一種基于單頻授時接收機的納秒級時間同步方法研究

劉 婭，樊多盛，陳瑞瓊, 趙志雄，李孝輝

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

0 引言

時鐘同步網是通信網絡中最重要的支撐網絡之一，為通信網的數字設備提供高精度的定時基準，保障通信網內所有數字設備工作在相同的平均速率上，是所有通信設備安全可靠運行的關鍵。隨著通信技術的不斷發展，5G承載網在大帶寬、低時延、云化等需求驅動下，對同步網的時間同步性能提出了更高的要求，同步精度需求可能從現網的微秒量級提升至30ns內[1]。除通信領域外，高精度時間同步技術還為深空探測、精密導航定位、無人駕駛、室內定位等多個領域提供基礎支撐。

中國科學院國家授時中心建立并保持著我國的標準時間UTC(NTSC)，該標準時間通過多種高精度、遠距離時間比對手段，與包括德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Technische Bundesan-stalt，PTB)在內的多國標準時間保持比對，使UTC(NTSC)與協調世界時(UTC)的時差保持在10ns內。本文以國家標準時間為參考，研究了一種低成本、適合大面積應用、滿足納秒級時間同步需求的標準時間復現方法，支撐納秒級時間同步應用。

1 現狀分析

隨著北斗、Galileo等衛星導航系統的不斷發展，全球可用衛星導航系統已經增加到4個，在軌運行衛星超過70顆，衛星導航系統的可用性、可靠性有了顯著提升，催生了大量利用衛星導航系統獲得時間或實現時間同步的用戶。應用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)授時接收機就可以將GNSS的系統時間溯源至UTC，為車載導航、通信基站等時間同步需求提供一種解決方案。

根據GNSS授時接收機可接收衛星導航信號載波頻率個數的差異，可將授時接收機分為單頻和雙頻接收機。單頻接收機通常是指僅能接收各導航系統1個頻點的信號，與此對應的雙頻接收機則指同時能接收2個甚至更多頻點的導航信號。與單頻接收機相比，雙頻接收機能利用電離層延遲與載波頻率的對應關系，通過雙頻電離層改正將電離層延遲的影響降低到未修正前的10%以內，這也是雙頻授時接收機能獲得更準確授時信號的重要原因之一。

當前主流型號單頻授時接收機的定時信號(不含天線和射頻的偏差)準確度(accuracy)為20ns(1σ)。單頻授時接收機授時信號的準確度受信號空間傳播時延誤差、天線和設備時延標定誤差等影響，與標準時間的偏差通常在幾百納秒甚至微秒量級，難以進一步提高。盡管雙頻授時接收機定時信號(不含天線和射頻的偏差)的標稱準確度也為20ns(RMS)，但因內置了更穩定的頻率源和采取了更復雜的降噪措施，因此能輸出更穩定、準確的授時信號，一般可滿足幾十納秒的時間同步需求。

衛星共視接收機是在GNSS授時接收機基礎上發展起來，具有更高時間傳遞性能的一種專用設備。設備內部通常包含1臺雙頻授時接收機或測地型接收機、1個時間間隔測量模塊和1套數據處理軟件，通過共視做差降低測量共有誤差項影響，能獲得5ns以內的時間傳遞不確定度[2]，是目前遠距離、納秒級時間傳遞主要的方法之一。衛星共視接收機基本組成較單、雙頻授時接收機復雜，單臺設備售價一般在十數萬元以上，且因衛星共視需要同時應用2臺設備，因此基于衛星共視接收機的時間傳遞成本遠高于單頻或雙頻接收機，廣泛應用具有一定困難。

此外，納秒級的遠程時間傳遞技術還有衛星雙向時間頻率傳遞、衛星全視、精密單點定位、光纖時間傳遞等技術可選[3-6]。這些技術的主要優點是可實現納秒甚至亞納秒的高精度時間傳遞，但設備相對復雜、成本較高、需要專業人員維護等，難以大量應用。

綜合比較上述時間傳遞方法，對比需求從成本和性能兩方面分析，單頻授時接收機符合成本最低，但授時性能相對較差，難以滿足下一代通信網時間同步的需求；其他授時設備性能較高但同時成本也遠高于單頻接收機。本文基于此現狀，提出了單頻接收機與衛星共視技術相結合的方法，在控制成本的前提下研究了降低比對誤差，實現標準時間納秒級復現的方法，支撐納秒級同步應用。

