基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統設計與實現

武美芳，董孝松

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.山東理工大學，淄博 255000)

0 引言

時間是自然界中基本物理量之一[1]，高精度的時間服務攸關國家安全，也是國計民生中不可或缺的一部分。時間服務系統需溯源至國家標準時間，這是國際電信聯盟對時間服務系統的要求[2]。由中國科學院國家授時中心負責產生、保持和發播的UTC(NTSC)(coordinated universal time,UTC;National Time Service Center,NTSC)是我國的國家標準時間，也是國際標準時間UTC在我國的物理實現之一[3]。目前， GNSS授時因其10～50 ns較高的時間服務精度，廣泛的信號覆蓋，已成為使用最多的時間服務技術之一。

科學研究、工業應用等領域的快速發展對時間服務提出了更高的要求，精度從納秒級逐步到亞納秒級，時效性從事后到實時。目前已有的時間服務精度以及事后的工作模式已無法滿足需求。因此，越來越多的機構和學者致力于研究高精度的、實時的時間服務系統。

2012年，Xu Longxia等[2]提出了基于共視原理的衛星授時方法，基于該方法可獲得優于5 ns的實時時間服務精度，該系統包括地面監測站、上行注入站、通信衛星等組成部分。2015年，歐盟[3-4]發起了“Horizon 2020”研究計劃， 并設計了“時間監測與控制”模塊。該模塊下，服務端利用事后PPP(precise point positioning)技術每小時向用戶發送用戶鐘和UTC(k)之間的時間偏差。由于利用了事后PPP技術，該模塊提供的時間服務滯后1 h。2019年，Guo Wenfei等[5]搭建并測試了高精度實時GNSS單向授時系統，該系統基于一個新的時間參考實現，而不是國家標準時間，該系統輸出了天穩優于1 ns的1 PPS信號。2021年，Wu Meifang等[6]研究并搭建了基于UTC的單向GNSS時間服務系統，該系統基于PPP技術實現，因此，只能為用戶提供單一的定時模式。

UTC(NTSC)是我國國家標準時間，為時間服務提供基準。國際GNSS監測評估系統(international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)是我國倡導和建立的一套系統[7]，旨在建立GNSS全球跟蹤網，并生成各類高精度產品，例如精密星歷、衛星鐘差等，服務于科學研究和各類應用。本文利用UTC(NTSC)物理信號和iGMAS提供的數據及相關產品，設計并實現了亞納秒級實時時間服務系統?；谠撓到y，用戶可根據自身需求，選擇PPP或實時動態這兩種不同的定時解算模式，以獲得亞納秒級的實時國家標準時間服務。與此同時，該系統實現簡便，利于推廣應用。

1 系統原理

如圖1所示，基于iGMAS的亞納秒級時間服務系統包括衛星端、服務端、用戶端和通信網絡。外接UTC(NTSC)信號的基準站、iGMAS跟蹤網、國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)跟蹤網和數據分析處理中心共同構成了服務端。用戶端由GNSS接收機和定時解算模塊構成。系統基本原理為：以iGMAS作為平臺，建立GNSS與UTC(NTSC)的緊密聯系，用戶通過多種定時模式，實時獲得本地時鐘與UTC(NTSC)的偏差，從而實現精密時間服務，預期靜態時間服務精度達到亞納秒量級。

圖1 基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統工作原理

根據用戶站與基準站間形成的長度不同的基線，用戶端可選擇PPP定時模式或實時動態定時模式，解算本地鐘與國家標準時間UTC(NTSC)的鐘差，以完成時間服務過程。

1.1 服務端

從圖1可知，當用戶端采用PPP定時模式時，以UTC(NTSC)為參考的，高精度實時衛星鐘差產品是基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統實現的關鍵前提保證。當前部分iGMAS和IGS分析中心已經實現了厘米級實時衛星軌道(MEO/IGSO衛星)和百皮秒級實時衛星鐘差產品的產生與播發[8]。但是，實時衛星鐘差產品存在兩方面不足：① 衛星鐘差產品的參考基準不連續、不固定，只能用來進行定位(基準偏差被接收機鐘差吸收)，不能用于定時；② 基于實時流產生與播發，對網絡通訊依賴性較大，可靠性較差[9]。因此，高精度的以UTC(NTSC)為參考時間的實時鐘差是該系統實現的基礎。

