標準時間遠程復現系統的不同比對技術對比分析

韓松岳，劉婭，王嘉琛，陳瑞瓊，許龍霞，李孝輝

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隨著各行業對高精度標準時間的需求增加，國家標準時間傳遞的準確性、穩定性和時間同步一致性成為時間頻率領域的研究重點。部分用戶需要權威且高精度的國家標準時間，卻沒有條件直接接入中國科學院國家授時中心所保持的UTC(NTSC)。目前國家授時中心設計研制的精度高、體積小、成本低的標準時間復現設備就是為了滿足上述用戶的需求。銣原子鐘是二級頻標，它的造價相對于氫鐘和銫鐘較低，長期穩定性相對于晶振較好。工程實現上，因為銣鐘能夠小型化，所以復現設備采用銣鐘作為頻率源。

依托中國科學院國家授時中心保持的國家標準時間UTC(NTSC)，基于衛星共視與全視的比對原理，建成了標準時間遠程復現系統，可以實現用戶本地復現時間與UTC(NTSC)偏差小于5 ns[1]。復現系統由基準站、用戶站和數據處理中心三部分組成，基準站位于陜西臨潼，接入待復現的標準時間信號，用戶站位于測試基線的另一端，于用戶所在地進行標準時間信號復現試驗，利用GNSS信號和時間間隔計數器結合衛星共視和全視原理，按規定周期生成本地參考時間與各個衛星鐘或系統時間的偏差，通過數據傳輸網絡實時交換數據，生成各復現終端時間與標準時間的偏差，用于控制本地時間，使其與標準時間保持同步[2]。將用戶站與基準站并址安裝在陜西臨潼時，測量基線為零基線條件，系統的測量誤差最小，標準時間的復現性能主要由對時鐘源的駕馭性能決定；當基線拉長，可以通過對比試驗，檢驗基于共視和全視模式下實現標準時間復現的性能差異，為用戶選擇最優方式提供依據。本文以銣鐘作為時鐘源分別開展了復現設備的零基線測試和中基線測試，地點分別在陜西臨潼國家授時中心和海南三亞測試站(1 774 km)。

1 共視與全視基本原理

共視與全視是遠距離時間傳輸的重要方法，但是兩種方法適用范圍有所差異。其基本原理都是靠測站接收衛星信號計算鐘差，從而實現時間傳輸與比對。共視方法要求兩站同一時刻觀測到同一顆衛星并計算星站鐘差，通過差分減小比對誤差的影響；全視方法利用第三方鐘差、軌道產品修正后，計算接收機時鐘與GNSST系統時差值。經典的共視和全視比對方法不能完全滿足標準時間復現系統對實時性、可靠性需求，應用時進行了適應性改進。

1.1 共視法基本原理

利用共視法計算A、B兩地觀測站的時差，需要兩地用戶在同一時刻測量本地鐘與相同衛星鐘的時間差。對于同一顆衛星的星載鐘,它與兩觀測站的時差為：

ΔTAS=TA-TS-dA,

(1)

ΔTBS=TB-TS-dB,

(2)

式(1)和(2)中，TA、TB、TS分別表示A站時鐘、B站時鐘和衛星時鐘的時間，dA與dB為衛星到A和B站的路徑延遲。那么A和B站鐘差可以用ΔTAS與ΔTBS做差得到，即：

ΔTAB=ΔTAS-ΔTBS= (TA-TB)-(dA-dB)。

(3)

此時得到的兩站鐘差的計算公式中，TS通過運算抵消，這樣能夠消除傳播路徑上的共同誤差，從而實現兩地的時間比對[3-4]。

最早的GPS共視法于1980年由美國的D.W.Allan等[5]提出,幾年后國際上多數時頻實驗室很快便具備了GPS共視時間比對的能力,從而大幅提高了UTC計算的精度[6]。經典共視方法標準中，16 min為衛星共視周期，其中13 min用于觀測，1 min用于觀測準備，2 min用于數據處理[7]。為滿足復現系統的實時性和不間斷的時間比對，以及駕馭不同類型振蕩器的需求，需要靈活共視周期、無間斷的比對數據，所以復現系統設計基本觀測周期為1 min，可以設置為其整數倍，比如5 min，10 min等。

