軟件接收機UTC衛星雙向時間傳遞

江志恒，武文俊

軟件接收機UTC衛星雙向時間傳遞

江志恒1，武文俊2,3,4

（1. 國際權度局，巴黎 F92312；2. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；3. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；4. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048）

衛星雙向時間頻率傳遞（TWSTFT）是協調世界時（UTC）產生過程中的重要時間比對技術手段，其精度可達0.5 ns。目前，全球大約有20多個時間保持水平最高的守時實驗室利用衛星時間和測距設備（SATRE）進行連續的實驗室間遠距離衛星雙向時間比對工作。然而SATRE TWSTFT的性能主要受到了周日效應的影響，其在某些鏈路上變化幅度甚至可達2 ns。2016年2月，國際權度局（BIPM）和國際時頻咨詢委員會（CCTF）衛星雙向工作組（WGTWSTFT）共同發起了基于軟件接收機（SDR）的國際衛星雙向時間比對試驗研究，并取得了較為滿意的結果。對該研究小組的工作進行了簡單的回顧，主要以SATRE TWSTFT和GPS PPP或IPPP技術為參考對SDR TWSTFT進行了分析評估，結果表明：SDR TWSTFT在洲際內的多數鏈路上對SATRE TWSTFT的周日效應的平均增益因子為2~3，而在洲際間的長基線鏈路上改善了30%~40%。從2017年10月開始，SDR衛星雙向成為了UTC時間比對鏈路的備份鏈路，預計未來幾年將成為UTC時間比對的正式鏈路。

協調世界時；軟件接收機；衛星雙向時間頻率傳遞；周日效應；不確定度

0 引言

從1999年開始，守時實驗室所提供的衛星雙向時間頻率傳遞（TWSTFT）數據開始正式應用于協調世界時（UTC）的計算[1]。TWSTFT現已經是UTC實現中的首要時間比對技術，其精度可達0.5 ns[2]。在時間信號調制解調時，UTC衛星雙向時間比對鏈路主要采用衛星時間和距離測量設備（SATRE）。但自從衛星雙向連續整天比對后，我們便在SATRE TWSTFT中發現了明顯的周日效應現象。在某些極端的條件下，該效應的變化幅度甚至可以達到2 ns[3-4]。周日效應是目前TWSTFT的主要統計不確定誤差源。

2016年2月，國際權度局（BIPM）和國際時頻咨詢委員會（CCTF）衛星雙向工作組（WGTWSTFT）共同發起了基于軟件接收機（SDR）的國際衛星雙向時間比對試驗研究，全球范圍內一共有16個守時實驗室參與，其中亞洲、歐洲和北美洲分別為5個、10個和1個[5-6]。亞洲洲際內衛星雙向鏈路先后使用了歐洲電信衛星組織的E172A和E172B衛星，亞歐鏈路通過俄羅斯的AM22衛星進行了試驗，衛星帶寬為2.5 MHz[7]。歐洲洲際內和歐美鏈路使用了加拿大衛星通信公司的T-11N衛星，衛星帶寬分別為1.7 MHz和1.6 MHz[8]。由于AM22停止工作，2018年3月亞歐時頻實驗室已經通過俄羅斯的ABS-2A衛星，重新建立了新的亞歐衛星雙向時間比對鏈路。現全球UTC軟件接收機衛星雙向時間比對鏈路如圖1所示。

圖1 UTC軟件接收機國際衛星雙向時間比對鏈路

在實際工作中，SDR TWSTFT與SATRE TWSTFT共用SATRE發射通道，接收通道與SATRE分別進行配置。亞洲和歐洲洲際內以及歐亞和歐美洲際間的衛星雙向鏈路初步的試驗表明：SDR衛星雙向具有更好或至少與SATRE雙向相同的性能。利用SDR時，盡管其鏈路仍然有殘余的周日效應，但在長基線的歐美鏈路上周日效應比原先的衛星雙向減小了30%~40%，而歐洲洲際內的衛星雙向周日效應對SATRE TWSTFT的平均增益因子為2~3?；谌蛐栽囼炈〉玫膶嶒灲Y果，2017年WGTWSTFT向CCTF提交了《UTC產生中衛星雙向時間比對不確定度改進》的建議書，并于第二十一屆CCTF大會通過了該建議書。SDR衛星雙向時間比對將在近幾年內正式用于UTC的計算。

1 UTC軟件接收機衛星雙向時間比對

BIPM使用衛星雙向時間比對進行UTC計算已經有19年的歷史了。由于其穩定的時間比對性能，它在UTC歸算中一直占有重要的地位。近年來，衛星雙向時間比對技術不斷向前發展，在SATRE衛星雙向時間比對的基礎上，開始出現了SDR衛星雙向時間比對。它的原理、標定方式以及數據交換情況描述如下。