基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統采用了基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法生成高精度實時鐘差，且該實時鐘差的參考時間為UTC(NTSC)。一方面，以UTC(NTSC)為基準的實時鐘差產品克服了由于鐘差產品基準不連續而導致的時間服務結果不連續的問題，另一方面利用高頻觀測文件實現實時鐘差算法，而不是常用的實時觀測數據流，使實時鐘差產品的可靠性和可用性得到提高?；诟哳l觀測文件拼接的實時鐘差確定算法，在鐘差估計的基礎上進行超短期鐘差預報，以確定實時衛星鐘差。目前iGMAS和IGS提供的觀測文件，根據時長，可分為天文件、小時文件和15 min文件。天文件時延太長，因此，基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定方法可根據更新周期選擇小時文件或15 min文件。

基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法充分考慮時鐘建模，采用15 min或小時更新的文件形式觀測數據生成實時精密鐘差產品，并利用外接UTC(NTSC)主鐘1 PPS和10 MHz信號的接收機，將鐘差產品的參考時間固定為UTC(NTSC)。根據衛星鐘的運行特性進行建模，進而實施衛星鐘差超短期預報，采用文件的形式向用戶播發。

在星鐘差解算的過程中，首先，設置外接UTC(NTSC)信號的基準接收機，需精確測量連接鏈路的設備時延。其次，實時星鐘差解算時，包含基準接收機數據，并將基準接收機固定為衛星鐘差基準，解算其他各星鐘相對于該基準的鐘差。此時，生成以UTC(NTSC)為參考時間的衛星鐘差。

另外，基于高頻觀測文件拼接的實時鐘差確定算法還包括超短期鐘差預報。數據質量控制是鐘差預報中不可或缺的部分，例如：粗差探測及修復、鐘跳探測及修復[10-11]等。由于生成的實時鐘差更新頻率較快，系統采用了Huang Guanwen等[12]提出的自適應鐘差預報模型進行超短期預報，此處不再贅述。

鐘差預報生成了高精度的文件格式的實時鐘差產品。為了滿足實時用戶需求，可將其生成狀態空間表示 (state space representation，SSR)格式的廣播星歷改正數，并通過BNC軟件播發。需要明確的是，廣播星歷鐘差并沒有修正相對論效應，而生成的文件格式的實時鐘差產品已精確修正相對論效應，因此需要將其二者相匹配后再進行播發。

1.2 用戶端

考慮到不同用戶站與基準站間形成基線長度各異，基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統設計時，在用戶端提供兩種定時模式。當基線較長時，用戶端利用PPP定時模式，解算本地鐘與UTC(NTSC)的鐘差，完成時間服務過程。當基線較短時，用戶端利用實時動態模式，解算本地鐘與UTC(NTSC)的鐘差。

1.2.1PPP定時模式

服務端將基于UTC(NTSC)的實時衛星鐘差廣播至用戶端。用戶端接收實時衛星鐘差產品、實時衛星軌道、測站坐標等，利用式(1)和(2)，基于非差消電離組合，生成用戶端本地鐘相對于UTC(NTSC)的時間偏差，完成時間服務。

(1)

(2)

1.2.2實時動態定時模式

實時動態定時模式借鑒了實時動態(real-time kinematic，RTK)定位思想，在基線較短(通常小于100 km)的情況下，利用碼偽距和載波相位觀測值，用戶站和基準站之間進行站間單差，得到用戶站本地鐘與基準時間之間的時間偏差，從而實現定時。實時動態定時模式有3個顯著優勢：① 僅使用廣播星歷，不再依賴實時精密軌道和鐘差產品；② 因為使用了載波相位觀測值，可達到亞納秒的定時精度；③ 該方法所需收斂時間較短，且原理簡單并易于實現。

基準站接收機和用戶站接收機均實時接收GNSS偽距和相位觀測數據，如式(3)和(4)所示。

(3)

(4)

