我國守時系統發展現狀與性能分析

楊玉婷,劉晨帆,藺玉亭,李國俊

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引言

時間頻率廣泛用于科學技術研究、國家經濟和國防建設。 尤其是在衛星導航、通信互聯網、深空探測、載人航天、金融、電力、目標探測和攔截、聯合作戰和精確打擊等領域,離不開時間頻率的支持。 在這些領域的廣泛應用也促進了時間基準和守時系統的發展。 時間基準和守時系統是國家重大基礎設施。 只有高精度的守時系統才能維持時間基準,提供可靠的時間頻率服務。 本文首先概述了國內外時間基準保持與發播現狀。 其次,利用國際計量局(international bureau of weights and measures,BIPM)公布的數據,結合經典的守時性能分析與評估的方法,對我國守時系統性能進行分析。

1 國內外守時系統發展現狀

1971 年,由國際計量局建立和保持的協調世界時(coordinated universal time,UTC)被確定為法定的國際標準時間[1]。 經過50 多年的發展,全球80 多個守時實驗室約450 臺高精度原子鐘利用基于全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)和衛星雙向時間頻率傳遞(two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT)技術參與國際原子時(international atomic time,TAI)的計算[2-6]。 為保證其頻率速率溯源到秒定義,12 臺秒定義的復現裝置——時間頻率基準鐘也參與守時計算。 目前,TAI 頻率準確度優于1×10-15,頻率月穩定度達到3×10-16。 為了滿足對UTC實時性要求更高的用戶需求[2],BIPM 利用權重占74%的62 個守時實驗室的300 多臺高性能原子鐘聯合生成快速協調世界時(rapid coordinated universal time,UTCr)。 其性能與UTC 相當。 很多國家建有獨立自主的標準時間頻率服務體系,并研制了配套的時頻應用設備。 各國對時間頻率的精準性提出了越來越高的要求,對時間頻率的發展推進也給予了大力支持。

美國現有權威的兩個國家法定的標準時間[3,7-8],分別是美國海軍天文臺( United States naval observatory,USNO)和美國國家計量院(national institute of standards and technology,NIST)保持的UTC(USNO)和UTC(NIST)。 長期以來,USNO 擁有全球守時鐘組規模最大的守時實驗室,守時水平一直處于國際領先地位。 其標準時間與UTC 保持在5 ns 以內。 USNO 由軍方主管,NIST 以民用為主,目前兩者時間保持高度統一,時間偏差在20 ns 以內。 2018 年美國提出建設GPS 的陸基備份授時系統,用于增強GPS 系統授時服務的抗打擊能力。

1947 年,俄羅斯從法律法規、技術以及計量等方面加強時間頻率服務建設[9-10],明確了不同層級的時間頻率管理機構、發播系統、時頻計量體系以及用戶。俄羅斯計量院保持的標準時間UTC(SU)[3]作為國家一級時間頻率標準,通過GLONASS 衛星導航系統、長波無線電、超長波無線電導航、有線通信、無線通信及電視等向用戶提供時間頻率服務。 其早在20 世紀60年代末就建立了4 個備份守時實驗室,現采用GPS/GLONASS 共視法實現向國家標準時間UTC(SU)的溯源,時間偏差保持在100 ns 以內。

歐洲各國都建有時間頻率服務體系[3,11-12]。 在時頻基準方面,有德國計量院 (physikalisch-technische bundesanstalt,PTB)、英國國家物理實驗室(national physical laboratory, NPL) 及法國巴黎天文臺(observatoire de Paris,OP) 獨立保持的標準時間UTC(PTB)、UTC(NPL)、UTC(OP)等。 在授時服務方面,有歐洲正在建設的Galileo 衛星導航系統、長短波授時系統及電話、網絡授時系統等。