1.2 全視法基本原理

若A站和B站在ti時刻分別能夠觀測到m顆星和n顆星，則A站、B站與GNSST的時差可以表示為：

(4)

(5)

式(4)和(5)中，rk和rj為權值，受衛星高度角影響。將兩式相減得到A、B兩站的鐘差值：

(TA-TB)ti=(TA-TGNSS)ti-(TB-TGNSS)ti。

(6)

2004年,國際權度局(BIPM)的Jiang zhiheng和G.Petit提出了可以突破基線限制的GPS全視時間比對,隨著比對兩站幾何基線的增大,全視方法相對共視法的優勢越來越明顯[6]。2007年江志恒[8]給出了不同基線下共視與全視的觀測歷元數，在600 km基線長度下共視法與全視法基本具有相似性能，當處于17 000 km的超長基線下，全視法的觀測歷元有3 085個，共視只有150個，證明全視在基線長度的限制比共視小。另外，因為實時性的要求，全視數據在產品選擇上也需要兼顧精度和快速更新兩個方面?？焖傩菤v的鐘差精度能夠達到75 ps，比超快速預測產品的3 ns和超快速實測產品的150 ps精度更高，但是快速星歷發布滯后17～41 h，超快速實測產品滯后約3～9 h，均無法滿足實時性要求[9]。所以在遠程復現系統中，選擇滿足實時應用的超快速預報產品，數據每6 h更新一次[10]。

2 共視與全視復現性能對比方案設計

本文設計了以銣鐘為頻率源的兩組試驗，在支持BDS/GPS多頻點信號的雙模復現系統中進行了零基線和中基線復現試驗。試驗主要目的是對比全視與共視模式下標準時間復現效果，比較實時條件下GNSS共視和全視馴服銣鐘的性能差異，為系統性能優化提供支持。試驗結合可用資源條件，選擇了陜西臨潼和海南三亞兩個典型地點。

2.1 零基線時間復現方案及結果

為了測試零基線復現效果，通過系統采集基準端與復現端1 PPS時差，并對比全視和共視模式下的標準差、峰峰值及Allan標準偏差。依據圖1所示原理，于2020年8月7日至8月8日在臨潼進行零基線共視測試，于2021年3月2日至3月3日進行零基線全視測試，圖2為零基線銣鐘共視和全視比對數據，分析結果如表1所示。標準差反映數據的離散程度，峰峰值表明測量周期內最大和最小值的變化范圍，均為衡量數據波動情況的重要指標。

表1 零基線復現結果分析表

圖1 復現方案原理圖

圖2 零基線銣鐘共視和全視比對數據

實測結果顯示，零基線模式下，共視與全視標準差相當，因為兩種方法的可視衛星數相當。當共視和全視周期為60 s，測試時間持續約24 h，那么實際得到數據約1 440 個，無法分析秒穩定度，只能計算采樣間隔大于60 s的Allan標準偏差。圖3反映的是零基線復現信號的頻率穩定度，兩條圖線分別表示共視和全視模式。采用取樣間隔τ>60 s的Allan標準偏差表征，圖中具體數據如表3的第2和第3列所示。

圖3 零基線銣鐘共視和全視Allan標準偏差

2.2 中基線時間復現方案及結果

為了評估中基線標準時間復現效果，選取海南三亞作為復現地點，搭建復現終端設備，以陜西臨潼為基準終端站點，連接國家標準時間UTC(NTSC)，臨潼至三亞基線長度為1 774 km。測量原理與零基線相同，中基線全視測試時間為北京時間2020年9月26日17:00:10至2020年9月27日18:40:10，共視測試時間為北京時間2020年9月25日14:40:10至2020年9月26日16:40:10，測控周期為60 s，實驗保證連續測量24 h。將共視和全視的時差數據經過粗差剔除處理，結果如圖4所示；具體波動情況見表2，共視數據的標準差為1.23 ns，峰峰值為6.48 ns；全視數據的標準差為3.19 ns，峰峰值為16.3 ns。由標準差和峰峰值可見，實測共視模式比全視模式更穩定，波動較小。

