基于PPP技術的實時時間頻率傳遞方法性能評估

張杰，鐘世明 ，韓金陽,2，路潤民,2，王軍傲,2

(1.中國科學院 精密測量科學與技術創新研究院，大地測量與地球動力學重點實驗室，武漢 430077；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

高精度時間頻率傳遞技術是時間尺度建立與維持、時間頻率比對和時間同步的關鍵技術之一[1-4]，被廣泛應用在深空探測[5]、全球衛星導航系統、移動通信[6]、智能電網[7]、高速鐵路和雷達成像[8-9]等領域，且精度要求越來越高。目前，高精度時間頻率傳遞方法主要有衛星雙向時間頻率傳遞(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)、光纖雙向時間頻率傳遞、GNSS(Global Navigation Satellite System,GNSS)共視(common view,CV)、GNSS全視(all view,AV)和GNSS 精密單點定位(precise point positioning,PPP)等方法。TWSTFT和光纖雙向時間頻率傳遞是實時時間頻率傳遞方法，TWSTFT的時間傳遞精度優于0.5 ns，頻率傳遞精度優于2×10-15/d[10]，站間基線長度可達幾千km，但需要租用通信衛星，使用成本高，一般用于守時實驗室之間的國際時間比對和協調世界時UTC的計算；光纖雙向時間傳遞方法是精度最高的時間頻率傳遞方法[5,11-13]，已驗證920 km距離的光纖雙向頻率傳遞的頻率穩定度為1×10-18/1 000 s[11]。GNSS共視和GNSS全視主要用于非實時高精度時間頻率傳遞與比對，其中GNSS CV通過數據交換解算站間時差，以實現高精度時間頻率比對[14]；GNSS AV以GNSS系統時間為參考，計算接收機時間與GNSS系統時間之間的鐘差，并使用衛星軌道和鐘差的事后高精度精密產品修正解算鐘差，以實現高精度時間頻率比對，其時間傳遞精度約1～2 ns[15]。

基于GNSS PPP技術的時間頻率傳遞方法，是目前高精度GNSS時間頻率傳遞技術的研究熱點。為了克服GNSS共視和GNSS全視中接收機測量噪聲、多徑誤差等，2007年，P.Defraigne等[16]開展了基于精密單點定位技術(PPP)的時間頻率傳遞方法研究，2009年基于精密單點定位的事后時間頻率傳遞方法正式用于協調世界時/原子時(UTC/TAI)的計算[17]。目前，國內外研究人員[18-20]使用實時衛星軌道和鐘差的改正數產品，實現了實時PPP時間頻率傳遞方法。文獻[18]采用PPP時間頻率傳遞技術和接收機時鐘調節技術實現了GNSS單向授時，天授時精度約1 ns；文獻[19]研究了附加原子鐘隨機模型約束的 PPP 時間傳遞方法,利用IGS實時服務(real time service,RTS)產品，將時間頻率傳遞精度提高了4%～51%不等；文獻[20]實現了基于北斗的廣域高精度時間服務原型系統，天授時精度約1 ns;文獻[21]采用以中國科學院國家授時中心UTSC(NTSC)為參考時間的精密鐘差產品和PPP時頻傳遞技術，實現了亞納秒授時。

本文開展了基于PPP的實時時間頻率傳遞方法研究，首先介紹了PPP時間頻率傳遞的原理；結合高精度時間間隔測量技術，實現時間頻率傳遞設備對衛星導航系統的實時時間比對；開展了零基線和長基線時間頻率傳遞實驗，評估了實時時間傳遞精度和實時頻率傳遞精度。

