GNSS超快速產品在全球標準時間復現中的應用

許龍霞，樊多盛，劉 婭，陳瑞瓊，李孝輝,3

(1.中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 101048)

0 引言

隨著社會的進步和科學技術的發展，人們對時間同步精度的要求越來越高，天文觀測、國防安全、基礎科學、通信以及金融等相關領域均需要高精度的時間信息。目前，衛星導航系統的授時和時間同步技術應用范圍較廣，時間精度需求在納秒量級的用戶，主要使用基于導航系統的共視時間比對、全視時間比對、基于通信衛星的雙向時間比對以及光纖時間傳遞等手段。這幾種方法主要適用于國際守時實驗室之間的時間比對和衛星導航系統地面監測站之間的時間同步等少數特殊應用場景，不能滿足計量校準、通信、儀器制造、金融和證券交易以及軍事等各行業普通用戶對標準時間頻率信號的需求。

隨著各行各業用戶對高精度時間頻率信號資源需求的增加，國內外的守時實驗室均開發了基于導航衛星共視的時間比對服務。美國國家技術標準研究院(National Institute of Standard and Technology，NIST)較早建立了基于全球定位系統(Global Positioning System，GPS)共視比對的時間測量與分析服務系統，可服務于任何需要保持精確本地時間的用戶。該系統連續監測用戶本地時間與UTC(NIST)的偏差，每10min將監測結果通過互聯網發送給用戶。系統還可為用戶提供基于銣鐘和銫鐘的可馴鐘，為用戶提供同步到標準時間UTC(NIST)的時間頻率信號，相當于在用戶本地復現了國家標準時間。該系統的時間比對不確定度為10ns，頻率比對不確定度為1×10(1，1天平均)。英國國家物理實驗室(Na-tional Physical Laboratory，NPL)也開發了類似的系統，為用戶提供溯源至標準時間UTC(NPL)的時間校準服務，通過共視終端在用戶本地復現出與UTC(NPL)同步的時間頻率信號，同時可以保證服務的完好性。該服務的時間比對不確定度為10ns(1)，頻率不確定度為5×10(1，1天平均)。隨著Galileo系統的逐步建設，歐洲在其2010—2020十年規劃中提出建設基于Galileo和歐洲地球同步衛星導航增強服務系統(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS) 的魯棒授時與時間同步服務系統。已建成了基于Galileo和EGNOS的試驗驗證系統，該系統可以通過電視/廣播、網絡、光纖、通信衛星等鏈路發播時間同步服務，滿足不同精度用戶對時間的需求。

國內的中國計量研究院、航天科工203所和中國科學院國家授時中心也都研制了提供類似時間測量的服務系統。中國計量研究院研制的高準確度遠程時間溯源系統，實現了用戶與UTC(NIM)的實時同步，時間偏差不超過±20ns。中國科學院國家授時中心研制了基于衛星共視比對的遠程時間配送系統，開發了基于氫鐘、銫鐘、高性能銣鐘、普通銣鐘和恒溫晶振等不同精度類型的配送終端。該系統2000km內的配送精度優于5ns，目前用戶已覆蓋陜西、天津和北京，并與中興通信合作計劃將該系統應用于5G時間同步網。

基于衛星共視比對的時間復現系統主要包括基準終端、復現終端和數據處理中心三部分?；鶞式K端以守時實驗室的時間頻率信號作為參考，接收全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)信號，監測導航系統時間與參考時間的偏差，以固定的間隔生成時差數據。復現終端以本地鐘的時間頻率信號作為參考，監測衛星導航系統時間與用戶本地時間的偏差，按規定的間隔保存數據，完成一個測量周期后，基準終端和復現終端同時將觀測數據發送至數據處理中心?；贕NSS共視的原理，根據基準終端和復現終端觀測的共同衛星，計算當前觀測周期用戶鐘本地時間與UTC(NTSC)的時差值。將該時差值發送給用戶本地鐘，結合歷史時差值計算調整量，駕馭終端內部時鐘，輸出與UTC(NTSC)同步的1PPS和10MHz信號。