基準站將接收到的GNSS觀測數據通過網絡實時轉發給用戶端定時模塊。用戶端定時模塊將用戶端觀測數據與基準站觀測數據做站間單差，如式(5)和(6)所示。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，站間單差觀測值中消除了衛星端相關誤差項，例如衛星鐘差、衛星端硬件延遲等。當兩測站間基線較短(例如30 km以內)，空間相關性較強的誤差項，例如，電離層延遲、對流層延遲等也可忽略。但是，接收機天線相位中心需要修正。

2 系統設計

我國國家標準時間UTC(NTSC)中長期穩定度為10-15～10-16量級[2]，由國家授時中心負責產生、保持和發播。與此同時，國家授時中心還擁有iGMAS跟蹤站之一、 iGMAS分析中心和數據中心之一，為基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統的搭建提供了便利條件。

如圖2所示，跟蹤網、分析處理服務平臺、播發平臺及用戶平臺共同構成了基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務原型系統。其中，分析處理服務平臺有服務器及分析處理軟件；播發平臺包括CASTER、BNC等軟件；用戶平臺包括全球分布的各種類型的接收機；跟蹤網包括IGS/iGMAS跟蹤站，以及外接UTC(NTSC)的基準站。

圖2 基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務原型系統

外接UTC(NTSC)信號的基準站設置于國家授時中心，記為XIA6，并精密測定連接鏈路時延。根據用戶站與基準站形成的基線長度不同，設計PPP和實時動態兩種定時模式?；鶞收炯坝脩粽拘畔⑷绫?所示。

表1 基準站與用戶站信息表

當用戶端采用PPP定時模式時，系統流程為：

① 基準站接收機接入UTC(NTSC)物理信號，包括1 PPS和10 MHz，需精密測量連接鏈路時延；

② 利用iGMAS/IGS發布的小時觀測文件，分析處理平臺生成實時軌道及基于UTC(NTSC)的實時星鐘差產品；

③ 播發平臺歸算實時鐘差和軌道改正數，并利用CASTER軟件，將其播發給用戶測試平臺，實時改正數記為TEST0；

④ 用戶測試平臺一方面接收TEST0改正數，另一方面獲取實時觀測數據和廣播星歷， 基于PPP模式，計算本地站鐘與UTC(NTSC)的時間偏差。

當用戶端采用實時動態定時模式時，系統流程如下：

① 基準站接收機接入UTC(NTSC)物理信號，包括1 PPS和10 MHz，需精密測量連接鏈路時延；

② XIA6將觀測數據發送至各用戶站；

③ 各用戶站利用收到的XIA6觀測數據和自身觀測數據，做站間差分；

④ 結合廣播星歷，解算用戶站本地時鐘與基準站UTC(NTSC)的偏差，完成定時。

3 系統測試

利用iGMAS或IGS發布的快速鐘差和軌道產品，GPS PPP站間時間比對精度(標準差)可達0.1 ns。因此，可利用其作為“真值”來評估原型系統提供的實時時間服務精度。本文采用基準站和各用戶站之間的事后PPP時間傳遞結果，對原型系統展開評估。評估步驟如下：

① 原型系統利用PPP和實時動態兩種定時模式，分別提供時間服務，用戶站歸算本地鐘與UTC(NTSC)的時間偏差；

② 基于iGMAS或IGS發布的快速鐘差和軌道產品，利用PPP手段，生成用戶站與基準站之間的鏈路時間比對結果?；鶞收就饨覷TC(NTSC)信號，因此，用戶站與基準站之間的鏈路結果即為用戶站與UTC(NTSC)的事后時間比對結果；

③ 結果①和結果②做差，并進行統計，即為原型系統時間服務精度評估結果。

通常，授時誤差包含A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度也稱為抖動，常用標準差表示。B類不確定，也稱為偏差，可通過校準的方式扣除。在本文中，涉及的時間服務精度均指A類不確定度，采用標準差表示。

3.1 PPP定時模式測試

依據評估方法，圖 3顯示了用戶測試平臺中3個用戶站CAP1、WTZR和BRUX 年積日(day of year,DOY)2021-48/2021-54共7 d的實時在線評估結果，其中，BRUX在DOY54由于數據中斷，沒有結果。

