一种基于单频授时接收机的纳秒级时间同步方法研究

刘 娅，樊多盛，陈瑞琼, 赵志雄，李孝辉

(1.中国科学院国家授时中心, 西安 710600; 2.中国科学院时间频率基准重点实验室, 西安 710600; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

0 引言

时钟同步网是通信网络中最重要的支撑网络之一，为通信网的数字设备提供高精度的定时基准，保障通信网内所有数字设备工作在相同的平均速率上，是所有通信设备安全可靠运行的关键。随着通信技术的不断发展，5G承载网在大带宽、低时延、云化等需求驱动下，对同步网的时间同步性能提出了更高的要求，同步精度需求可能从现网的微秒量级提升至30ns内[1]。除通信领域外，高精度时间同步技术还为深空探测、精密导航定位、无人驾驶、室内定位等多个领域提供基础支撑。

中国科学院国家授时中心建立并保持着我国的标准时间UTC(NTSC)，该标准时间通过多种高精度、远距离时间比对手段，与包括德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesan-stalt，PTB)在内的多国标准时间保持比对，使UTC(NTSC)与协调世界时(UTC)的时差保持在10ns内。本文以国家标准时间为参考，研究了一种低成本、适合大面积应用、满足纳秒级时间同步需求的标准时间复现方法，支撑纳秒级时间同步应用。

1 现状分析

随着北斗、Galileo等卫星导航系统的不断发展，全球可用卫星导航系统已经增加到4个，在轨运行卫星超过70颗，卫星导航系统的可用性、可靠性有了显著提升，催生了大量利用卫星导航系统获得时间或实现时间同步的用户。应用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)授时接收机就可以将GNSS的系统时间溯源至UTC，为车载导航、通信基站等时间同步需求提供一种解决方案。

根据GNSS授时接收机可接收卫星导航信号载波频率个数的差异，可将授时接收机分为单频和双频接收机。单频接收机通常是指仅能接收各导航系统1个频点的信号，与此对应的双频接收机则指同时能接收2个甚至更多频点的导航信号。与单频接收机相比，双频接收机能利用电离层延迟与载波频率的对应关系，通过双频电离层改正将电离层延迟的影响降低到未修正前的10%以内，这也是双频授时接收机能获得更准确授时信号的重要原因之一。

当前主流型号单频授时接收机的定时信号(不含天线和射频的偏差)准确度(accuracy)为20ns(1σ)。单频授时接收机授时信号的准确度受信号空间传播时延误差、天线和设备时延标定误差等影响，与标准时间的偏差通常在几百纳秒甚至微秒量级，难以进一步提高。尽管双频授时接收机定时信号(不含天线和射频的偏差)的标称准确度也为20ns(RMS)，但因内置了更稳定的频率源和采取了更复杂的降噪措施，因此能输出更稳定、准确的授时信号，一般可满足几十纳秒的时间同步需求。

卫星共视接收机是在GNSS授时接收机基础上发展起来，具有更高时间传递性能的一种专用设备。设备内部通常包含1台双频授时接收机或测地型接收机、1个时间间隔测量模块和1套数据处理软件，通过共视做差降低测量共有误差项影响，能获得5ns以内的时间传递不确定度[2]，是目前远距离、纳秒级时间传递主要的方法之一。卫星共视接收机基本组成较单、双频授时接收机复杂，单台设备售价一般在十数万元以上，且因卫星共视需要同时应用2台设备，因此基于卫星共视接收机的时间传递成本远高于单频或双频接收机，广泛应用具有一定困难。

此外，纳秒级的远程时间传递技术还有卫星双向时间频率传递、卫星全视、精密单点定位、光纤时间传递等技术可选[3-6]。这些技术的主要优点是可实现纳秒甚至亚纳秒的高精度时间传递，但设备相对复杂、成本较高、需要专业人员维护等，难以大量应用。

综合比较上述时间传递方法，对比需求从成本和性能两方面分析，单频授时接收机符合成本最低，但授时性能相对较差，难以满足下一代通信网时间同步的需求；其他授时设备性能较高但同时成本也远高于单频接收机。本文基于此现状，提出了单频接收机与卫星共视技术相结合的方法，在控制成本的前提下研究了降低比对误差，实现标准时间纳秒级复现的方法，支撑纳秒级同步应用。

2 工作原理

卫星共视技术是一种利用卫星作为中间源的远程比对经典技术，在需要时间比对的两地分别安装卫星信号的测试设备，同时观测本地参考时间与卫星时间的时差，然后交换观测结果，比较相同时刻与同一卫星的差值，最终获得两地参考时间之差。卫星共视的实质是一种差分技术，通过差分抵消测量结果中卫星轨道、卫星钟以及电离层、对流层等共同误差项的影响，因此能实现比GNSS单向授时更高的同步精度。