上述時間服務系統均是基于GNSS衛星共視比對原理實現的。共視時間傳遞方法的局限性在于共視比對精度受比對兩地之間基線長度的限制，基線越長，兩地共同可視的衛星數目越少，且星歷誤差和電離層延遲誤差在衛星至比對兩地方向的相關性越低，比對精度越差。因此，共視時間比對方法的固有缺陷制約了時間服務系統的服務范圍，不適宜為超遠距離用戶提供時間服務。

1 基于GNSS超快速預報產品的標準時間全球復現原理

為解決基于衛星共視比對的時間復現系統的服務范圍問題，需要從根本上改變時間比對方式。全視比對廣泛應用于守時，實現了不同守時實驗室原子鐘間的時差精確測量。為盡可能消除星歷和星鐘誤差對測量值的影響，一般使用最終精密星歷和鐘差產品，滯后實現任意守時實驗室間鐘差的測量。復現系統采用全視比對方法，但是需要實時計算比對時差，以滿足實時駕馭復現終端內部時鐘的需求。考慮到實時的要求，在損失部分比對精度但滿足復現終端性能指標的前提下，使用GNSS超快速預報產品實現。下面先介紹基于全視比對的標準時間復現方法，然后介紹超快速預報產品的具體使用方法。

基于全視比對的標準時間復現方法如圖1所示，時間服務基準終端以守時實驗室時頻信號作為參考輸入，測量獲得GNSS衛星觀測數據?；贕NSS超快速產品(預測部分)提供的軌道與鐘差數據，通過多項式內插得到觀測時刻的衛星位置和鐘差，精確改正星歷誤差和星鐘誤差?；陔p頻觀測值確定電離層延遲改正值，采用經驗模型改正對流層延遲。此外，還需進行Sagnac效應改正、衛星天線相位中心改正及衛星硬件延遲改正。

圖1 基于全視比對的標準時間復現方法Fig.1 Comparison of ultra-rapid products of different institutes

接收機端進行硬件延遲改正、天線電纜延遲改正和參考信號延遲改正。結合內部計數器模塊測得外部參考信號與接收機1PPS的時差，得到當前歷元參考信號與可視衛星之間的鐘差。對同一歷元衛星鐘差按高度角加權，得到基準端在當前歷元的全視星站鐘差，簡稱為主站星站鐘差。

復現終端以晶振或原子鐘輸出的時頻信號為參考，通過觀測GNSS衛星，同理獲得終端本地時間與可視衛星時間之間的鐘差，經加權綜合，得到從站星站鐘差。

主從站星站鐘差均發送到云處理中心，通過配置主從站點，實現基準終端與復現終端、復現終端之間的任意配對，完成數據轉發。復現終端實時接收基準終端的星站鐘差并計算校準量，根據校準量計算駕馭參數，控制復現終端內部時鐘，使其輸出與UTC(k)同步的時間頻率信號。

主從星站鐘差為本地時間與超快速產品鐘差參考時間基準的差值，互差計算校準量的過程中，消除了產品參考時間基準的影響，得到UTC(k)與復現終端本地時間的差值。因此，只要保證基準終端和復現終端在同一時刻使用相同的超快速產品即可。

從上述過程可以看出，由于不需約束基準終端和復現終端必須同時可視相同衛星，該方法復現的時頻信號精度與距離無關。目前，國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)和國際GNSS監測評估系統(International GNSS Monitoring & Assessment System，iGMAS)產品綜合中心以及多家數據分析中心都發布了衛星導航系統的超快速軌道和鐘差產品。