圖4 中基線銣鐘共視和全視數據

表2 中基線復現結果分析表

與零基線數據類似，當測控周期為60 s，實際得到數據約1 440 個，短期穩定度無法評估，仍然計算采樣間隔大于60 s的Allan標準偏差。結果如圖5所示，中基線共視模式下的頻率穩定度同樣比全視更加穩定，具體數值見表3的第4列和第5列。

圖5 中基線共視和全視Allan標準偏差對比

2.3 實測結果比較分析

總結2.1和2.2節的試驗結果，將Allan標準偏差匯總在表3，能夠得到如下結論：從不同基線來看，基線越長，復現信號與標準時間的偏差起伏越大，因為加長基線導致誤差影響變大,共視或全視比對誤差的主要來源有衛星鐘、軌道、電離層、對流層影響、天線相位中心偏差以及多徑效應等。從測量模式對比，理論上，零基線條件下，全視與共視的復現效果應相當，基線越長，全視的性能優勢應越明顯。

表3 零基線、中基線共視和全視穩定度比對

當前國際上普遍采用不確定度評估時間比對方法的性能，在此本文對復現系統共視和全視模式下的不確定度進行估算。整個比對過程中影響精度的主要有與衛星相關的誤差，如星鐘誤差，衛星的軌道誤差；傳播過程中的誤差，如電離層、對流層誤差；還有接收機誤差等。按照主要誤差來源結合實測數據和經驗參數，給出各自的不確定度估計。因為共視比對將衛星時鐘作為中間量抵消掉，所以衛星共視的星鐘誤差影響可忽略[11-12]。表4為全視和共視的不確定度來源。

表4 全視和共視不確定度來源比對

假設上述各項誤差是統計獨立的，則可以估計全視和共視時間比對的合成不確定度分別為3.19 ns和1.54 ns：

(7)

(8)

綜上所述，當前系統條件下，在千千米基線上，共視模式比全視模式能獲得更高的性能。進一步分析原始數據發現，基于超快速預報產品的全視實時比對，由于依賴第三方平臺提供服務數據，應用過程中，存在部分觀測周期未能獲得有效的星歷數據問題，導致觀測結果誤差修正不完整,出現測量結果跳變。為解決上述問題，計劃下一步通過優化數據處理邏輯、升級處理器能力和支持多渠道星歷產品等方式，改進系統能力。

3 結語

本文所基于的標準時間復現系統，突出特點在于其實時性。在零基線和1 774 km中基線的共視和全視時間復現試驗中，驗證了復現性能與基線長度的相關性，基線越長復現終端和基準終端受測量誤差影響越大。通過共視和全視兩種方法的復現對比分析，反映出當前系統存在的不足，并為下一步系統優化提出了建議解決方案。

本文試驗的基線長度只選擇了0 km和1 774 km，但是根據相關論文，全視在長基線條件下數據可用率比共視數據可用率更高，在更長基線條件下，較共視模式有顯著優勢[9]。因為客觀原因，目前還不具備在海外開展更長基線實驗的驗證，共視和全視的復現效果差異有待進一步驗證。

在后續的工程規劃中，除了現有的晶振和銣鐘分別作為復現設備的時鐘源，晶振與銣鐘鎖相輸出1 PPS信號也將作為復現終端時鐘源進行實驗。鎖相環作為產生、輸出周期信號的電子控制環路，通過不斷地調整輸出信號的相位使其與輸入信號相位時刻保持一致[13]。如果鎖相環調節后精度有所改善，其輸出的穩定度能夠分別相比銣鐘和晶振復現效果有所提高，時差數據波動更小，則有可能為精度需求更高、使用場景更廣泛的用戶提供服務。