北斗三號新信號體制共視時間比對*

張繼海，董紹武，袁海波，廣 偉，趙書紅，王威雄

(1. 中國科學院國家授時中心， 陜西 西安 710600； 2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中國科學院時間頻率基準重點實驗室， 陜西 西安 710600； 4. 中國科學院大學 天文與空間科學學院， 北京 100049)

國際權度局(Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)利用GPS共視(Common View, CV)時間比對方法開展國際上守時實驗室間的高精度時間比對并用于國際原子時(International Atomic Time, TAI)的計算始于20世紀80年代[1-2]。同時，該方法也被廣泛應用于本地時間與國家標準時間的同步。隨著衛星導航技術的發展，為了提高國際原子時計算的穩定性與可靠性，2009年國際時頻咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency, CCTF)建議利用多方法遠距離時間比對技術進行國際原子時的計算，并互相形成冗余備份，以提高計算的準確性和可靠性。目前，在國際計量局每月發布的Circular-T公報中，僅包含了GPS系統時間GPST以及GLONASS系統時間GLNT相對于國際標準時間——協調世界時(Universal Time Coordinated, UTC)的時差監測結果供用戶使用以及開展相關的科學研究。我國自主設計與建設的北斗三號全球衛星導航系統于2020年7月31日正式開通服務，其包含3顆地球同步軌道衛星、24顆中圓地球軌道衛星以及3顆傾斜地球同步軌道衛星，為全球用戶提供高質量的定位、導航與授時(Positioning, Navigation and Timing, PNT)服務[3-4]。2017年在法國巴黎舉辦的第21屆CCTF大會上，相關專家學者也建議盡快將北斗系統納入國際原子時的歸算中，并與其他衛星導航系統形成冗余備份。早在2015年，BIPM的Defraigne和Petit在基于衛星導航系統標準共視時間比對(Common GNSS Generic Time Transfer Standard, CGGTTS)的參考下，發表了關于擴展CGGTTS共視文件時間傳遞標準的文章[5]，統一了多系統標準共視時間傳遞規范(CGGTTS-V2E)，并將全球四大導航系統以及日本準天頂衛星系統(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)納入標準規范中，用于全球守時實驗室間開展常規的時間比對以及相關研究的標準。但該標準中，利用我國北斗系統衛星觀測數據生成的CGGTTS標準共視文件是基于北斗二號信號頻點(B1I & B2I)的數據。因此，隨著我國北斗三號系統及其新頻點信號的建設與廣泛應用，基于北斗三號新信號體制時間比對的研究會成為國際計量局未來開展北斗共視時間比對的必然趨勢。

本文基于我國時間基準UTC(NTSC)系統以及捷克國家時間基準UTC(TP)系統之間的比對鏈路，在CGGTTS-V2E文件標準的指導下，開展北斗三號信號(B1C & B2a)共視時間比對試驗，分別對信號觀測質量、零基線以及亞歐長基線時間比對鐘差相對于北斗二號信號(B1I & B2I，B1I & B3I)的提高進行了驗證與分析。該試驗也為基于北斗三號信號體制的遠距離時間比對參與國際原子時的計算提供了可靠的技術與試驗基礎，同時也進一步增強了基于北斗系統高精度時間比對方面的應用。

1 北斗共視數據產生與比對原理

以本地守時實驗室的UTC(k)為參考信號，接收機通過直接接收北斗廣播信號開展北斗三號信號共視時間比對研究，其原理鏈接如圖1所示[6-7]。

圖1 接收北斗廣播信號法Fig.1 Method of receiving BDS broadcast signal

本地衛星觀測以及數據采集如圖1所示，數據采集模塊實時存儲所觀測到北斗系統衛星的觀測值，因此一般原始觀測方程[8]可描述為：

(1)

1.1 電離層時延修正

對于B1C和B2a信號的雙頻用戶，采用雙頻無電離層組合偽距來修正電離層延遲的影響，其計算方法[9-10]為：

(2)

PCB1Cp-B2ap=ρ+c(dtr-dTs)+dtrop-

(3)

式中，DCB(P1P3)=C1P-C6I，DCB(P2P3)=C5P-C6I，其中C6I為北斗B3頻點的偽碼觀測數據。

1.2 衛星鐘差修正

衛星鐘差修正可利用二次模型進行修正，其表達式如式(4)所示[9]。

Δtsv=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2+Δtr

(4)

