方向。

隨著我國BDS的建成和提供服務，BDS授時及其應用技術研究進入了快速發展階段。BDS授時應用、BDS/GNSS授時應用、BDS/5G聯合授時應用、BDS授時與地基授時的融合發展，以及BDS衛星授時的安全可靠性研究等，都是重要的研究發展方向[50]。

3)北斗PPP時間傳遞技術的研究和應用將成為重要方向，GPS/BDS等多系統PPP時間傳遞技術研究已成為重要研究方向，未來將應用于國際時間比對。

在BIPM國際時間比對中，目前主要使用GPS PPP時間傳遞。隨著iGMAS/GNSS多系統試驗跟蹤網(Multi-GNSS Experiment, MGEX)的發展，提供了精密的北斗軌道和星鐘產品，為該領域的科學研究奠定了基礎。在此基礎上,BDS PPP時間傳遞會快速發展。隨著GPS、GLONASS、BDS和Galileo等衛星導航系統的發展，GPS/BDS等多系統PPP時間傳遞技術已經成為非常重要的研究方向，未來將應用于國際時間比對。

4)利用低軌通信衛星開展授時研究是一個很有意義的探索。

一種新的通信技術可能就會萌生一種新的授時技術，且隨著衛星通信技術尤其是低軌通信衛星的快速發展，探索如何利用低軌通信衛星授時是一項很有意義的研究工作。