基于iGMAS的國家標準時間精密授時系統

武美芳，孫保琪,2，楊旭海,2，王 格,2，王源昕,2

(1.中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

時間作為自然界中最基礎的物理量之一，在科學研究和經濟運行等領域都起著十分重要的作用。1972年1月，協調世界時(Coordinated Universal Time，UTC)開始正式成為國際標準時間，是世界各國時間服務的基礎[1]。UTC是由國際計量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)和國際地球自轉服務(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記為UTC(k)，大多數UTC(k)是各國的標準時間[1]。與以GPS時(GPS Time，GPST)為代表的GNSS系統時間相比，UTC(k)具有更好的穩定性和可用性[2]。UTC(NTSC)是UTC在我國的物理實現之一，是我國的國家標準時間，由國家授時中心(National Time Service Center，NTSC)負責產生、保持和發播[2]。

授時，也稱為時間服務，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：網絡授時、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用最廣泛的授時技術之一。然而，GNSS授時依賴于GNSS高精度的空間基準和時間基準，用戶通過解算用戶鐘與GNSS系統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，可得到測站間的時間偏差，因此，稱為時間傳遞技術，而非授時技術[3]。

近年來，隨著現代信息社會的快速發展，新一代移動通信、深空探測等諸多領域對國家標準時間授時的精度和時效性提出了更高的要求，從秒級需求逐漸發展到納秒級、亞納秒級甚至皮秒級，從事后到實時。常規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、基于國家標準時間的授時系統成為近年來的研究熱點。

2015年，歐盟發起了“Horizon 2020”研究計劃，旨在為用戶提供改進的時間服務[4-5]。該計劃設計了九種不同的服務模式，時間監測與控制為其中之一。該模式下，服務端基于事后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，并對其進行了測試[6]，測試結果顯示，輸出的1PPS的天穩優于1ns。該系統建立并使用了一個新的時間參考，而不是UTC(k)。因此，用戶基于該系統可獲得亞納秒的授時精度,但該系統不可以直接應用于國家標準時間授時。

國際GNSS監測評估系統(international GNSS Monitoring and Assessment Service，iGMAS)是我國倡導和建立的一套系統[7]，旨在建立GNSS全球跟蹤網，并生成高精度精密星歷、衛星鐘差等各類產品，服務于科學研究和各類應用。

UTC(NTSC)作為我國國家標準時間，是一切時間服務的基礎。本文設計并實現了基于iGMAS的國家標準時間精密授時系統(Precise Time Service System，PTS)。基于PTS，可獲得實時的、亞納秒級別的國家標準時間服務，且該系統成本低廉、易于實現，具有重大的科學意義和應用前景。

1 系統原理

如圖1所示，PTS由服務端、用戶端和通信網絡三部分構成。服務端包括基準站、iGMAS跟蹤網、國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)跟蹤網和數據分析處理中心，其中基準站外接UTC(NTSC)。用戶端包括GNSS接收機和授時解算模塊，其基本原理為：服務端收集基準站以及iGMAS/IGS跟蹤網的觀測數據，分析處理得到以UTC(NTSC)為參考的實時衛星鐘差產品和實時軌道產品。用戶端采集實時的偽距和載波相位觀測數據，結合服務端經由通信網絡播發的實時軌道和以UTC(NTSC)為參考的實時鐘差產品，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。

圖1 PTS工作原理

1.1 服務端—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、高精度的實時衛星鐘差產品是PTS實現的基礎。對于GPS和GLONASS來說，目前常用的實時產品包括廣播星歷中的鐘差參數、超快產品的預報部分(IGU-P)和IGS 實時服務(IGS RTS)提供的實時鐘差改正數等。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預報鐘差精度為1.5ns，均不可用于亞納秒級的授時系統。IGS RTS產品從2013年4月1日開始正式發布，旨在提供廣播星歷的實時改正數，但IGS不保證IGS RTS產品的可用性和精度等。T.Hadas等指出，IGS RTS產品中GPS和GLONASS改正數的精度分別為0.28ns和0.8ns，當衛星在地影期間，產品精度會有所下降，且在極端情況下，數據中斷可能達8h[8]。Y.Lv等指出，IGS RTS提供的實時鐘差參數，在理想狀態下依然有約10%的歷元丟失[9]。以上問題均為基于IGS RTS產品開展實時授時面臨的困難。而對于BDS和Galileo，目前鮮有機構提供可靠的實時鐘差產品。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的關鍵技術之一。

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)為基準的高精度實時鐘差。一方面，將實時鐘差產品參考鐘設置為UTC(NTSC)，滿足了UTC實時精密授時的需求，克服了由于鐘差產品參考時間不連續而引起的授時結果跳變的問題；另一方面采用高頻觀測文件代替實時觀測數據流，在保證實時星鐘差產品精度的同時，提高了產品的可靠性和可用性。基于高頻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報相結合以確定實時衛星鐘差。本文采用的高頻觀測文件為iGMAS和IGS提供的小時觀測文件，以削弱對網絡的依賴。