式中：Δtsv為衛星測距碼相位時間偏移(s)；a0,a1,a2分別為衛星鐘時間偏差(s)、衛星鐘頻偏(s/s)以及衛星鐘頻漂(s/s2)；t為信號發送時刻衛星測距碼相位時間；Δtr為相對論修正項，其值為

(5)

1.3 對流層時延改正

參照BIPM發布的標準共視規范(CGGTTS-V2E)文件，對流層時延修正利用NATO模型[5]，其表達式如式(6)所示。

Δttropo=f(E)·ΔR(h)

(6)

式中：E為衛星方向高度角，

(7)

ΔR(h)為天頂方向對流層總時延，h為接收天線的海拔高度(km)，ΔR(h)可以利用式(8)計算。

(8)

其中，Ns=324.8，ΔN=-7.32e0.005 577Ns，Nslog=ln[(Ns+ΔN)/105]。

基于BIPM發布的關于標準共視(CGGTTS-V2E)時間傳遞規范，北斗標準共視(CGGTTS格式數據)數據處理方法可描述為接收機連續跟蹤16 min(其中前2 min為接收機捕獲衛星階段，中間13 min為接收機連續跟蹤衛星并采集觀測值，后1 min為數據處理階段)的衛星測量數據，其中對13 min可視范圍內所有北斗衛星，利用采集的偽距值對每顆衛星的衛星鐘差項、接收機誤差項以及信號傳播路徑上的各項時延進行修正，獲得每秒下通過單顆衛星計算得到的本地時與北斗衛星導航系統時間(BeiDou navigation satellite system Time, BDT)之間的偏差，最后將單顆星解算的780個連續的時差值按照CGGTTS-V2E標準規范進行擬合，取中間點處的鐘差值作為當前16 min下的本地時與BDT的偏差。其數據算法處理過程描述如圖2所示[5, 11-12]。

圖2 北斗標準CGGTTS產生過程Fig.2 Standard CGGTTS generation process of BDS

基于上述所描述的算法流程，利用本地所觀測到的北斗RINEX觀測文件以及導航電文文件，解算出北斗二號信號以及北斗三號信號的標準CGGTTS共視文件，并開展兩地基于北斗導航系統的共視時間比對，其比對原理如圖3所示。

圖3 北斗共視時間比對法Fig.3 Method of BeiDou common view time comparison

北斗共視算法可描述為：設A站的時間為tA，B站的時間為tB，北斗系統時間為BDT[11]。

ΔtA=tA-BDT

(9)

ΔtB=tB-BDT

(10)

式(9)減式(10)即可得到兩觀測站的時間偏差：

ΔtA-ΔtB=tA-BDT-tB+BDT=ΔtAB

(11)

2 試驗結果分析

利用放置于我國時間基準系統以及捷克時間基準系統中的GNSS多系統時間傳遞型接收機采集輸出的觀測值，開展北斗三號信號共視時間比對研究，并對數據處理的結果進行分析與驗證。

表1為試驗中各守時實驗室中所用到的接收機類型及其天線。

表1 實驗室中所用的接收機

2.1 觀測信號質量分析

2.1.1 偽距多路徑噪聲

在基于偽距的時間比對中，多路徑效應是指本地觀測站天線除了接收到一個GNSS衛星發射的電磁波信號外，還可能會接收到若干個該信號經天線周圍建筑、樹木等物體反射或折射回的信號，這些非直線路徑信號會使接收機得到的信號失真并導致碼偽距和相位測量錯誤[13-16]。在此，利用偽碼和載波相位觀測無電離層組合觀測值估算出多路徑所帶來的誤差噪聲影響，其表達式[17]可描述為：

(12)

式中，下角標i和j為不同頻點，MPj為偽距多路徑組合(單位：m)，λi和λj為波長，fi和fj為載波頻率，φi和φj為載波相位觀測值，Pj為偽距觀測值，Bij為模糊度。

利用2020年4月15日—2020年4月24日我國時間基準系統中接收機采樣間隔為300 s的北斗二號信號頻點(B1I、B2I)以及北斗三號信號新頻點(B1C、B2a)的偽距以及載波相位觀測數據，分別對可視范圍內的所有北斗衛星開展多路徑噪聲影響分析。

