我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與性能分析

楊玉婷,劉晨帆,藺玉亭,李國(guó)俊

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引言

時(shí)間頻率廣泛用于科學(xué)技術(shù)研究、國(guó)家經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)。 尤其是在衛(wèi)星導(dǎo)航、通信互聯(lián)網(wǎng)、深空探測(cè)、載人航天、金融、電力、目標(biāo)探測(cè)和攔截、聯(lián)合作戰(zhàn)和精確打擊等領(lǐng)域,離不開(kāi)時(shí)間頻率的支持。 在這些領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了時(shí)間基準(zhǔn)和守時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展。 時(shí)間基準(zhǔn)和守時(shí)系統(tǒng)是國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施。 只有高精度的守時(shí)系統(tǒng)才能維持時(shí)間基準(zhǔn),提供可靠的時(shí)間頻率服務(wù)。 本文首先概述了國(guó)內(nèi)外時(shí)間基準(zhǔn)保持與發(fā)播現(xiàn)狀。 其次,利用國(guó)際計(jì)量局(international bureau of weights and measures,BIPM)公布的數(shù)據(jù),結(jié)合經(jīng)典的守時(shí)性能分析與評(píng)估的方法,對(duì)我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

1 國(guó)內(nèi)外守時(shí)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1971 年,由國(guó)際計(jì)量局建立和保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinated universal time,UTC)被確定為法定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[1]。 經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展,全球80 多個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室約450 臺(tái)高精度原子鐘利用基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)和衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT)技術(shù)參與國(guó)際原子時(shí)(international atomic time,TAI)的計(jì)算[2-6]。 為保證其頻率速率溯源到秒定義,12 臺(tái)秒定義的復(fù)現(xiàn)裝置——時(shí)間頻率基準(zhǔn)鐘也參與守時(shí)計(jì)算。 目前,TAI 頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-15,頻率月穩(wěn)定度達(dá)到3×10-16。 為了滿足對(duì)UTC實(shí)時(shí)性要求更高的用戶需求[2],BIPM 利用權(quán)重占74%的62 個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的300 多臺(tái)高性能原子鐘聯(lián)合生成快速協(xié)調(diào)世界時(shí)(rapid coordinated universal time,UTCr)。 其性能與UTC 相當(dāng)。 很多國(guó)家建有獨(dú)立自主的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率服務(wù)體系,并研制了配套的時(shí)頻應(yīng)用設(shè)備。 各國(guó)對(duì)時(shí)間頻率的精準(zhǔn)性提出了越來(lái)越高的要求,對(duì)時(shí)間頻率的發(fā)展推進(jìn)也給予了大力支持。

美國(guó)現(xiàn)有權(quán)威的兩個(gè)國(guó)家法定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[3,7-8],分別是美國(guó)海軍天文臺(tái)( United States naval observatory,USNO)和美國(guó)國(guó)家計(jì)量院(national institute of standards and technology,NIST)保持的UTC(USNO)和UTC(NIST)。 長(zhǎng)期以來(lái),USNO 擁有全球守時(shí)鐘組規(guī)模最大的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室,守時(shí)水平一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。 其標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與UTC 保持在5 ns 以內(nèi)。 USNO 由軍方主管,NIST 以民用為主,目前兩者時(shí)間保持高度統(tǒng)一,時(shí)間偏差在20 ns 以內(nèi)。 2018 年美國(guó)提出建設(shè)GPS 的陸基備份授時(shí)系統(tǒng),用于增強(qiáng)GPS 系統(tǒng)授時(shí)服務(wù)的抗打擊能力。

1947 年,俄羅斯從法律法規(guī)、技術(shù)以及計(jì)量等方面加強(qiáng)時(shí)間頻率服務(wù)建設(shè)[9-10],明確了不同層級(jí)的時(shí)間頻率管理機(jī)構(gòu)、發(fā)播系統(tǒng)、時(shí)頻計(jì)量體系以及用戶。俄羅斯計(jì)量院保持的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(SU)[3]作為國(guó)家一級(jí)時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)波無(wú)線電、超長(zhǎng)波無(wú)線電導(dǎo)航、有線通信、無(wú)線通信及電視等向用戶提供時(shí)間頻率服務(wù)。 其早在20 世紀(jì)60年代末就建立了4 個(gè)備份守時(shí)實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)采用GPS/GLONASS 共視法實(shí)現(xiàn)向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(SU)的溯源,時(shí)間偏差保持在100 ns 以內(nèi)。