我國從20 世紀60 年代后期開始,全面開展原子鐘的研制工作。 近50 年來,我國守時系統建設和發展取得突破性進展。 據國際時間局年報記載,我國中科院陜西天文臺于1980 年(中科院國家授時中心的前身)首次參與TAI 和UTC 計算和保持[1]。 1987 年,陜西天文臺、上海天文臺、武漢物理所及北京無線電計量研究院實現了約22 臺原子鐘數據共享,異地聯合產生綜合原子時TA(JATC),正式向國際時間局上報原子鐘鐘差數據(簡稱報數)。 近年來,銣原子鐘批量生產,大量氫原子鐘投入工程使用,冷原子噴泉鐘、光鐘等頻率標準裝置的研制和關鍵技術攻關取得了新的進展。 隨著時間頻率應用領域的拓展,我國中科院國家授時中心(national time service center ,NTSC)、中國計量科學研究院(national institute of metrology,NIM)、北京無線電計量測試研究所(Beijing radio institute of metrology ,BIRM)以及北京衛星導航中心(Beijing satellite navigation center,BSNC) 相繼建立守時系統[1,13-15],自主保持地方協調世界時UTC(NTSC)、UTC(NIM)、UTC(BIRM)和UTC(BSNC)。 NTSC、NIM、BIRM 與BIPM 建立了直接的時間比對鏈路,向BIPM報數,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 認可,作為基準鐘之一,參與駕馭TAI[3]。 隨著北斗三號衛星導航系統的建立和完善,BSNC 為北斗三號衛星導航系統提供的時間基準使衛星授時性能得到了大幅度的提升,達到了亞太地區授時精度優于10 ns、全球授時精度優于20 ns 的技術指標。 基于GNSS 衛星觀測的時間比對鏈路在全球范圍內廣泛使用。 其中,絕大多數國際比對鏈路由GPS 承擔, 僅在歐洲部分地區使用GLONASS[2,16]。 梁坤、張繼海、Wei Huang 等開展了基于北斗共視的時間頻率傳遞、北斗時間傳遞標準CGGTTS 等相關研究[17-20],為下一步北斗衛星導航系統參與國際時間頻率傳遞工作提供了技術支撐。

2 我國守時實驗室近15 年進展

本文選用我國在時間頻率領域具有代表性的2 個守時系統UTC(NTSC)和UTC(NIM),對其近15 年來時間和頻率穩定性、頻率控制精度等關鍵指標進行分析,采樣間隔為5 年。 根據BIPM 月報公布的UTCUTC(NTSC)、UTC-UTC(NIM)時差數據,統計均值和標準方差,分別用于評價時間穩定性和頻率控制精度,如表1 所示。

表1 我國守時系統UTC(k)時間穩定性、頻率控制精度Tab.1 Stability and frequency control accuracy of UTC(k)

通過表1 可知,從“十一五”發展到“十三五”UTCUTC(NTSC)的均值從4.49 ns 降至0.92 ns,標準方差從7. 18 ns 降至2. 13 ns;UTC-UTC(NIM)的均值從-27.11 ns 降低-0.52 ns,標準方差從39. 60 ns 降至3.96 ns。 可以看出,近15 年里我國守時系統UTC(k)時間穩定性和頻率控制精度至少提升了3 倍。

計算阿倫方差(Allan variance)用于評價UTC(k)的頻率穩定度,如圖1 所示。

圖1 UTC(k)的頻率穩定度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)頻率穩定度達到了3.71×10-15/5 d,UTC(NIM)頻率穩定度為2.19×10-15/5 d。 可以看出,近15 年里我國守時系統UTC(k)的頻率長期穩定性不斷提升。

3 與國外守時系統比較分析

本文選用國際時間傳遞的中心節點德國物理技術研究院UTC(PTB)、美國海軍天文臺保持的協調世界時UTC(USNO)、俄羅斯GLONASS 衛星導航系統的時間基準UTC(SU)、法國的標準時間UTC(OP)和我國守時系統UTC(k),針對時間頻率穩定性、頻率控制精度、時間比對鏈路等性能進行比較分析。

3.1 時間頻率穩定性與頻率控制精度

在BIPM 公布服務器上下載以上守時實驗室UTC(k)與UTC 的時差數據,分析UTC(k)的時間穩定性與頻率控制精度。 2008 年1 月至2019 年6 月,UTC(k)與UTC 的時差曲線如圖2 所示。

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

由圖2 可知,近10 年來我國守時系統UTC(k)的時間穩定性不斷提升,2014 年以來與UTC 間的時差保持在20 ns 以內,特別是UTC(NTSC)近2 年與UTC 基本保持在±5 ns 以內,與國際先進守時系統水平相當。