圖3 原型系統各用戶站連續7 d時間服務精度評估結果(PPP定時模式)

從圖3可以看出，7 d 連續的評估結果顯示，各用戶站的時間服務評估精度為：CAP1為 0.92 ns，WTZR為0.75 ns，BRUX為0.83 ns，各用戶站起伏范圍在4 ns以內。與此同時，WTZR和BRUX所有天和CAP1絕大多數天的單天時間服務精度評估結果均優于1 ns。

對圖3中各用戶站時間服務精度評估結果進一步分析，包括各用戶站多路徑誤差和各用戶站與基準站形成的基線長度。如表2所示，各用戶站評估精度與其多路徑誤差強相關。這是因為，原型系統采用PPP模式進行時間服務時，觀測數據的多路徑誤差會影響PPP解算結果。而用戶站與基準站之間形成的基線長度，對PPP模式影響甚微。從上述分析可以看出，原型系統時間服務精度的主要影響因素為用戶站觀測數據質量。另外，衛星鐘差和軌道精度也是影響原型系統時間服務精度的一個重要因素。

表2 用戶站連續7 d評估精度、平均多路徑誤差及與基準站形成的基線長度

3.2 實時動態定時模式測試

依據評估方法，圖4顯示了用戶測試平臺中使用實時動態定時模式的2個用戶站XIA9和CAP1 年積日2021-122/2021-128共7 d的實時在線評估結果。

圖4 XIA9和CAP1站連續7 d時間服務精度評估結果(實時動態定時模式)

如圖4所示，利用實時動態定時模式獲得時間服務結果與事后PPP時間傳遞結果符合較好。XIA9和基準站XIA6形成超短基線，XIA9-UTC(NTSC)的評估結果在0.5 ns范圍內波動，STD為0.09 ns，平均值為0.098 ns。XIA6和XIA9兩臺接收機天線相位中心修正值之差為0.026 m，接近XIA9-UTC(NTSC)的評估結果均值。CAP1與XIA6形成短基線，CAP1-UTC(NTSC)時間服務結果，同樣在0.5 ns以內起伏，STD為0.12 ns。利用實時動態定時模式完成時間服務時，評估結果起伏波動的主要原因可能為接收機天線相位中心修正誤差。

另外，比較圖4和圖3中用戶站CAP1分別利用PPP定時模式和實時動態定時模式進行時間服務的評估結果，CAP1利用實時動態定時模式獲得的時間服務精度明顯優于利用PPP定時模式。其原因在于，一方面，實時動態定時模式完全消除了衛星鐘差的影響，削弱了軌道誤差的影響；另一方面，兩測站間基線較短，電離層延遲和對流層延遲等誤差項在一定范圍可忽略不計。因此，當用戶站與基準站形成基線較短時，應優先選擇利用實時動態定時模式完成時間服務。

從圖3和圖4可知，用戶端不論采用PPP定時模式，還是實時動態定時模式，原型系統均可提供亞納秒級精度的實時時間服務。

4 結語

信息時代的快速發展對時間服務的精度和時效性提出了更高的要求，常規的幾十納秒到納秒級的時間服務精度以及事后處理的工作模式已無法滿足需求。針對上述問題，設計并搭建了基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統，詳細闡述了其系統原理和組成。依據用戶站和基準站形成不同長度的基線，在原型系統用戶端部分創新性的集成設計了兩種不同的定時模式，PPP定時模式和實時動態定時模式。PPP定時模式適用于大規模廣域的高精度時間用戶；而實時動態定時模式則可以滿足分布范圍不大的局域網用戶的時間服務需求。

基于兩種不同定時模式，對原型系統時間服務性能開展詳細測試和分析。結果顯示，原型系統可基于PPP定時模式或實時動態定時模式提供亞納秒級精度的實時時間服務。與目前廣泛應用的GNSS授時技術相比，基于iGMAS的亞納秒級實時時間服務系統將實時時間服務精度提高了1～2個量級，可滿足某些特定領域對時間服務的需求。

另外，本文僅基于GPS對原型系統時間服務精度進行測試?；贐DS的測試方案和結果還在進一步完善中。