1.1 原理

由于衛星雙向時間比對雙方站的信號相互對稱，TWSTFT中的大部分誤差項被抵消，故該技術可以得到很高的時間比對精度。在每一個衛星雙向時間比對站，發射信號都由SATRE的硬件發射通道產生，天線系統接收到的信號由下變器處理后分兩路輸入SATRE硬件接收通道和SDR軟件接收機通道，然后SATRE和SDR分別可以對所收信號進行解調，得到對方發射站到本地接收站的信號傳輸時間[9-11]，如圖2所示。

圖2 衛星雙向時間比對原理

衛星雙向時間比對的鐘差如下：

1.2 標定及不確定度

時間比對設備時延測定是時間比對鏈路加入UTC計算的基本條件。根據衛星雙向時間傳遞校準指南，SDR TWSTFT標定可以分為兩類：

① UTC鏈路

a）如果已有的SATRE衛星雙向時間比對鏈路已經被標定，那么可以利用該鏈路對SDR衛星雙向時間比對鏈路進行標定。在這種情況下，其校準識別號與SATRE鏈路保持一致。

b）如果SATRE衛星雙向鏈路沒被校準，那么SATRE和SDR鏈路都需要使用衛星移動雙向標校站或GPS移動校準站對其共同進行標定。

② 利用三角閉環方法對非UTC鏈路進行標校

國際權度局一般使用約定A類和B類不確定度來表征UTC時間比對鏈路的性能。所謂約定不確定度是一種保守不確定度，一般要比實際計算估計的不確定度大，以確保適用于所有同類UTC時間比對鏈路。SATRE衛星雙向時間比對鏈路的A和B類不確定度分別是0.5 ns和1.0 ns（衛星雙向移動站標定）或1.5 ns（GPS 移動站標定）。基于上述研究，BIPM給出了SDR衛星雙向的A和B類不確定度分別是0.2 ns和1.0 ns（衛星雙向移動站標定）或1.5 ns（GPS 移動站標定）。SDR TWSTFT三角閉環B類不確定度與SATER TWSTFT一致，都為2.0 ns。

1.3 數據格式的處理

軟件接收機衛星雙向時間比對的采樣率為每秒一個測量數據。為方便數據傳輸以及節約服務器存儲空間，WGTWSTFT規定SDR衛星雙向時間比對的數據交換格式與國際電聯ITU-R TF.1153.4建議書相似[12]。在數據交換時，每300 s的測量時段進行一次二次曲線擬合，取該時間段的中點作為標準點進行衛星雙向時間比對計算。2017年下半年，BIPM已經在UTC的計算軟件Tsoft中開發了相應的基于SDR的衛星雙向時間比對標準計算程序，現Tsoft完全可以同時處理基于SATRE和SDR不同方式的衛星雙向時間比對。

2 數據分析

UTC每月進行計算并以時間公報的形式對全世界進行發布。因此，以月為單位對SDR TWSTFT數據分析是合理的。以下使用SATRE衛星雙向、GPS精密單點定位（GPS PPP）和GPS載波相位整周模糊度精密單點定位（GPS IPPP）多種不同的時間比對方式與SDR衛星雙向時間比對進行對比分析[13]。

2.1 SATRE與SDR衛星雙向之間的比較分析

法國巴黎天文臺（OP）和德國物理技術研究院（PTB）之間的衛星雙向時間比對是一條歐洲內部的主要UTC時間比對鏈路，這兩個實驗室具有豐富的衛星雙向時間比對經驗，鏈路維護良好且運行可靠。但OP-PTB的SATRE衛星雙向時間比對噪聲較大，且存在著幅度為2 ns左右的周日效應，如圖3所示。圖3中選取了OP-PTB鏈路MJD 57 630~57 730之間100 d的數據作為研究對象，從圖3可以看出OP-PTB鏈路上的SDR衛星雙向大大改善了SATRE衛星雙向中的短期穩定度及周日效應。表1給出了OP-PTB鏈路上SDR和SATRE兩種不同衛星雙向時間比對鏈路上的時間偏差（TDEV）及二者的比較情況。從表1可以看出，平均時間為2 h時SDR和SATRE衛星雙向時間比對的TDEV分別為94 ps和307 ps，這證明該鏈路在2 h平均時間時的短期穩定度增益因子為3.3，表1中最小和最大增益因子分別是32 h時和8 h時的2.1和5.2，平均改善增益因子為3.7。

通過俄羅斯ABS-2A衛星進行的德國物理技術研究院和中國科學院國家授時中心（NTSC）之間的衛星雙向時間比對鏈路是一條歐亞間長基線時間比對鏈路，該鏈路10 d的SATRE和SDR衛星雙向時間比對結果如圖4所示，此處鏈路未標定，僅體現鏈路穩定度性能。從圖4可以看出該鏈路的SDR衛星雙向與SATRE衛星雙向相比，它的短中期穩定度也有了很大的提升。該鏈路不同平均時間時的增益因子與PTB-OP鏈路的結果相類似。