1 PPP時間頻率傳遞原理

基于PPP的時間頻率傳遞方法已用于高精度時間頻率比對、時間同步等。圖1是論文設計的基于PPP的實時時間頻率傳遞的原理框圖，主要由接收機板卡、PPP實時時差解算模塊、高精度時間間隔測量模塊、實時時差比對模塊和GNSS天線組成。本地時頻系統UTC(k)/UTC(j)提供高精度時間基準和頻率基準，接收機以UTC(k)/UTC(j)輸出的10 MHz時鐘為系統時鐘，利用PPP時差解算技術，實現接收機板卡與導航系統之間的精確時間比對；同時，高精度時間測量模塊，以UTC(k)/UTC(j)輸出的10 MHz時鐘和1 PPS脈沖為時間基準和頻率基準，測量接收機與UTC(k)/UTC(j)的時差，實現UTC(k)/UTC(j)與接收機的實時時間比對；然后，根據測量時差和PPP解算時差，實現UTC(k)/UTC(j)與導航系統之間的實時時間比對；最后，實時時差比對模塊根據UTC(k)與導航系統之間的比對時差以及UTC(j) 與導航系統之間的比對時差，實現UTC(k)和UTC(j)的實時時間頻率比對。

圖1 基于PPP的實時時間頻率傳遞原理框圖

1.1 實時PPP時差解算

PPP時差解算技術用于實現接收機與導航系統之間的精確時間比對，采用精密軌道和鐘差產品改正衛星端誤差，對雙頻率觀測值進行組合，消除電離層一階項的影響(高階項可以忽略)，通過參數估計得到接收機位置、速度、接收機鐘差、對流層延遲和模糊度等參數，其觀測方程為:

(1)

(2)

實時PPP時差解算中，利用各IGS/iGMAS等分析中心實時播發的衛星軌道和鐘差改正數SSR(state space representation，SSR)，對廣播星歷中的衛星軌道和鐘差進行修正，得到精密衛星軌道和鐘差。目前，改正數SSR一般以RTCM (radio technical commission for maritime service)格式或者IGS格式通過Ntrip、TCP/IP等協議對外播發。

1.2 高精度時間間隔測量

為了實現UTC(k)與導航系統的實時精確時間比對，需要實時精確測量UTC(k)時間信號與GNSS接收機時間信號的相位差，然后根據1.1節PPP實時解算時差，得到UTC(k)與導航系統的實時時差。論文中采用數字延時線技術[21]，實時測量UTC(k)與接收機之間的時差。

圖2中1 PPSX是待測的秒脈沖信號，X代表是UTC(k)、UTC(j)、GNSS接收機中某一個系統輸出的1 PPS脈沖，10 MHz時鐘是UTC(k)或UTC(j)時頻系統輸出的10 MHz時鐘。圖2中預判及監測模塊，選出所需1 PPSX脈沖并產生開始信號，同時產生一個脈沖信號作為時間間隔測量電路的結束信號，以測量1 PPSX脈沖在本地時間系統的時刻。

圖2 基于FPGA數字延時線的時間間隔測量原理框圖

根據圖2所示的時間間隔測量原理框圖，采用兩個相同的時間間隔測量電路，實時測量UTC(k)輸出1 PPS、GNSS接收機輸出1 PPS與10 MHz時鐘的相位差，由于采用同源10 MHz參考時鐘，可得到UTC(k)輸出1 PPS與GNSS接收機輸出1 PPS的實時相位差，其測量精度優于0.1 ns[22]，相位差計算公式為

ΔtGUPPS=ΔtG10M-ΔtU10M。

(3)

式(3)中:ΔtG10M是接收機輸出1 PPS脈沖在高精度時間間隔測量模塊以氫鐘10 MHz時鐘建立的本地時間系統的時刻，ΔtU10M是UTC(k)(或者UTC(j))輸出1 PPS脈沖在高精度時間間隔測量模塊以氫鐘10 MHz時鐘建立的本地時間系統的時刻，由于都是相對于高精度時間間隔測量模塊的本地時間系統，二者差是UTC(k)(或者UTC(j))系統1 PPS脈沖與接收機輸出1 PPS的時差。

根據公式(2)和(3)，UTC(k)(或者UTC(j))與導航系統的時差為

Δt=δtr+ΔtGUPPS,

(4)

式(4)中:δtr是利用PPP實時時差解算技術得到的接收機相對于導航系統的時差，ΔtGUPPS是接收機輸出1 PPS脈沖與UTC(k)(或UTC(j))輸出1 PPS脈沖的時差。

2 時間頻率傳遞實驗及精度分析

為了驗證基于PPP的實時時間頻率傳遞方法性能指標，筆者采用自己研制的時間頻率傳遞設備(TFT_P01)，開展了零基線和長基線時間頻率傳遞實驗，以評估基于PPP的實時時間頻率傳遞方法的性能指標，圖3是時間頻率傳遞設備的實物圖。