歐洲各國(guó)都建有時(shí)間頻率服務(wù)體系[3,11-12]。 在時(shí)頻基準(zhǔn)方面,有德國(guó)計(jì)量院 (physikalisch-technische bundesanstalt,PTB)、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(national physical laboratory, NPL) 及法國(guó)巴黎天文臺(tái)(observatoire de Paris,OP) 獨(dú)立保持的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(PTB)、UTC(NPL)、UTC(OP)等。 在授時(shí)服務(wù)方面,有歐洲正在建設(shè)的Galileo 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)短波授時(shí)系統(tǒng)及電話、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)等。

我國(guó)從20 世紀(jì)60 年代后期開(kāi)始,全面開(kāi)展原子鐘的研制工作。 近50 年來(lái),我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展取得突破性進(jìn)展。 據(jù)國(guó)際時(shí)間局年報(bào)記載,我國(guó)中科院陜西天文臺(tái)于1980 年(中科院國(guó)家授時(shí)中心的前身)首次參與TAI 和UTC 計(jì)算和保持[1]。 1987 年,陜西天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、武漢物理所及北京無(wú)線電計(jì)量研究院實(shí)現(xiàn)了約22 臺(tái)原子鐘數(shù)據(jù)共享,異地聯(lián)合產(chǎn)生綜合原子時(shí)TA(JATC),正式向國(guó)際時(shí)間局上報(bào)原子鐘鐘差數(shù)據(jù)(簡(jiǎn)稱報(bào)數(shù))。 近年來(lái),銣原子鐘批量生產(chǎn),大量氫原子鐘投入工程使用,冷原子噴泉鐘、光鐘等頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得了新的進(jìn)展。 隨著時(shí)間頻率應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,我國(guó)中科院國(guó)家授時(shí)中心(national time service center ,NTSC)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(national institute of metrology,NIM)、北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所(Beijing radio institute of metrology ,BIRM)以及北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心(Beijing satellite navigation center,BSNC) 相繼建立守時(shí)系統(tǒng)[1,13-15],自主保持地方協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(NTSC)、UTC(NIM)、UTC(BIRM)和UTC(BSNC)。 NTSC、NIM、BIRM 與BIPM 建立了直接的時(shí)間比對(duì)鏈路,向BIPM報(bào)數(shù),參與TAI 與UTC 的歸算與保持。 NIM 研制的NIM5 銫原子噴泉鐘獲得BIPM 認(rèn)可,作為基準(zhǔn)鐘之一,參與駕馭TAI[3]。 隨著北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立和完善,BSNC 為北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的時(shí)間基準(zhǔn)使衛(wèi)星授時(shí)性能得到了大幅度的提升,達(dá)到了亞太地區(qū)授時(shí)精度優(yōu)于10 ns、全球授時(shí)精度優(yōu)于20 ns 的技術(shù)指標(biāo)。 基于GNSS 衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)間比對(duì)鏈路在全球范圍內(nèi)廣泛使用。 其中,絕大多數(shù)國(guó)際比對(duì)鏈路由GPS 承擔(dān), 僅在歐洲部分地區(qū)使用GLONASS[2,16]。 梁坤、張繼海、Wei Huang 等開(kāi)展了基于北斗共視的時(shí)間頻率傳遞、北斗時(shí)間傳遞標(biāo)準(zhǔn)CGGTTS 等相關(guān)研究[17-20],為下一步北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)參與國(guó)際時(shí)間頻率傳遞工作提供了技術(shù)支撐。

2 我國(guó)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室近15 年進(jìn)展

本文選用我國(guó)在時(shí)間頻率領(lǐng)域具有代表性的2 個(gè)守時(shí)系統(tǒng)UTC(NTSC)和UTC(NIM),對(duì)其近15 年來(lái)時(shí)間和頻率穩(wěn)定性、頻率控制精度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析,采樣間隔為5 年。 根據(jù)BIPM 月報(bào)公布的UTCUTC(NTSC)、UTC-UTC(NIM)時(shí)差數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)方差,分別用于評(píng)價(jià)時(shí)間穩(wěn)定性和頻率控制精度,如表1 所示。

表1 我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k)時(shí)間穩(wěn)定性、頻率控制精度Tab.1 Stability and frequency control accuracy of UTC(k)

通過(guò)表1 可知,從“十一五”發(fā)展到“十三五”UTCUTC(NTSC)的均值從4.49 ns 降至0.92 ns,標(biāo)準(zhǔn)方差從7. 18 ns 降至2. 13 ns;UTC-UTC(NIM)的均值從-27.11 ns 降低-0.52 ns,標(biāo)準(zhǔn)方差從39. 60 ns 降至3.96 ns。 可以看出,近15 年里我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k)時(shí)間穩(wěn)定性和頻率控制精度至少提升了3 倍。