圖3 利用T-11N進行的OP-PTB衛星雙向時間比對及其TDEV情況

表1 OP-PTB鏈路不同平均時間上的SATRE和SDR衛星雙向時間偏差統計情況

圖4 PTB-NTSC衛星雙向時間比對結果

2.2 衛星雙向與GPS PPP與IPPP之間的比較分析

GPS PPP或IPPP是與TWSTFT完全獨立的時間比對技術，它基本不受周日效應的影響且其統計不確定度優于0.3 ns。因此，GPS PPP或IPPP是SDR和SATRE衛星雙向很好的驗證手段。將SDR和SATRE衛星雙向分別與GPS PPP或IPPP時間比對之一作差（DCD），兩個差中時間偏差較小的一個認為是更加穩定的。選取中華電信實驗室（TL）和日本國家信息與通信技術研究所（NICT）亞洲洲際內的鏈路為研究對象，表2給出2016年2月TL-NICT鏈路DCD的時間偏差及其比較分析情況。從表2可以看出，DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）對DCD（SATRE TWSTFT-GPS PPP）的增益因子均值為2.3。

表2 TL-NICT鏈路SDR和SATRE與GPS PPP之間DCD的時間偏差統計情況

選取2017年12月OP-PTB和美國國家標準與技術研究院（NIST）和PTB兩條鏈路上的衛星雙向與GPS IPPP時間比對數據進行比較分析。圖5是OP-PTB之間SATRE、SDR衛星雙向和GPS IPPP時間比對及其DCD的結果。DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的標準差分別為0.521 ns和0.230 ns，其增益因子為2.3，這與TL-NICT鏈路的情況相同。

圖5 OP-PTB鏈路SATRE、SDR衛星雙向和GPS IPPP時間比對及其DCD

在跨大西洋的NIST-PTB鏈路上，DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的標準差分別為0.355 ns和0.267 ns，其增益因子為1.3。以GPS IPPP為參考，SDR TWSTFT的性能獲得了30%的提升。圖6是NIST-PTB鏈路的GPS IPPP時間比對以及DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）。在圖6中，SDR衛星雙向的周日效應幅度比SATRE衛星雙向的周日效應減低了30%。圖7是DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的時間偏差圖，顯然后者的時間偏差優于前者的時間偏差。因此，對于NIST-PTB鏈路來說，在標準差和時間偏差兩個指標上，SDR衛星雙向都優于SATRE衛星雙向。

圖6 NIST-PTB鏈路上GPS IPPP時間比對以及DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）

圖7 NTST-PTB鏈路上的DCD時間偏差

2.3 三角閉環分析

在衛星雙向時間比對中，三角閉環是組成三角形的3條衛星雙向時間比對鏈路的矢量和。理論上，三角閉環的和是零。與GPS時間比對不同，TWSTFT中的3條鏈路是完全獨立的。因此，非零閉合差可以很好地表征統計誤差和系統差，這其中周日效應是統計誤差的主要來源。因此，三角閉合差是SDR在TWSTFT中改善周日效應的重要表征參數。表3給出了亞洲，歐洲和美洲之間通過不同衛星進行時間比對的3條閉合差結果。從表3中可以看出，三角閉合差結果與2.2節情況一致，即通過T-11N要比通過AM22和E172A進行的衛星雙向時間比對噪聲大。盡管如此，3條不同配置鏈路的增益因子卻很接近，其分別是4.3，4.8和4.5。因為非零閉合差是真誤差，故可以認為增益因子代表了SDR相比SATRE衛星雙向的真實改善水平。

表3 SATRE和SDR三角閉合差的標準差

以NIST為中轉的OP-NIST-PTB三角閉環鏈路上，在MJD 57 920~58 060時間段上其SDR和SATRE衛星雙向的三角閉合差的標準分別為0.156 ns和0.566 ns，如圖8所示。從圖8可以看出，SDR大大改善了OP-NIST-PTB衛星雙向的性能。

圖8 OP-NIST-PTB鏈路上的SDR和SATRE衛星雙向時間比對三角閉合差

3 軟件接收機衛星雙向時間比對的長期穩定度

長期穩定度是UTC時間比對鏈路的一項重要指標。通過SATRE TWSTFT和GPS PPP時間比對之間的相互比較表明：二者之間年變化在某些UTC鏈路上可以達到2 ns[14-15]。因此，將SDR和SATRE衛星雙向以及GPS PPP時間比對鏈路進行長期性數據分析是十分必要的。在三者比較之前，先利用1.2小節中的標定方法將SDR TWSTFT鏈路進行標定，然后再對其進行比較分析。