2 GNSS超快速產品特點分析與使用

IGS和iGMAS等機構提供了多種類型的數據產品，可滿足事后和實時應用，最終產品多用于事后數據處理和精密分析。對于實時應用，目前有超快速預報產品和實時數據流產品可用。設計要求復現終端輸出時間信號的精度優于5ns，主要受時間比對和鐘駕馭的影響。對于復現終端內部不同類型的時鐘，設計的控鐘算法可以將鐘駕馭誤差控制在1ns以內。因此，要求時間比對精度優于5ns，分解到星歷和星鐘，要求這兩部分誤差控制在3ns以內。

實時數據流采用互聯網國際海運事業無線電技術委員會(Radio Technical Commission for Maritime services，RTCM)制定的網絡傳輸協議(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRIP)格式播發，實時數據接收受限于網絡通信的影響，可能存在數據延遲或中斷。軌道精度優于5cm，鐘差精度優于0.3ns。超快速產品(預測部分)軌道優于5cm，鐘差優于3ns，均為均方根值，以文件形式提前一天發布。不同分析中心發布超快速產品的更新間隔不同，有每1h、每6h、每天不等，每個文件至少包含一天的預測時長。鑒于實時數據流存在的問題，復現系統中采用超快速產品。實際應用中需要考慮產品文件是否按時上傳，這是選擇下載產品文件的首要條件，文件是否按時上傳將直接影響實時應用。此外，文件下載速度和產品文件的大小等因素也要考慮。相同網絡環境下獲取國外分析中心產品文件的速度低于國內分析中心。此外，為保證終端的長期穩定運行，解壓后的產品文件占用硬盤空間大小也是需要關注的因素。

表1從文件大小、更新頻度、產品覆蓋的衛星導航系統等方面比較了歐洲定軌中心(Centre for Or-bit Determination in Europe，CODE)、iGMAS、IGS和武漢大學四家超快速產品，其中選用CODE預報一天的產品(.EPH_P文件)、iGMAS綜合數據分析中心的超快速文件、IGS IGN數據分析中心發布的IGU產品文件，以及武漢大學數據分析中心發布的小時超快速產品文件。

表1 不同機構超快速產品特點對比

2.1 產品文件無重疊時使用方法

以CODE發布的超快速產品為例，每天更新一個文件，數據時標為GPS時間(GPS Time，GPST)。CODE發布兩類軌道(含鐘差)預測文件，一類為預測未來第1天的軌道鐘差值，文件后綴為EPH_P；另一類為預測未來第2天的軌道鐘差值，文件后綴為EPH_P2，選擇使用第一類即可滿足要求。

復現系統內部計算時標采用UTC，因此終端輸出觀測數據時標轉換為UTC。圖2給出了產品文件不重疊時的使用方法?？紤]到UTC與GPST之間當前存在18s的閏秒，第一天的.EPH_P文件的最后一組數據時標為UTC 23h:44m:42s，通過內插15min的軌道和鐘差值，可以得到截止UTC 23h:59m:42s之前時段的軌道和鐘差值。第二天的產品文件的第一組數據時標為第一天的UTC 23h:59m:42s，通過內插可以得到第一天自UTC 23h:44m:42s開始的軌道和鐘差值。因此，相鄰2天的產品文件在UTC 23h:44m:42s～UTC 23h:59m:42s期間均可用，可在此期間完成文件更換。

圖2 產品文件不重疊時的使用方法Fig.2 Method of usage with non-overlapping products files

CODE超快速產品文件均是從當天GPST的零點到23h:45m:00s，看似相鄰文件之間不存在重疊，實際使用中通過內插可以將文件的有效使用時長向前、向后分別延長15min。在相鄰2天產品文件的延長重疊時段完成文件更新即可。

更換文件時間確定后，也就約束了產品文件的下載時間，要求第二天的產品文件在更換之前下載完成。實際中，為保證文件下載成功，超前于文件使用時刻2h啟動下載，間隔一定的時間，如5min，檢測文件是否下載成功。