2 工作原理

衛星共視技術是一種利用衛星作為中間源的遠程比對經典技術，在需要時間比對的兩地分別安裝衛星信號的測試設備，同時觀測本地參考時間與衛星時間的時差，然后交換觀測結果，比較相同時刻與同一衛星的差值，最終獲得兩地參考時間之差。衛星共視的實質是一種差分技術，通過差分抵消測量結果中衛星軌道、衛星鐘以及電離層、對流層等共同誤差項的影響，因此能實現比GNSS單向授時更高的同步精度。

2.1 標準時間遠程復現原理

基于衛星共視原理，搭建了標準時間遠程復現系統，系統由國家標準時間源、遠程時間比對基準設備、標準時間復現設備和數據處理中心四部分組成，如圖1所示。

圖1 標準時間遠程復現系統Fig.1 Scheme of UTC(NTSC) remote generated system

遠程時間比對基準設備、標準時間復現設備均內置了GNSS授時接收機模塊，與GNSS衛星一起，共同組成衛星共視的基本結構。遠程時間比對基準設備以國家標準時間的主鐘信號為參考，持續測量國家標準時間與各衛星鐘的偏差；同時標準時間復現設備也持續測試其內部時鐘與衛星鐘的偏差，待系統中各設備收集到約定觀測周期的數據后，擬合生成觀測結果，并通過網絡發送到數據處理中心；數據處理中心以遠程時間比對基準設備的測試結果為參考，計算復現設備內部時鐘與國家標準時間的偏差，然后通過網絡以接近實時的響應速度反饋給標準時間復現設備，標準時間復現設備內部的控制模塊根據偏差調整內部時鐘，最終輸出與國家標準時間同步的信號。如圖1所示，系統中所有標準時間復現設備可在數據處理中心共享來自同一遠程時間比對基準設備的觀測數據，因此，只要標準時間復現設備加入該網絡，即可實現與標準時間同步，進而保證網絡內所有設備的時間同步。

圖1中標準時間復現設備即是根據本文所提方法實現的設備，內部組成結構如圖2所示，由GNSS單頻授時接收芯片、時間間隔測量模塊、恒溫晶振和共視數據處理交換模塊組成。通過GNSS單頻授時接收芯片和計數器測得恒溫晶振信號與衛星鐘的時差，將時差結果通過網絡發送給數據處理中心，共視數據處理模塊收到反饋的晶振時間與UTC(NTSC)時差后，調整晶振的控制量，使其輸出與UTC(NTSC)同步的時間，實現標準時間的遠程復現。

圖2 標準時間復現設備組成Fig.2 Block diagram of UTC(NTSC)regenerating equipment

2.2 衛星共視對單頻接收機授時誤差的影響分析

影響單頻接收機授時性能的主要因素包括衛星軌道、衛星鐘差、對流層時延、電離層時延、接收機設備時延、相對論效應、多路徑效應等等。本文提出的標準時間復現方法，是以單頻授時接收機為核心，利用衛星共視抵消衛星軌道、衛星鐘以及傳播路徑中共同誤差分量的影響特性[7]，優化單頻授時接收機的時間比對性能，提高授時精度。下面以對單頻接收機授時性能影響較大的電離層和設備時延兩項為例，分析衛星共視對誤差的抑制作用。

2.2.1 電離層延遲影響

電離層延遲與天頂電離層的性質和觀測站仰角緊密相關，天頂電離層的性質又與觀測站地理緯度和經度緊密相關[10-12]。在典型的垂直入射情況下，信號傳播過程沒有發生折射彎曲，電離層延遲在白天和夜間平均分別約為50ns和10ns。在仰角較低情況下，由于折射彎曲影響，延遲相應增加約3倍。在接近地磁赤道或極點區域，延遲還會明顯增加，并且受磁暴影響嚴重，電子密度會隨太陽黑子活動的增強而升高，最大時電離層延遲可達到幾十米。目前，消除電離層誤差的方法很多，對于雙頻接收機，可以利用電離層延遲與頻率的關系，直接根據雙頻偽距測量值計算電離層延遲[8]，殘余誤差約為1m，這也是目前較為有效的電離層延遲改正方法。利用國際GPS服務(International GPS Service, IGS)組織發布的格網點電子含量計算電離層延遲是另一種較為常用的方法，可修正電離層延遲的90%，缺點是實時性不足。對于單頻接收機來說，較為常用的是利用導航電文中的電離層模型參數進行校正[9]，通常能校正誤差的50%～60%。因此基于單頻接收機的授時，首先要解決電離層延遲誤差的改正。