2.1 标准时间远程复现原理

基于卫星共视原理，搭建了标准时间远程复现系统，系统由国家标准时间源、远程时间比对基准设备、标准时间复现设备和数据处理中心四部分组成，如图1所示。

图1 标准时间远程复现系统Fig.1 Scheme of UTC(NTSC) remote generated system

远程时间比对基准设备、标准时间复现设备均内置了GNSS授时接收机模块，与GNSS卫星一起，共同组成卫星共视的基本结构。远程时间比对基准设备以国家标准时间的主钟信号为参考，持续测量国家标准时间与各卫星钟的偏差；同时标准时间复现设备也持续测试其内部时钟与卫星钟的偏差，待系统中各设备收集到约定观测周期的数据后，拟合生成观测结果，并通过网络发送到数据处理中心；数据处理中心以远程时间比对基准设备的测试结果为参考，计算复现设备内部时钟与国家标准时间的偏差，然后通过网络以接近实时的响应速度反馈给标准时间复现设备，标准时间复现设备内部的控制模块根据偏差调整内部时钟，最终输出与国家标准时间同步的信号。如图1所示，系统中所有标准时间复现设备可在数据处理中心共享来自同一远程时间比对基准设备的观测数据，因此，只要标准时间复现设备加入该网络，即可实现与标准时间同步，进而保证网络内所有设备的时间同步。

图1中标准时间复现设备即是根据本文所提方法实现的设备，内部组成结构如图2所示，由GNSS单频授时接收芯片、时间间隔测量模块、恒温晶振和共视数据处理交换模块组成。通过GNSS单频授时接收芯片和计数器测得恒温晶振信号与卫星钟的时差，将时差结果通过网络发送给数据处理中心，共视数据处理模块收到反馈的晶振时间与UTC(NTSC)时差后，调整晶振的控制量，使其输出与UTC(NTSC)同步的时间，实现标准时间的远程复现。

图2 标准时间复现设备组成Fig.2 Block diagram of UTC(NTSC)regenerating equipment

2.2 卫星共视对单频接收机授时误差的影响分析

影响单频接收机授时性能的主要因素包括卫星轨道、卫星钟差、对流层时延、电离层时延、接收机设备时延、相对论效应、多路径效应等等。本文提出的标准时间复现方法，是以单频授时接收机为核心，利用卫星共视抵消卫星轨道、卫星钟以及传播路径中共同误差分量的影响特性[7]，优化单频授时接收机的时间比对性能，提高授时精度。下面以对单频接收机授时性能影响较大的电离层和设备时延两项为例，分析卫星共视对误差的抑制作用。

2.2.1 电离层延迟影响

电离层延迟与天顶电离层的性质和观测站仰角紧密相关，天顶电离层的性质又与观测站地理纬度和经度紧密相关[10-12]。在典型的垂直入射情况下，信号传播过程没有发生折射弯曲，电离层延迟在白天和夜间平均分别约为50ns和10ns。在仰角较低情况下，由于折射弯曲影响，延迟相应增加约3倍。在接近地磁赤道或极点区域，延迟还会明显增加，并且受磁暴影响严重，电子密度会随太阳黑子活动的增强而升高，最大时电离层延迟可达到几十米。目前，消除电离层误差的方法很多，对于双频接收机，可以利用电离层延迟与频率的关系，直接根据双频伪距测量值计算电离层延迟[8]，残余误差约为1m，这也是目前较为有效的电离层延迟改正方法。利用国际GPS服务(International GPS Service, IGS)组织发布的格网点电子含量计算电离层延迟是另一种较为常用的方法，可修正电离层延迟的90%，缺点是实时性不足。对于单频接收机来说，较为常用的是利用导航电文中的电离层模型参数进行校正[9]，通常能校正误差的50%～60%。因此基于单频接收机的授时，首先要解决电离层延迟误差的改正。

测站上空电离层的总体特征常用天顶方向的电子总含量(Vertical Total Electron Content，VTEC)来反映。这是因为对同一电离层来说，站星方向上的电离层TEC值是不相同的，它随着卫星高度角的增大而减小，当卫星高度角达到90°时，TEC与卫星高度角和高程均无关，其值达到最小，即为测站天顶方向的VTEC。当观测卫星的位置不在某一测站的天顶方向时，可利用三角函数型投影函数计算TEC。相关研究表明，尽管投影函数与卫星高度角有关，但是当高度角大于20°时，不同投影函数计算的结果差异并不明显，因此本文使用三角函数型近似表征。信号穿透电离层的模型如图3所示。

图3 信号穿透电离层模型Fig.3 Model of signal penetrating ionosphere

不考虑测量噪声，电离层时延I与载波频率之间的函数关系可用式(1)表达为

(1)