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、鐘差預報及產品播發三部分。

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[10-12]。鐘差估計時，輸入高頻觀測文件、站坐標、地球自轉參數及軌道，輸出與接收機無關的交換格式(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，可選擇一個衛星或接收機的鐘差或其組合，基于該基準，估計其他衛星相對于該基準的鐘差。PTS中，為了實現UTC(NTSC)授時，將星鐘差的基準固定為UTC(NTSC)，稱之為歸一化處理。歸一化處理是實現以UTC(NTSC)為基準的高精度實時衛星鐘差的關鍵步驟。

將星鐘差產品的基準固定為UTC(NTSC)，有兩種方法。方法1為：在星鐘差解算的過程中，將其基準設置為某接收機鐘，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)為基準的實時星鐘差產品；方法2為：在星鐘差計算完成后，利用實時PPP技術，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適用于近實時產品，而非實時產品。

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

鐘差預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。鐘差預報前，需進行數據質量控制，包括粗差探測及修復和鐘跳探測及修復等。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)，只需對衛星鐘差的超短期預報進行研究。系統中采用了G.Huang等提出的自適應鐘差預報模型[13]，此處不再贅述。

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

1.2 用戶端

用戶端接收服務端生成的基于UTC(NTSC)的高精度實時衛星鐘差，結合衛星實時軌道和測站坐標等。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，從而實現國家標準時間精密授時

(1)

(2)

2 系統搭建

國家授時中心負責國家標準時間UTC(NTSC)的產生、保持和發播，同時也是iGMAS跟蹤站所在地之一，且是iGMAS分析中心和數據中心之一，為基于iGMAS的國家標準時間亞納秒級授時系統的搭建提供了便利條件。UTC(NTSC)是我國國家標準時間，中長期穩定度為10-15～10-16量級，在過去2年內，UTC-UTC(NTSC)的RMS保持在3ns以內[2]。

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

圖3 PTS原型系統

基準站位于國家授時中心，記為XIA6。基準站外接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。基準站及用戶站信息如表2表示。

表2 基準站與用戶站信息表

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

2)基于iGMAS/IGS跟蹤網的小時觀測文件，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；

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

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

3 系統測試

原型系統搭建完成后，對系統的測試分為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生成的超快產品NTU-P，ERP固定為FINALS2000A，測站數量約為70個，其中包含約30個iGMAS測站和40個IGS測站。實時鐘差參考鐘設置為UTC(NTSC)。以NTSC生成的最終產品為真值，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實時鐘差測試結果。

圖4 基于UTC(NTSC)的GPS實時衛星鐘差精度

30天的在線測試統計結果顯示，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提供的實時鐘差產品精度相當，優于目前成熟的實時鐘差產品廣播星歷和超快鐘差產品。由于不存在數據丟包等現象，該產品的完整率為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 原型系統授時性能測試

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

1)利用原型系統進行授時，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快速產品、結合PPP時間傳遞技術，生成用戶測試平臺中各用戶站與基準站XIA6的時間比對結果，由于XIA6外接了UTC(NTSC)信號，并精確測量電纜等設備時延，可得到各用戶站本地鐘與UTC(NTSC)間的鐘差；

3)結果1)與結果2)做差，并對其進行統計，即為PTS原型系統授時精度評估結果。

本文涉及的授時精度均指A類不確定度，采用標準差表示。

依據評估方法，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果。

圖5 PTS原型系統各用戶站連續7天授時精度評估結果

從圖5可以看出，7天連續的評估結果顯示，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站絕大多數天均可達到優于1ns的授時評估結果。

圖6 PTS原型系統各用戶站單天授時精度評估結果

為了揭示影響PTS原型系統授時精度的原因，分析了各用戶站與基準站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據的多路徑誤差。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。可以看出，多路徑誤差較大的測站CAP1，其PTS時間服務精度也明顯較差。這是因為目前PTS原型系統用戶端基于PPP技術進行授時，觀測數據的多路徑誤差會影響PPP解算結果。與此同時，ONS1站觀測數據多路徑誤差略大于GOP6站觀測數據，但ONS1站的時間服務精度略優于GOP6測站。D.Matsakis等[14]指出，當PPP解算中使用浮點解模糊度時，可能會引起結果的非線性失真，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原型系統時間服務精度的影響因素包括：用戶站和基準站之間形成的基線長度，以及用戶站觀測數據質量等。其中，用戶站觀測數據質量對系統精度影響較大。

表3 用戶站連續7天PTS評估精度、平均多路徑誤差及與基準站形成的基線長度

4 結論

UTC是國際標準時間，是世界各國時間服務的基礎。針對目前基于UTC的時間服務在精度和時效性等方面存在的問題，本文設計并搭建了PTS原型系統，詳細闡述了其系統原理和系統組成，并對原型系統性能進行了測試分析。測試結果表明：

1)該系統可提供亞納秒級精度的、實時的、可靠的授時服務。與目前廣泛應用的GNSS授時技術相比，PTS將實時授時精度提高了1～2個量級，可滿足某些領域對時間服務的需求。

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

3)本文在搭建PTS原型系統時，用戶端采用PPP技術求解用戶站鐘與UTC(NTSC)的鐘差，以完成授時。在實際應用中，用戶端解算時，可根據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原型系統授時精度進行測試。基于BDS的PTS授時測試方案和結果還需要進一步完善。