測站上空電離層的總體特征常用天頂方向的電子總含量(Vertical Total Electron Content，VTEC)來反映。這是因為對同一電離層來說，站星方向上的電離層TEC值是不相同的，它隨著衛星高度角的增大而減小，當衛星高度角達到90°時，TEC與衛星高度角和高程均無關，其值達到最小，即為測站天頂方向的VTEC。當觀測衛星的位置不在某一測站的天頂方向時，可利用三角函數型投影函數計算TEC。相關研究表明，盡管投影函數與衛星高度角有關，但是當高度角大于20°時，不同投影函數計算的結果差異并不明顯，因此本文使用三角函數型近似表征。信號穿透電離層的模型如圖3所示。

圖3 信號穿透電離層模型Fig.3 Model of signal penetrating ionosphere

不考慮測量噪聲，電離層時延I與載波頻率之間的函數關系可用式(1)表達為

(1)

其中，觀測站仰角為θ，Ne為天頂方向電子總量。式(1)中I即為單頻接收機電離層延遲表達式。

本文提出了單頻接收機與衛星共視技術結合的方法，對電離層延遲修正的效果分析如下：衛星共視的兩地分別用A站和B站表示，假設電離層均勻分布，則A、B兩站的電離層延遲IA和IB分別用式(2)表示

(2)

共視處理即對A和B兩站觀測數據做差，結果如式(3)所示

(3)

式中，θA、θB為A、B兩觀測站仰角，f為載波頻率。對比式(3)和式(1)，共視處理將兩站電離層延遲的相同分量抵消，殘差與兩觀測站夾角φ有關，如圖3所示。夾角φ與衛星高度和AB兩站直線距離的關系可近似用三角函數表示。衛星至觀測站的距離S和與電離層投影點距離h的關系用式(4)表示

h=SAcosφ=SBcos(φ-φ)

(4)

以離地球約20000km的地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛星為例，當兩觀測站直線距離小于500km時，由于距離較近，假設電離層均勻分布，此時兩觀測站夾角φ遠小于1°，即θA和θB近似相等，式(3)等式右邊近似為0，即單頻接收機的電離層時延通過衛星共視能完全被抵消，達到類似雙頻電離層改正的效果。即可以得到如下結論：在滿足觀測站夾角足夠小的條件下，基于單頻接收機的衛星共視可抵消電離層延遲的影響。

2.2.2 設備時延的影響分析

接收機延遲是GNSS授時接收機授時誤差的主要來源之一，對接收機時延的標校能力影響授時準確度。

根據延遲屬性不同，將接收機延遲分為固定延遲和隨機延遲兩類，其中固定延遲可以通過反復測量確定；隨機延遲會隨著時間變化而發生變化，難以被準確測量，因此常用統計方式進行估計。對于接收機延遲的校準，主要是針對可測的固定延遲，涉及天線、饋線和接收機等信號傳輸環節。

對固定延遲常用的測量方法有相對測量和絕對測量兩類，相對測量是以1臺時延已知的接收機為參考，將被測接收機與參考接收機相鄰安裝，測試2臺接收機的相對時差，即得到2臺接收機的相對延遲。絕對測量通常有兩種測量方法，一是利用信號模擬源模擬生成衛星信號，測量從信號進入接收機天線至輸出定時信號的延遲；另一種是以標準時間信號為參考，測試接收機定時信號與標準時間的時差，在補償了導航系統時間與標準時間的偏差量后，即得到接收機的絕對延遲[13-15]。

標準時間復現設備是通過衛星與遠程時間比對基準設備建立時差測量鏈路，因此設備的固定延遲僅需要測量標準時間復現設備與遠程時間比對基準設備的相對時延，而不用關心設備的絕對時延。相對時延測量不需要專用的信號模擬器、微波暗室等條件，比絕對時延更容易實現，常用的測量方法是零基線共鐘法，即將2臺需要測試的設備并址安裝，將1臺時鐘源的輸出分為兩路，分別給標準時間復現設備和遠程時間比對基準設備作參考，測試2個參考信號的時差。因參考信號來自同一臺時鐘源，測得的時差包括參考信號傳輸電纜差異和2臺設備的相對時延差兩部分，其中電纜時延差異可準確標定，扣除電纜時延差后即為標準時間復現設備和遠程時間比對基準設備的相對時延差。試驗表明，基于單頻接收機的偽碼測量和載波相位平滑結合，標準時間復現設備的相對時延校準不確定度優于2ns，能滿足復現時間與標準時間偏差小于10ns的誤差需求。