實際中，CODE提前一天更新后一天的預測文件(周日更新的時間相對較晚)，可以使用連續2天的超快速文件。采用10階拉格朗日多項式對15min一組的衛星位置和鐘差進行內插，內插的頻度為每秒。因此，只需提前1h15min聯合使用后一天的超快速產品文件即可。

2.2 產品文件有重疊時使用方法

以IGS超快速產品為例說明，每天更新4次，每個文件的有效時長為24h。為保證盡可能使用最新的、精度最高的數據，每天定時在文件更新后下載，下載成功后即更換使用新文件，每個文件的實際使用時長約6h。

此情況相對簡單，各文件之間數據存在重疊時段。圖3所示為產品文件有重疊情況下的使用方法，箭頭所示為產品文件的下載時刻，滯后3h更新。更新后即下載，下載成功后使用當前文件中的最近6h數據；等下一個文件上傳后，再下載使用最新文件中的6h數據，依次類推。

圖3 產品文件重疊時的使用方法Fig.3 Method of usage with overlapping products files

2.3 產品文件備用下載

實際應用中，為防止單一數據源產品文件上傳不及時，除了主用下載地址外，還要設置至少1個備用下載地址。在主用下載地址數據失效前切換使用備用地址下載產品文件，當主用地址文件更新后及時切換回來。

此外，主用與備用數據源的時間參考基準要保持一致，這樣才能在切換使用備用地址產品文件后，獲得與主用地址一致性較好的數據，避免出現階躍式跳變。

此外，IGS與iGMAS提供的GNSS產品的數據時標不同，IGS超快速產品時標為GPST，超前UTC 18s;iGMAS超快速產品時標為BDT，超前UTC 4s。而觀測數據以UTC為時標，在使用不同機構的產品數據時，需要考慮不同產品的時標轉換問題。

3 GNSS超快速預報產品的鐘差參考基準

在解算GNSS超快速產品時，數據分析中心和產品綜合中心對鐘差參考基準的處理策略不同。

數據分析中心解算鐘差的策略是先固定某一參考鐘(可以為衛星鐘或接收機鐘)，再確定其他接收機和衛星與參考鐘的相對鐘差。固定參考鐘后，衛星絕對鐘差相對于參考鐘絕對鐘差的差值即為相對鐘差，產品文件中的鐘差均為相對鐘差。因此，各數據分析中心的鐘差產品與選定的衛星鐘和接收機鐘的變化趨勢一致。

產品綜合中心接收各數據分析中心解算的鐘差解，將各數據分析中心的鐘差參考基準統一到廣播星歷的鐘差參考基準或地面保持的時間尺度后，如IGST，再進行加權綜合。使用一次多項式模型表征不同數據分析中心參考基準相對于廣播星歷鐘差參考基準的偏差。因此，產品綜合中心鐘差產品的參考基準與選定的參考基準變化一致。

在嚴格控制主從站在相同時刻使用同一產品文件的情況下，可以忽略產品鐘差參考基準對校準量的影響。但實際中，由于數據處理速度的影響，大部分情況下無法實現嚴格的同步，造成校準量出現跳變。而實時鐘駕馭對校準量的變化非常敏感，為盡可能降低鐘差產品參考基準對復現時頻信號的影響，要求產品參考基準盡可能變化平穩。下面以武漢大學的產品為例，說明主從站使用產品精確同步與不同步情況下對復現結果的影響。

3.1 主從站使用超快速產品精確同步下鐘差參考對鐘駕馭的影響

測試時段：主從站近零基線，2021.4.25 4:00～2021.4.26 7:00，共27h。

測試站點：22號站為基準終端，簡稱主站，工作在測量模式；23號站為復現終端，簡稱從站，工作在駕馭銣模塊模式。主站外接UTC(NTSC)時頻信號，測得星站鐘差為UTC(NTSC)與超快速產品的鐘差參考時間的偏差。