3.1 SDR TWSTFT與SATRE TWSTFT之間的長期穩定性比較分析

以OP-PTB歐洲內部鏈路為例，選取6個月的SATRE和SDR衛星雙向時間比對數據進行對比分析，結果見圖9。為計算二者的偏移，圖9對DCD進行了線性擬合，OP-PTB鏈路上的DCD（SATRE TWSTFT-SDR TWSTFT）年變化為0.279 ns，這表明SDR TWSTFT是長期穩定的。

圖9 OP-PTB鏈路上 6個月的SATRE和SDR衛星雙向以及其二者DCD（SATRE-SDR）

3.2 SDR TWSTFT與GPS PPP之間的長期穩定性比較分析

GPS PPP時間比對是目前UTC時間傳遞中比例最大的時間比對技術。選取TL和韓國標準與科學研究院（KRISS）亞洲洲際內部750 d的SDR衛星雙向和GPS PPP數據進行比對分析，比對結果如圖10所示。在圖10中，GPS PPP數據來自與BIPM發布的Citr-T。DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）的標準差為0.92 ns。

在OP-PTB鏈路上，選取了6個月的數據進行了SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT分別和GPS PPP的比較，見圖11。通過對DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）和DCD（SATRE TWSTFT-GPS PPP）進行線性回歸分析表明，SDR，SATRE衛星雙向和GPS PPP之間分別有2.22 ns/a和1.98 ns/a的變化量。

圖10 TL-KRISS鏈路上的SDR TWSTFT和GPS PPP時間比對

圖11 OP-PTB鏈路SDR TWSTFT和GPS PPP時間比對及其DCD

圖12 OP-PTB鏈路SATRE TWSTFT和GPS PPP時間比對及其DCD

4 結語

軟件接收機衛星雙向時間比對研究小組成立已有2年，本文簡要回顧了SDR衛星雙向研究小組的歷史、SDR TWSTFT相關技術原理與地面站配置并且給出了主要研究結果。在國際權度局的組織下，以SATRE衛星雙向和GPS PPP或IPPP時間比對為參考，對軟件接收機衛星雙向時間比對的性能進行了全面的評估。通過多條主要國際時間比對鏈路的分析表明：SDR TWSTFT長期穩定，并比SATRE TWSTFT具有更好的穩定度或至少一樣的性能，其對衛星雙向中的周日效應在不同鏈路上有不同程度的改善。從2017年10月開始，SDR TWSTFT已經成為UTC時間比對鏈路的正式備用鏈路。在近幾年內，BIPM將正式啟用SDR TWSTFT進行UTC的計算。間接SATRE TWSTFT在某些鏈路上可以明顯改善衛星雙向時間比對的性能，因此在某些鏈路上間接SDR TWSTFT也可以明顯改善其性能，另外，SDR TWSTFT移動站標定和SDR TWSTFT與GPS PPP融合等方法都可以繼續提高SDR TWSTFT的性能，這將是下一步需要開展的工作。

致謝：感謝全球參與SDR衛星雙向的守時實驗室提供的大量實驗數據。

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UTC two-way satellite time and frequency transfer based on SDR

JIANG Zhi-heng1, WU Wen-jun2,3,4

(1. Bureau International des Poids et Measures (BIPM), Paris F92312, France;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

Two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT or TW for short) is a primary technique with precision of 0.5 ns for the generation of coordinated universal time (UTC). About 20 leading time laboratories around the world carry out continuously TWSTFT via Satellite and SATRE. One of the major uncertainty sources is the diurnal in the SATRE TWSTFT measurements. The observed peak-to-peak variations can be up to 2 ns in some cases. In 2016, the BIPM and the Consultative Committee for Time and Frequency (CCTF) working group (WG) on TWSTFT launched a pilot study on the application of SDR receivers in the UTC TWSTFT network. The results are satisfying. In this paper the SDR TWSTFT works are briefly reviewed and the results are compared with SATRE TWSTFT and GPS PPP or IPPP. It is indicated that within one continent the SDR TWSTFT link demonstrates a significant gain factor of 2-3 in reducing the diurnals and the continental STARE TWSTFT has been improved 30%-40% for the diurnals. The SDR TWSTFT became the backup UTC time transfer link since 2017 October and it is expected to be used formally for the generation of UTC in next several years.

coordinated universal time (UTC); software-defined receiver (SDR); two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT); diurnal; uncertainty

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0196-10

2019-01-20；

2019-03-23

國家自然科學基金資助項目（11703030）；中國科學院“西部之光”人才培養計劃西部青年學者基金資助項目（XAB2017A06）

江志恒，男，研究員，主要從事時間頻率與大地測量研究。