計(jì)算阿倫方差(Allan variance)用于評(píng)價(jià)UTC(k)的頻率穩(wěn)定度,如圖1 所示。

圖1 UTC(k)的頻率穩(wěn)定度Fig.1 The frequency stability of UTC(k)

由圖1 可知,從“十一五”(2006 年至2010 年)到“十二五”(2011 年至2015 年),UTC(NTSC)頻率穩(wěn)定度從1×10-14/5 d 提高到6.8×10-15/5 d,UTC(NIM)從1.43×10-14/5 d 提高到2.37×10-15/5 d。 到“十三五”(2016 年至2019 年),UTC(NTSC)頻率穩(wěn)定度達(dá)到了3.71×10-15/5 d,UTC(NIM)頻率穩(wěn)定度為2.19×10-15/5 d。 可以看出,近15 年里我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k)的頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定性不斷提升。

3 與國(guó)外守時(shí)系統(tǒng)比較分析

本文選用國(guó)際時(shí)間傳遞的中心節(jié)點(diǎn)德國(guó)物理技術(shù)研究院UTC(PTB)、美國(guó)海軍天文臺(tái)保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(USNO)、俄羅斯GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)UTC(SU)、法國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(OP)和我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k),針對(duì)時(shí)間頻率穩(wěn)定性、頻率控制精度、時(shí)間比對(duì)鏈路等性能進(jìn)行比較分析。

3.1 時(shí)間頻率穩(wěn)定性與頻率控制精度

在BIPM 公布服務(wù)器上下載以上守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC(k)與UTC 的時(shí)差數(shù)據(jù),分析UTC(k)的時(shí)間穩(wěn)定性與頻率控制精度。 2008 年1 月至2019 年6 月,UTC(k)與UTC 的時(shí)差曲線如圖2 所示。

圖2 UTC(k)與UTC 的時(shí)差曲線Fig.2 The time differences curves between UTC(k) and UTC

由圖2 可知,近10 年來(lái)我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k)的時(shí)間穩(wěn)定性不斷提升,2014 年以來(lái)與UTC 間的時(shí)差保持在20 ns 以內(nèi),特別是UTC(NTSC)近2 年與UTC 基本保持在±5 ns 以內(nèi),與國(guó)際先進(jìn)守時(shí)系統(tǒng)水平相當(dāng)。

2017 年1 月至2019 年7 月UTC(k)與UTC 的時(shí)差均值、標(biāo)準(zhǔn)方差、最小值和最大值如表2 所示。

表2 UTC(k)與UTC 的時(shí)差均值、標(biāo)準(zhǔn)方差、最小值和最大值Tab.2 The statistical results of time difference between UTC(k) and UTC

由表2 可知,從2017 年至今,我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(NTSC)標(biāo)準(zhǔn)方差為1.85 ns,僅次于美國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(USNO)。 UTC(NIM)因頻率駕馭算法導(dǎo)致其控制精度與UTC(USNO)存在一定的差距。

由圖2 和表2 可知,UTC(k)的交疊式阿倫方差在(0.5～4)×10-15/5 d 和(2～6)×10-16/1×107s。 在5 天的時(shí)間間隔內(nèi),時(shí)間偏移量在0.1～1 ns;在1×107s 的時(shí)間間隔內(nèi),時(shí)間偏移量為0.7～3 ns。 與其他國(guó)外守時(shí)系統(tǒng)相比,我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)UTC(k)5 天頻率穩(wěn)定性較差,但UTC(NTSC)20 天長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。

2017 年1 月至2019 年6 月守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC(k)穩(wěn)定度分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC(k)穩(wěn)定度分析結(jié)果Fig.3 The UTC(k) stability analysis results of the time-keeping laboratories

2017 年1 月至2019 年6 月守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC(k)穩(wěn)定度如表3 所示。

表3 守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC(k)穩(wěn)定度Tab.3 The UTC(k) stability of the time-keeping laboratories

3.2 在TAI 計(jì)算權(quán)重占比

目前BIPM 在UTC 計(jì)算中采用的取權(quán)算法的原則是依據(jù)原子鐘穩(wěn)定性好和可預(yù)測(cè)的特點(diǎn),以權(quán)值大小直接反映原子鐘的性能好壞。 根據(jù)BIPM 公布守時(shí)實(shí)驗(yàn)室原子鐘的權(quán)重?cái)?shù)據(jù),將權(quán)重占比較大的守時(shí)系統(tǒng)列出,2019 年2 月至2019 年7 月權(quán)重占比較大的守時(shí)系統(tǒng)如表4 所示。 2019 年7 月守時(shí)系統(tǒng)權(quán)重占比及原子鐘數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4 所示。