圖4 北斗B1I及B1C頻點多路徑噪聲Fig.4 Multipath noise of B1I and B1C

圖5 北斗B2I及B2a頻點多路徑噪聲Fig.5 Multipath noise of B2I and B2a

圖4和圖5分別為北斗B1I、B1C以及B2I、B2a不同頻點的多路徑噪聲隨衛星高度角的變化情況。由此可見，北斗三號信號引起的多路徑噪聲要小于北斗二號信號引起的多路徑噪聲，且北斗三號引起的多路徑誤差噪聲相對于北斗二號較平穩。

2.1.2 北斗信號信噪比

開展遠距離時間比對的信息都是基于本地接收機解算的GNSS衛星空間信號，通常利用信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)來衡量空間信號的好與壞，并間接反映測距的精度。SNR定義為接收到的信號功率PR與信號噪聲功率N=kTBn之間的比率，如式(13)所示[18-19]。

SNR=PR/(kTBn)

(13)

式中：k為玻爾茲曼常數，其值為1.38×10-23J/K；T為噪聲溫度，單位為K；Bn為噪聲帶寬，單位為Hz。

利用2020年4月15日—2020年4月24日我國時間基準系統中接收機采樣間隔為300 s的北斗二號信號頻點(B1I、B2I)以及北斗三號信號頻點(B1C、B2a)的觀測數據，分別對可視范圍內的所有北斗衛星開展信噪比分析。

圖6 北斗B1I及B1C頻點信噪比Fig.6 SNR of B1I and B1C

圖6和圖7分別為北斗B1I、B1C以及B2I、B2a不同頻點的信噪比隨衛星高度角的變化情況。從圖中可以看出高度角越大，則信號信噪比越高，B1I和B1C的信噪比分別保持在20～50 dB-Hz以及25～52 dB-Hz，B2I和B2a的信噪比分別保持在20～53 dB-Hz以及25～53 dB-Hz；B1C頻點的信噪比要高于B1I，B2a頻點的信噪比在高度角大于50°時要高于B2I。

圖7 北斗B2I及B2a頻點信噪比Fig.7 SNR of B2I and B2a

2.2 北斗三號信號體制共視時間比對

2.2.1 北斗三號零基線共鐘比對

利用守時系統中的兩臺同源GNSS接收機2020年4月15日—2020年5月10日的RINEX多系統觀測數據，開展零基線同源時間比對(Common Clock Difference, CCD)實驗研究[20-21]，兩臺接收機外接UTC(NTSC)信號源，同時接收機各自外接自帶天線，接收機連接原理如圖8所示。

圖8 接收機連接原理Fig.8 Principle of receiver connection

如圖8所示，兩臺接收機天線的直線距離為5 m以內，且在零基線時間比對中，由于外接相同的時間頻率源， 因此一次差分可以消除大部分原子鐘所帶來的噪聲影響[8, 22]，進而能夠直接反應出時間比對的性能。此方法也被BIPM用在全球時間比對鏈路相對校準中。

如圖9所示，利用北斗三號新頻點信號雙頻組合解算的零基線鐘差波動基本在±1 ns以內，北斗二號信號雙頻組合鐘差的零基線結果波動在±2 ns以內，且北斗三號零基線鐘差的噪聲明顯小于北斗二號。鐘差的標準差(STandard Deviation, STD)如表2所示。

圖9 北斗二號和北斗三號零基線鐘差比對結果Fig.9 Result of CCD in BDS-2 and BDS-3

表2 北斗零基線鐘差標準差

通過表2可以看出，北斗三號B1C和B2a頻點組合的零基線鐘差的標準差最優，且B1C和B2a頻點組合的零基線鐘差的標準差相對于北斗二號B1I和B2I頻點組合提高了44.24%，相對于北斗二號B1I和B3I頻點組合提高了43.59%。

圖10 GNSS四系統零基線鐘差比對Fig.10 CCD of four systems of GNSS

圖10為利用北斗三號以及其他三大導航系統的零基線比對鐘差。從圖10可以看出，四系統零基線鐘差結果具有較好的一致性(為了能夠直觀地看出對比結果，將基于GPS、GLONASS以及Galileo系統的鐘差進行了平移，平移后的鐘差在時間比對方面不影響比對鐘差的穩定度以及不確定度等)。表3為利用不同系統開展零基線比對鐘差的標準偏差。