圖3 PPP時頻傳遞設備(TFT-P01)實物圖

2.1 零基線時頻傳遞實驗

設計了如圖4所示的零基線時間頻率傳遞實驗原理框圖，圖4中VCH1008氫原子鐘的10 MHz時鐘和1 PPS脈沖同時輸出給時間頻率傳遞設備1號和2號，由于兩個同步設備采用相同的時間基準和頻率基準，可消除不同原子鐘自身頻率漂移不同引入的時間比對誤差，以便準確評估研制的時間頻率傳遞設備TFT_P01的時間傳遞精度和頻率傳遞精度。開展零基線時頻傳遞實驗的時間是2021年8月24日，實驗時采用的實時精密產品是SSRA00GFZ0，觀測數據是GPS的偽距和載波相位觀測數據。圖5是時間頻率傳遞設備1號和2號內部高精度時間間隔測量模塊測得接收機輸出1 PPS脈沖信號與氫鐘輸出1 PPS信號的時間差ΔtGUPPS。圖5中1號設備和2號設備的時間測量數據的標準差分別為0.073 ns和0.058 ns，由于氫原子鐘未與導航系統同步，1號設備和2號設備的時間測量數據的均值分別為-639 595 910.4 ns和-639 596 008.5 ns，兩均值相差98.1 ns，該相位差主要是因為VCH1008氫鐘輸出1 PPS脈沖至時頻傳遞設備的連接同軸電纜長度不同，其長度相差約20 m。另外，零基線時頻傳遞實驗采用同源10 MHz時鐘和同源1 PPS脈沖，且時頻傳遞設備、GNSS天線和饋線相同，因此，外界因素引入的時延變化基本相同，故兩臺設備測量的接收機輸出1 PPS與氫鐘輸出1 PPS脈沖的相位差波動很小。

圖4 基于PPP的零基線實時時間頻率傳遞實驗原理框圖

采用圖4所示的零基線實驗原理框圖，實時時間傳遞誤差如圖6所示，時間傳遞精度為0.054 ns，時間傳遞誤差的峰峰值為0.37 ns。圖7是實時頻率傳遞的穩定度曲線，其中帶圓圈標志的曲線是基于PPP的實時頻率傳遞穩定度曲線，帶正方形標志的曲線是使用的VCH1008氫原子鐘的頻率穩定度曲線。使用不同原子鐘作為時間頻率傳遞設備的時鐘源時，頻率傳遞穩定度由兩臺設備連接的參考原子鐘中頻率穩定度較差的原子鐘輸出時鐘頻率穩定度決定，而共鐘零基線實驗可消除時鐘源輸出時鐘頻率穩定度對頻率傳遞穩定度的影響，頻率傳遞穩定度由PPP頻率傳遞技術自身的頻率穩定度決定。從圖7可知，時間間隔小于8 000 s時，基于PPP技術的實時頻率傳遞穩定度比VCH1008氫鐘的頻率穩定度差；時間間隔大于8 000 s后，基于PPP技術的實時頻率傳遞穩定度優于VCH1008氫鐘的頻率穩定度，且基于PPP技術的實時頻率傳遞的長期穩定度可達8.20×10-16/32 768 s。

圖6 零基線實時時間傳遞誤差

圖7 零基線實時頻率傳遞穩定度曲線

2.2 長基線時頻傳遞實驗

長基線時間頻率傳遞實驗的原理框圖如圖8所示。兩臺CH1-95氫鐘輸出的1 PPS脈沖和10 MHz時鐘分別作為1號和2號時間頻率傳遞設備的時間基準和頻率基準，其中1號時間頻率傳遞設備放在武漢某實驗室，2號設備放在咸寧某實驗室，站間基線長度約129 km。實時時間頻率傳遞中需要獲取實時精密產品，然而網絡堵塞、中斷等情況會出現無法獲取實時精密產品情況。因此，論文中選擇了2021年1月21日至24日期間沒有中斷情況的測試數據，時間頻率傳遞設備采用的實時精密產品是SSRA00GFZ0，使用GPS原始觀測數據和PPP技術，實時解算本地設備時差，最后根據兩個設備的實時解算時差以及氫鐘1 PPS脈沖與接收機輸出1 PPS脈沖的相位差測量數據，得到兩地氫鐘的實時時差。