2017 年1 月至2019 年7 月UTC(k)與UTC 的時差均值、標準方差、最小值和最大值如表2 所示。

表2 UTC(k)與UTC 的時差均值、標準方差、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,我國守時系統UTC(NTSC)標準方差為1.85 ns,僅次于美國守時系統UTC(USNO)。 UTC(NIM)因頻率駕馭算法導致其控制精度與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 天的時間間隔內,時間偏移量在0.1～1 ns;在1×107s 的時間間隔內,時間偏移量為0.7～3 ns。 與其他國外守時系統相比,我國守時系統UTC(k)5 天頻率穩定性較差,但UTC(NTSC)20 天長期穩定性較好。

2017 年1 月至2019 年6 月守時實驗室UTC(k)穩定度分析結果如圖3 所示。

圖3 守時實驗室UTC(k)穩定度分析結果Fig.3 The UTC(k) stability analysis results of the time-keeping laboratories

2017 年1 月至2019 年6 月守時實驗室UTC(k)穩定度如表3 所示。

表3 守時實驗室UTC(k)穩定度Tab.3 The UTC(k) stability of the time-keeping laboratories

3.2 在TAI 計算權重占比

目前BIPM 在UTC 計算中采用的取權算法的原則是依據原子鐘穩定性好和可預測的特點,以權值大小直接反映原子鐘的性能好壞。 根據BIPM 公布守時實驗室原子鐘的權重數據,將權重占比較大的守時系統列出,2019 年2 月至2019 年7 月權重占比較大的守時系統如表4 所示。 2019 年7 月守時系統權重占比及原子鐘數量統計結果如圖4 所示。

表4 權重占比較大的守時系統Tab.4 UTC(k) with greater weights

圖4 守時系統權重占比及原子鐘數量統計結果Fig.4 The weights of the time-keeping systems and statistics of the atomic clock numbers

由表4 和圖4 可知,權重占比較大的守時系統共7個,分別位于美國海軍天文臺(USNO)和美國國家計量院(NIST),俄羅斯國家計量院VNIIFTRI 下屬的國家時間頻率服務組織(SU),瑞典聯合守時系統(SP),日本情報通信研究所(NICT)和我國NTSC、NIM。 其中:美國海軍天文臺(USNO)參與TAI 計算原子鐘數量最多,占所有參與TAI 計算原子鐘總數量8.53%,在2019 年7 月其權重占比高達24.45%;俄羅斯SU 守時鐘組僅10 臺,但其權重占比達到9. 31%;我國NTSC權重占比為7.59%,NIM 權重占比為6.37%,分別位居第三、第四。 由此可知,我國守時系統在UTC 計算中權重占比排名靠前,但守時鐘組規模與美國存在較大差距,單臺原子鐘性能與俄羅斯存在較大差距。

3.3 時間比對鏈路

時間比對鏈路是守時系統的重要組成部分,是實現異地原子鐘的時間比對主要手段,包括基于GNSS觀測和衛星雙向時間頻率傳遞比對鏈路。 為了減弱比對鏈路對國際標準時間UTC 不確定度的影響,BIPM定期對鏈路進行校準,并將校準結果作為BIPM 月報Circular T 第五部分內容,提供給各個守時機構。 目前,基于GPS C1 碼多通道全視法時間比對算法(GPSMC)、基于GPS 雙頻全視法時間比對算法(GPS P3)、基于GPS 精密單點定位時間比對算法(GPS PPP)、GPS PPP 與TWSTFT 組合時間比對算法(TWG PPP)等[5,21]是BIPM 時間比對鏈路校準的主流算法。 統計2018 年國際比對鏈路,發現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2019年6 月發布的Circular T 378 可以得到守時實驗室國際時間比對鏈路的不確定度[22],如表5 所示。

表5 守時實驗室國際時間比對鏈路的不確定度Tab.5 The uncertainty of international time comparison links in the time-keeping laboratories

表5 中:ustd為不超過30 天的原始數據中的相位噪聲引起的不確定度。uCal為校準不確定度;uAg為測量設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 時間頻率傳遞鏈路的不確定度較好,其次為GPS P3。 目前,我國時間比對鏈路主要采用GPS PPP 比對技術。

4 結論

我國守時系統從2006 年至2019 年近15 年的快速發展,使保持的地方協調世界時UTC(k)時間穩定性和頻率控制精度至少提升了3 倍,頻率長期穩定性不斷提升;近2 年,我國UTC(k)與UTC 基本保持在±5 ns 以內,控制精度與國際先進守時系統水平相當;UTC(NTSC)、UTC(NIM)在國際原子時TAI 計算中權重占比僅次于美國USNO、俄羅斯SU,分別位居第三、第四。