3 試驗測試

為了對比單頻授時接收機和基于同款單頻授時接收機實現的標準時間復現設備的授時性能差異，設計了測試試驗，分別測試單頻授時接收機和標準時間復現設備的授時能力，采用相同的統計工具比較其性能。

3.1 單頻授時接收機定時性能測試

以國家標準時間UTC(NTSC)主鐘信號為參考，使用時間間隔計數器測試單頻授時接收機輸出秒脈沖信號與國家標準時間的偏差，每秒測量1次，持續24h。

單頻接收機授時信號的偏差與信號空間傳播延遲、接收機天線、饋線和設備時延緊密相關，本試驗所測接收機未進行絕對時延校準。為便于對比，在處理數據時用測試數據均值作為授時接收機固定延遲，在時差結果中予以扣除，然后繪制如圖4所示的結果圖，僅反映接收機授時信號的隨機起伏。

圖4 單頻接收機定時測試結果Fig.4 Results of single frequency receiver

根據測試結果，單頻授時接收機定時信號24h最大起伏約為53.95ns，標準差為8.21ns。當應用該接收機進行時間同步時，還需要對接收機、天線、饋線等固定延遲進行精確校準。因不同安裝條件下設備時延存在差異，精確校準絕對時延難度較高，可能導致數十甚至百納秒的系統偏差，因此單頻授時接收機主要用于百納秒級時間同步場合。

3.2 標準時間復現設備授時性能測試

為對比單頻接收機結合共視技術前后的授時性能差異，測試基于單頻接收機的標準時間復現設備的授時性能。測試原理如圖5所示，在國家授時中心臨潼本部安裝被測試的標準時間復現設備，遠程時間比對基準設備安裝在距離本部直線距離約33km的西安某試驗場。國家授時中心的UTC(NTSC)主鐘分配了多路相同信號，一路直接為時間間隔計數器提供測試參考；另一路通過約60km的光纖雙向時間傳遞鏈路，以低于100ps的偏差傳輸到西安某試驗場，為遠程時間比對基準設備提供參考。因時間間隔計數器的參考和遠程時間比對基準設備的參考時間起點相同，因此計數器的測試結果反映了被測標準時間復現設備的時間同步性能。

圖5 標準時間遠程復現性能測試原理圖Fig.5 Performance test principle diagram of UTC(NTSC) remote generator

與3.1節測試環境相同，時間間隔計數器每秒測量1次，持續24h。測試結果如圖6所示。

圖6 標準時間復現設備測試結果Fig.6 Test results of the UTC(NTSC) remote generator

測試結果表明，標準時間復現設備定時信號在24h內與標準時間偏差小于10ns(3σ)，最大起伏為15.86ns，標準差為2.88ns，較單頻接收機的授時能力有顯著提升。

此外，標準時間復現設備輸出信號能直接與標準時間比對，通過相對時延測試較容易解決授時信號中的系統偏差問題，對于實現多節點時間同步有較強的實用價值。

4 結論

單頻授時接收機因其技術成熟、價格相對便宜得到廣泛應用，但受工作原理限制其性能提升空間有限，目前主要適用于百納秒級的時間同步需求。本文從低成本和納秒級時間同步兩方面需求入手，研究了基于單頻授時接收機的標準時間納秒級復現方法，形成的主要結論如下：

1)本文所使用單頻授時接收芯片的授時信號24h的最大起伏為54ns，標準差為8.21ns；

2)基于單頻授時接收機芯片結合本文所提衛星共視技術實現的標準時間復現，授時信號24h的最大起伏為15.86ns，標準差為2.88ns；

3)基于本文研制的標準時間復現設備，可以實現單網覆蓋500km，網內任意節點間時差小于20ns，與標準時間偏差小于10ns的時間同步網；

4)標準時間復現設備具有成本低、同步性能達到納秒量級、支持直接溯源至標準時間等特點，適合組建時間同步網等大范圍應用。