基于共视原理的区域卫星授时服务平台设计

吴文南，汪 鹤，沈 飞，李林红

（1.江苏北斗卫星应用产业研究院有限公司，南京 210032；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

基于共视原理的区域卫星授时服务平台设计

吴文南1，汪 鹤2，沈 飞1，李林红1

（1.江苏北斗卫星应用产业研究院有限公司，南京 210032；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

本文通过对GNSS共视法时间传递（GNSS CV）的基本原理的研究，根据实际应用情况，基于国家授时中心的中国标准时间UTC（NTSC），提出了基于共视法时间传递的区域卫星授时服务平台设计方案，实现区域精密时间服务。此方案既可以减轻用户对NTSC服务器的压力，同时也有利于降低用户的网络成本。

GNSS共视；授时；区域授时平台

1 引言

时间是表征物质运动的最基本物理量[1]，它为一切动力学系统和时序过程的测量及研究提供必不可少的时间坐标，在基础研究、应用研究以及国民经济和国防建设中都有广泛应用，授时服务已经成为国计民生中不可或缺的公益工程，它甚至攸关国家安全。一个国家必须有独立自主的统一标准时间，并采用统一的时间规范来制约政府和社会，以保证国家、社会运转的统一性、有序（连续）性和安全性。目前，中国的国家标准时间是中国科学院国家授时中心（NTSC）建立并保持的原子时间标准。

我国自主研发的北斗卫星导航系统不受他国控制和限制，其可用性和安全性更有保障。采用以北斗、GPS互备的冗余技术进行高精度的时间比对和传递，可弥补长久以来使用GPS作为惟一时钟源而存在的风险，解决了共视技术中的时钟模块可靠性问题。

2 共视法基本原理

目前，国际上主要的授时方法有通过微波的卫星授时、通过地面无线电传播的长短波授时和通过数据交换的网络/电话授时[2]三类。其中，卫星授时以美国的GPS和我国的北斗导航定位系统为代表，这种授时方法覆盖范围广，精度能达到50ns，是目前精度最高的授时方法[3]。

GNSS卫星共视（GNSS CV）是一种高精度远程时间传递技术，具有比对精度高、覆盖范围广、使用费用低、可连续运行等特点[4]，GNSS共视技术由美国标准技术研究院（NIST）于20世纪90年代提出。如果共视比对的两者之中是保持国家标准时间的实验室，共视的另一方就与国家标准时间实现了精确同步。基于上述思路，国家授时中心在国内首次提出基于GNSS CV进行授时服务的方法，利用互联网技术进行数据的实时传输和在线处理，快速测定用户钟与国家标准时UTC（NTSC）之间相对钟差，实现用户钟与UTC（NTSC）高精度时间同步。

共视法的含义是指：在地球上的两个原子钟，能够在任何地点，在同一时间接收同一个卫星时间信号进行比对。目前，共视法也是国际计量局（BIPM）用于国际原子时合作的基本手段之一[5]。

设A地点接收卫星信号的时刻为TA；B地点接收卫星信号的时刻为TB；GNSS卫星信号时刻为TGNSS；dA和dB分别为A，B两站与卫星间的路径时延，主要为电离层和对流层时延；两站在同一时刻观测同一颗卫星S。

GNSS共视测量基本原理如下：地球上A，B两地的GNSS时间接收机在同一个共视时间表作用下，对同一颗GNSS卫星的时间信号进行同步接收，每台接收机将收到的GNSS秒脉冲送至时间间隔计数器，与本地原子钟输出的秒脉冲进行比较，在A地得到本地时刻TA与TGNSS差ΔTAS，同时，在B地得到TB与TGNSS差ΔTBS。然后，可以通过通信网把其中一方的数据传到另一方的计算机中，进行两式相减，即可得到两地的两台原子钟之间的时间差。共视可以完全抵消星钟误差[6]，部分抵消电离层延迟和对流层延迟误差。当A，B两地位于相距不远的同一区域内时，dA和dB几乎相等，dA-dB可近似为零；或当A，B两地的电离层及对流层延迟可以准确计算时，则两地原子钟之间的时间差可准确得到。

3 系统设计

3.1 系统总体设计

江苏北斗卫星应用产业研究院有限公司拟建立江苏北斗卫星授时服务平台，该服务平台连接国家授时中心，与之共同构成区域精密时间服务系统。江苏北斗卫星授时服务平台作为区域授时服务中心，为华东地区客户提供精密时间服务。