表4 權(quán)重占比較大的守時(shí)系統(tǒng)Tab.4 UTC(k) with greater weights

圖4 守時(shí)系統(tǒng)權(quán)重占比及原子鐘數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 The weights of the time-keeping systems and statistics of the atomic clock numbers

由表4 和圖4 可知,權(quán)重占比較大的守時(shí)系統(tǒng)共7個(gè),分別位于美國(guó)海軍天文臺(tái)(USNO)和美國(guó)國(guó)家計(jì)量院(NIST),俄羅斯國(guó)家計(jì)量院VNIIFTRI 下屬的國(guó)家時(shí)間頻率服務(wù)組織(SU),瑞典聯(lián)合守時(shí)系統(tǒng)(SP),日本情報(bào)通信研究所(NICT)和我國(guó)NTSC、NIM。 其中:美國(guó)海軍天文臺(tái)(USNO)參與TAI 計(jì)算原子鐘數(shù)量最多,占所有參與TAI 計(jì)算原子鐘總數(shù)量8.53%,在2019 年7 月其權(quán)重占比高達(dá)24.45%;俄羅斯SU 守時(shí)鐘組僅10 臺(tái),但其權(quán)重占比達(dá)到9. 31%;我國(guó)NTSC權(quán)重占比為7.59%,NIM 權(quán)重占比為6.37%,分別位居第三、第四。 由此可知,我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)在UTC 計(jì)算中權(quán)重占比排名靠前,但守時(shí)鐘組規(guī)模與美國(guó)存在較大差距,單臺(tái)原子鐘性能與俄羅斯存在較大差距。

3.3 時(shí)間比對(duì)鏈路

時(shí)間比對(duì)鏈路是守時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)異地原子鐘的時(shí)間比對(duì)主要手段,包括基于GNSS觀測(cè)和衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞比對(duì)鏈路。 為了減弱比對(duì)鏈路對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC 不確定度的影響,BIPM定期對(duì)鏈路進(jìn)行校準(zhǔn),并將校準(zhǔn)結(jié)果作為BIPM 月報(bào)Circular T 第五部分內(nèi)容,提供給各個(gè)守時(shí)機(jī)構(gòu)。 目前,基于GPS C1 碼多通道全視法時(shí)間比對(duì)算法(GPSMC)、基于GPS 雙頻全視法時(shí)間比對(duì)算法(GPS P3)、基于GPS 精密單點(diǎn)定位時(shí)間比對(duì)算法(GPS PPP)、GPS PPP 與TWSTFT 組合時(shí)間比對(duì)算法(TWG PPP)等[5,21]是BIPM 時(shí)間比對(duì)鏈路校準(zhǔn)的主流算法。 統(tǒng)計(jì)2018 年國(guó)際比對(duì)鏈路,發(fā)現(xiàn)GPS 單頻多通道占22%, GPS 雙頻占70% (其中58% 采用GPS PPP 解算;僅有12%TWSTFT 采用TWG PPP 解算),其余為GPS 和GLONASS 組合鏈路[2]。 根據(jù)2019年6 月發(fā)布的Circular T 378 可以得到守時(shí)實(shí)驗(yàn)室國(guó)際時(shí)間比對(duì)鏈路的不確定度[22],如表5 所示。

表5 守時(shí)實(shí)驗(yàn)室國(guó)際時(shí)間比對(duì)鏈路的不確定度Tab.5 The uncertainty of international time comparison links in the time-keeping laboratories

表5 中:ustd為不超過(guò)30 天的原始數(shù)據(jù)中的相位噪聲引起的不確定度。uCal為校準(zhǔn)不確定度;uAg為測(cè)量設(shè)備老化引入的附加不確定度[2]。

由表5 可知,基于GPS PPP 和TWG PPP 時(shí)間頻率傳遞鏈路的不確定度較好,其次為GPS P3。 目前,我國(guó)時(shí)間比對(duì)鏈路主要采用GPS PPP 比對(duì)技術(shù)。

4 結(jié)論

我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)從2006 年至2019 年近15 年的快速發(fā)展,使保持的地方協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(k)時(shí)間穩(wěn)定性和頻率控制精度至少提升了3 倍,頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定性不斷提升;近2 年,我國(guó)UTC(k)與UTC 基本保持在±5 ns 以內(nèi),控制精度與國(guó)際先進(jìn)守時(shí)系統(tǒng)水平相當(dāng);UTC(NTSC)、UTC(NIM)在國(guó)際原子時(shí)TAI 計(jì)算中權(quán)重占比僅次于美國(guó)USNO、俄羅斯SU,分別位居第三、第四。