表3 四系統零基線鐘差標準差

通過表3可以看出，四系統零基線比對鐘差的標準差均優于1 ns，且北斗三號信號的零基線鐘差的標準差與GPS系統以及Galileo系統相當。

2.2.2 北斗三號長基線共視時間比對

利用2020年4月15日—2020年5月10日的北斗RINEX觀測數據，分別基于北斗二號信號無電離層組合以及北斗三號信號無電離層組合開展中捷遠距離北斗共視時間比對(兩守時實驗室之間的距離約為7 058 km)，并與其他三個衛星導航系統進行對比。

圖11 基于GNSS四系統的共視時間比對Fig.11 Common view time comparison based on four systems of GNSS

圖12 基于北斗二號與北斗三號的共視時間比對Fig.12 Common view time comparison based on BDS-2 and BDS-3

圖11為利用北斗二號(B1I & B2I)信號與北斗三號信號以及GPS、GLONASS、Galileo開展的中捷兩地高精度共視時間比對鐘差。從圖11中可以看出，利用四系統開展的共視時間比對鐘差具有相同的趨勢項，且北斗三號B1C和B2a雙頻組合獲得的兩地鐘差相對于北斗二號B1I和B2I雙頻組合獲得的兩地鐘差具有較小的噪聲。

圖12為北斗二號B1I與B3I雙頻組合與北斗三號信號雙頻組合的兩地共視時間比對鐘差。從圖12的結果可以看出，利用北斗三號信號的雙頻組合與北斗二號具有相同的趨勢項，且北斗三號B1C和B2a雙頻組合獲得的兩地鐘差的噪聲小于北斗二號B1I與B3I雙頻組合的結果。

基于四系統獲得兩地比對鐘差的頻率穩定度(通常利用Allan方差(Allan DEViation, ADEV)表征)，同時對比了北斗三號新信號體制組合與北斗二號信號組合的結果，如圖13和表4所示。

圖13 鐘差的頻率穩定度Fig.13 Frequency stability of time difference

表4 基于北斗共視的兩地鐘差頻率穩定度

從圖13和表4可以看出利用北斗(二號以及三號)以及其他導航系統開展中國和捷克兩國守時實驗室間的共視比對鐘差的頻率穩定度在10-4/天量級，且北斗三號新信號體制B1C和B2a雙頻組合獲得的兩地鐘差的穩定度相對于北斗二號B1I和B2I雙頻組合以及B1I和B3I雙頻組合具有明顯的提高。

圖14為利用北斗三號B1C和B2a雙頻組合獲得的兩地鐘差的穩定度相對于北斗二號B1I和B2I雙頻組合以及B1I和B3I雙頻組合提高的百分比。

圖14 頻率穩定度提高百分比Fig.14 Improvement percent of frequency stability

通過圖14可以看出基于北斗三號長基線共視比對相對于北斗二號，不僅可以減少兩地時間比對鐘差的噪聲，而且可以改善兩地時間比對鐘差的穩定度。

3 結論

基于我國時間基準系統和捷克國家時間基準系統中的GNSS多系統接收機原始觀測數據(采樣間隔為30 s)，并采用BIPM發布的CGGTTS-V2E時間傳遞規范，開展了基于北斗三號信號的共視時間比對研究，對比分析了北斗二號信號觀測質量與北斗三號信號觀測質量，以及中捷兩地分別基于北斗二號及三號信號的共視時間比對。

試驗結果表明，基于北斗三號信號的共視時間比對可以有效改善本地測碼偽距的觀測質量，相對于北斗二號信號，減少了多路徑噪聲的影響，提高了觀測信號的信噪比?；诒倍范栃盘栴l點的雙頻組合以及北斗三號信號頻點的雙頻組合與GPS、GLONASS、Galileo系統在接收機零基線共鐘時間比對方面，利用北斗三號獲得的兩接收機零基線鐘差相對于北斗二號的噪聲較小，且標準偏差優于北斗二號，并與GPS以及Galileo系統獲得的兩接收機零基線鐘差結果的標準偏差相當。在共視時間比對方面，利用四系統獲得UTC(NTSC)與UTC(TP)的鐘差結果具有相同的趨勢，且北斗三號信號頻點的測碼偽距組合解算的兩地鐘差相對于北斗二號信號頻點組合的測碼偽距組合解算的兩地鐘差噪聲較小。同時，利用北斗三號信號解算兩地鐘差的穩定度優于北斗二號信號，提高在10%以上。

目前，隨著北斗三號全球系統全球組網的完成，北斗系統將為全球用戶提供高精度的PNT服務。同時基于北斗三號信號頻點的高精度時間比對也為參與國際原子時的計算提供了技術支撐。