圖8 基于PPP的長基線實時時間頻率傳遞實驗原理框圖

基于圖8所示的實驗原理，開展了長基線時間頻率傳遞實驗，共測試4 d。時間頻率傳遞設備的時間基準和頻率基準均由兩臺不同的CH1-95氫原子鐘提供，然而氫原子鐘輸出10 MHz時鐘信號存在頻率漂移，故兩臺氫鐘存在一定的頻率偏差，因此分析時間傳遞精度和頻率傳遞精度時，需要扣除氫原子鐘的頻率漂移。由于測試時間較短，論文僅扣除了初始相位偏差和頻率偏差，暫未考慮氫原子鐘一階、二階及高階頻率漂移。為了確保長基線實時時間頻率傳遞實驗結果的可信度，采用IGS播發的事后高精度軌道和鐘差改正數產品，解算武漢-咸寧兩臺氫原子鐘之間的時間比對誤差。同時，基于實時時間傳遞模式解算武漢-咸寧兩臺氫原子鐘之間的時間比對誤差，且采用事后模式解算得到的兩臺原子鐘的比對時差來擬合兩臺氫原子鐘之間的頻率偏差。圖9是扣除兩氫原子鐘之間的頻率偏差后時間傳遞誤差曲線，其中紅色曲線是長基線實時時間傳遞誤差曲線，時間傳遞誤差的標準差和峰峰值分別為0.13 ns和0.89 ns；藍色曲線是長基線事后時間傳遞誤差曲線，時間傳遞誤差的標準差和峰峰值分別為0.11 ns和0.85 ns。圖10是扣除頻率偏差后的實時頻率傳遞穩定度曲線，測量時間間隔為65 536 s，對應的實時頻率傳遞穩定度為9.35×10-16(修正Allan標準偏差)。

圖9 武漢-咸寧長基線實時和事后時間傳遞精度

圖10 武漢-咸寧長基線實時頻率傳遞穩定度

3 結語

論文分析了基于PPP的時間頻率傳遞原理，利用研制PPP實時時間頻率傳遞設備，設計了零基線、長基線實時時間頻率傳遞實驗，以驗證PPP實時時間傳遞精度和頻率傳遞精度。零基線實驗中實時時間傳遞精度為54 ps，峰峰值為0.37 ns；長基線實驗中實時時間傳遞精度為0.13 ns，峰峰值為0.89 ns。兩個實驗的實時頻率傳遞穩定度如表1所示。

表1 基于PPP技術的實時頻率傳遞穩定度(修正Allan標準偏差)

由表1可知，零基線情況下，基于PPP的實時頻率傳遞長期穩定度達到8.20×10-16/32 768 s，與主動型氫原子鐘的長期穩定度相當。長基線時間頻率傳遞實驗中，測試時間4 d，穩定度分析中僅扣除比對時差的一階項，即兩氫原子鐘之間的頻率偏差。然而，兩臺氫原子鐘的使用環境不一樣，且沒有使用專門的溫度、濕度和氣壓控制箱來穩定氫原子鐘使用環境的溫度、濕度和氣壓等環境參數，導致氫原子鐘輸出頻率存在一定的非線性頻率漂移，故二者的頻率偏差也存在非線性波動，且氫鐘原子鐘的非線性頻率漂移將影響基于PPP技術的長基線實時頻率傳遞穩定度，所以長基線實時頻率傳遞的穩定度明顯低于零基線共鐘情況下的實時頻率傳遞穩定度，特別是頻率傳遞的長期穩定度。

上述兩個實時時間頻率傳遞實驗，論證了基于PPP技術的實時時間傳遞的時間傳遞誤差峰峰值優于0.89 ns(標準差為0.13 ns)，實時遠基線頻率傳遞長期穩定度達到9.35×10-16/65 536 s，可用于亞納秒遠距離實時時間比對、高精度頻率傳遞等應用領域。