整个精密时间服务系统由主站观测单元、客户观测单元、系统管理单元、数据处理单元和江苏北斗卫星授时服务平台五大部分组成，如图1所示。其中主观测单元包括GNSS CV观测设备、标准时间、频率信号等，其主要功能为测量UTC（NTSC）与GPS，BDS，GLONASS卫星钟的时间差。客户端观测单元由GNSS CV观测设备和本地时间源组成，其主要功能为测量本地时间与GNSS卫星钟的时间差。系统管理单元包括客户数据提交、数据处理模块调用、处理结果投送模块，由数据存储设备、网络宽带、服务器及数据系统等硬件与软件构成，其功能包括观测数据的获取、IGS精密星历等产品的定时下载、数据处理结果的投送等。数据处理单元包括数据预处理和比对数据处理两部分，数据预处理模块的功能是对客户提交的数据进行预处理，判断客户提交数据的类别和覆盖时间，并从本地数据库中调取相应的观测数据和IGS相关产品。比对数据处理模块的功能是根据预处理结果，对客户观测数据和本地观测数据进行GNSS共视比对计算。江苏北斗卫星授时服务平台通过网络专线连接国家授时服务中心，实现国家授时中心标准时间信号的异地复制，有效保证区域授时系统高精度、高稳定、安全可靠的工作。

3.2 系统工作介绍

江苏北斗卫星授时服务平台根据功能划分可分为数据提交模块、数据预处理模块、比对数据处理模块、结果自动投送模块、数据管理模块，如图2所示。

⊙ 数据提交模块：客户登录系统，向区域授时服务平台服务器提交数据。

⊙ 数据预处理模块：收到客户提交的数据后，进行数据的初步筛选工作，判断客户提交数据的类别。

⊙ 比对数据处理模块：客户数据预检验，共视比对计算，结果评估。

⊙ 结果自动投送模块：客户数据处理完成后，将相应的结果返回给客户。

⊙ 数据管理模块：管理客户提交的相应数据和传输自NTSC服务器的各类数据。

系统单次运行流程如图3所示。用户登录江苏北斗卫星授时服务平台后，向平台发出授时服务请求，并通过数据提交共视观测数据，系统收到用户提交的服务请求和数据后，启动在线授时服务处理工作，包括：调用数据预处理模块，判断数据类型、观测时间、准备主站观测数据等；调用数据比对处理模块，进行数据比对处理；调用结果投送模块，将共视比对结果发送给用户；实现用户钟与UTC（NTSC）的精确同步。

4 结束语

共视法只可用于少数用户之间的时间比对或时间同步，不具有同时为无限用户提供服务的特点[7]。建立区域卫星授时服务平台，通过网络专线连接NTSC服务器，实现时间传递与同步，用户通过接入区域卫星授时服务平台，即可实现与国家授时中心的时间比对。采用此种方式，不仅可以将原本需要接入NTSC的用户大量转移到区域授时服务平台，大大减轻用户对NTSC服务器的压力，同时也有利于降低用户的网络成本。更重要的是，江苏区域卫星授时服务平台通过长期的数据收集，建立了华东地区大气延迟的精确模型，通过接入该平台即可计算得到大气延迟量，从而准确得到用户钟与平台之间的时间差，为精确授时提供了有力保障。

[1] 漆贯荣．时间科学基础[M]．北京：高等教育出版社，2006

[2] 向渝，华宇，董道鹏 等．基于电话授时技术的时间同步终端设计[C]．第三届全国虚拟仪器大会，2008

[3] 程华军．基于GNSS CV的精密时间服务系统的设计与实现[D]．中国科学院研究生院，2011

[4] 高玉平，王正明，漆溢．GPS共视比对技术在综合原子时中的应用[J]．时间频率学报，2004

[5] 彭啸虎，米亮．GPS共视授时中的多径效应分析[J]．电脑知识与技术，2013. 9(1)

[6] 王正明．GPS共视资料的处理和分析[J]．天文学报，2001. 42(2)

[7] 许龙霞．基于共视原理的卫星授时方法[D]．中国科学院大学，2012

Regional Time Service Platform Design based on GNSS CV

Wu Wennan1, Wang He2, Li Linhong1, Shen Fei1
(1.Jiangsu BDS Application Industry Institute, Nanjing, 210032; 2. NARI Technology Co., Ltd., Nanjing, 211106)

Through the research on GNSS CV, a proposal of regional time service platform was proposed based on the China Standard Time of National Time Service Center to realize precise time service. This proposal can reduce the pressure on the servers of NTSC brought by users, but also help to reduce the cost of users needed.

GNSS common-view; time service; regional time service platform

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.002

TN96文献标示码：A

1672-7274（2015）06-0027-04

2013年度电子信息产业发展基金项目。

吴文南，男，1982年生，高级工程师，主要从事卫星授时研究。