星站鐘差獲取方式：GPS 全視(All-in-View，AV)。

超快產品來源：使用武漢大學IGS數據分析中心的超快速產品，每1h更新一個數據文件。實際使用中為減少數據下載頻度，每6h下載一次，使用最新的數據文件。

從圖4可以看出，由于鐘差產品的參考時間存在單向變化，導致主站的全視星站鐘差存在單向漂移。因UTC(NTSC)變化平穩，可初步推算該產品鐘差參考基準一天漂移約26ns，對應頻偏約為26ns/86400s=3×10s/s。

圖4 主從站星站鐘差數據Fig.4 Clock bias of master and slave stations

在主從站通信網絡理想、兩站下載和使用數據產品的時刻嚴格同步時，主站和從站星站鐘差同時發生跳變，如圖4所示。數據交換后，對應時刻的校準量無跳變，對實時鐘駕馭無影響，如圖5所示。

圖5 主從站同步下的校準數據Fig.5 Correction data when master-slave stations are synchronized

從站星站鐘差變化的總體趨勢與主站一致，不同的是其局部變化相對波動大，主要受鐘駕馭策略的影響。

3.2 主從站使用超快速產品不同步下鐘差參考對鐘駕馭的影響

測試時段：主從站近零基線，2021.4.21 9:00～ 2021.4.22 2:00，共17h。

測試站點：22號站為基準終端，簡稱主站，工作在測量模式；23號站為復現終端，簡稱從站，工作在駕馭銣模塊模式。

星站鐘差獲取方式：GPS 全視(AV)。

超快產品來源：武漢大學IGS數據分析中心。

圖6所示為主從站使用產品文件不同步時的星站鐘差值。從圖6可以看出，在新產品文件更新時，從站使用新文件的時刻滯后于主站使用新文件的時刻，導致兩者校準數據在延遲時段內出現二十幾納秒的跳變，如圖7所示。

圖6 主從站星站鐘差Fig.6 Clock biases of master station and slave station

圖7 主從站不同步下的校準數據Fig.7 Correction data when master-slave stations are nonsynchronized

該跳變量直接影響計算的校準量，駕馭算法對校準量的階躍式變化非常敏感，快速調整銣模塊的頻偏，發生過調現象。二十多納秒的階躍導致出現反向80ns～100ns的振蕩，而后逐漸恢復到穩定狀態。

從3.1節和3.2節的分析可以看出，在鐘差產品參考時間不平穩的情況下，主從站使用產品文件時刻不同步會對實時鐘駕馭造成明顯的影響。實際中，受處理速度等因素的影響，很難保證主從端嚴格同步。因此，在選擇超快速產品文件時，鐘差產品的參考基準是需要考慮的一個重要因素。

要求鐘差產品的參考基準是駕馭后的，例如守時實驗室的時間尺度，維持在恒定值，不能存在明顯的頻偏。例如，可以以衛星導航系統時間為參考，也可以以守時實驗室保持的時間尺度為參考，還可以建立維持一個與守時實驗室時間同步的時間尺度。

4 結論

在全視標準時間復現系統中，采用超快速產品實時改正衛星鐘差和星歷誤差?；诨鶞识撕蛷同F端的星站鐘差值計算校準量，實時駕馭終端內部時鐘。本文詳細討論了超快速產品文件的使用方法和鐘差參考基準對鐘駕馭的影響，得出如下幾點重要結論：

1)實時鐘駕馭與事后處理差別較大，對超快速產品數據的質量要求非常高，應盡量避免校準數據中出現階躍式變化。

2)可以提供超快速產品文件的機構較多，但并不是每家的產品都能滿足鐘駕馭的要求。選擇產品時需要考慮產品的時間參考、產品的下載時間與使用時間等因素。

3)為滿足工程應用，產品文件的大小、下載頻度、下載時間等均是需要考慮的因素。此外，為保證運行的連續性和可靠性，應設置不止一個下載地址，且從主備地址獲取的產品文件中的鐘差數據要求具有相同的參考基準。