其中，观测站仰角为θ，Ne为天顶方向电子总量。式(1)中I即为单频接收机电离层延迟表达式。

本文提出了单频接收机与卫星共视技术结合的方法，对电离层延迟修正的效果分析如下：卫星共视的两地分别用A站和B站表示，假设电离层均匀分布，则A、B两站的电离层延迟IA和IB分别用式(2)表示

(2)

共视处理即对A和B两站观测数据做差，结果如式(3)所示

(3)

式中，θA、θB为A、B两观测站仰角，f为载波频率。对比式(3)和式(1)，共视处理将两站电离层延迟的相同分量抵消，残差与两观测站夹角φ有关，如图3所示。夹角φ与卫星高度和AB两站直线距离的关系可近似用三角函数表示。卫星至观测站的距离S和与电离层投影点距离h的关系用式(4)表示

h=SAcosφ=SBcos(φ-φ)

(4)

以离地球约20000km的地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星为例，当两观测站直线距离小于500km时，由于距离较近，假设电离层均匀分布，此时两观测站夹角φ远小于1°，即θA和θB近似相等，式(3)等式右边近似为0，即单频接收机的电离层时延通过卫星共视能完全被抵消，达到类似双频电离层改正的效果。即可以得到如下结论：在满足观测站夹角足够小的条件下，基于单频接收机的卫星共视可抵消电离层延迟的影响。

2.2.2 设备时延的影响分析

接收机延迟是GNSS授时接收机授时误差的主要来源之一，对接收机时延的标校能力影响授时准确度。

根据延迟属性不同，将接收机延迟分为固定延迟和随机延迟两类，其中固定延迟可以通过反复测量确定；随机延迟会随着时间变化而发生变化，难以被准确测量，因此常用统计方式进行估计。对于接收机延迟的校准，主要是针对可测的固定延迟，涉及天线、馈线和接收机等信号传输环节。

对固定延迟常用的测量方法有相对测量和绝对测量两类，相对测量是以1台时延已知的接收机为参考，将被测接收机与参考接收机相邻安装，测试2台接收机的相对时差，即得到2台接收机的相对延迟。绝对测量通常有两种测量方法，一是利用信号模拟源模拟生成卫星信号，测量从信号进入接收机天线至输出定时信号的延迟；另一种是以标准时间信号为参考，测试接收机定时信号与标准时间的时差，在补偿了导航系统时间与标准时间的偏差量后，即得到接收机的绝对延迟[13-15]。

标准时间复现设备是通过卫星与远程时间比对基准设备建立时差测量链路，因此设备的固定延迟仅需要测量标准时间复现设备与远程时间比对基准设备的相对时延，而不用关心设备的绝对时延。相对时延测量不需要专用的信号模拟器、微波暗室等条件，比绝对时延更容易实现，常用的测量方法是零基线共钟法，即将2台需要测试的设备并址安装，将1台时钟源的输出分为两路，分别给标准时间复现设备和远程时间比对基准设备作参考，测试2个参考信号的时差。因参考信号来自同一台时钟源，测得的时差包括参考信号传输电缆差异和2台设备的相对时延差两部分，其中电缆时延差异可准确标定，扣除电缆时延差后即为标准时间复现设备和远程时间比对基准设备的相对时延差。试验表明，基于单频接收机的伪码测量和载波相位平滑结合，标准时间复现设备的相对时延校准不确定度优于2ns，能满足复现时间与标准时间偏差小于10ns的误差需求。

3 试验测试

为了对比单频授时接收机和基于同款单频授时接收机实现的标准时间复现设备的授时性能差异，设计了测试试验，分别测试单频授时接收机和标准时间复现设备的授时能力，采用相同的统计工具比较其性能。

3.1 单频授时接收机定时性能测试

以国家标准时间UTC(NTSC)主钟信号为参考，使用时间间隔计数器测试单频授时接收机输出秒脉冲信号与国家标准时间的偏差，每秒测量1次，持续24h。

单频接收机授时信号的偏差与信号空间传播延迟、接收机天线、馈线和设备时延紧密相关，本试验所测接收机未进行绝对时延校准。为便于对比，在处理数据时用测试数据均值作为授时接收机固定延迟，在时差结果中予以扣除，然后绘制如图4所示的结果图，仅反映接收机授时信号的随机起伏。

图4 单频接收机定时测试结果Fig.4 Results of single frequency receiver

根据测试结果，单频授时接收机定时信号24h最大起伏约为53.95ns，标准差为8.21ns。当应用该接收机进行时间同步时，还需要对接收机、天线、馈线等固定延迟进行精确校准。因不同安装条件下设备时延存在差异，精确校准绝对时延难度较高，可能导致数十甚至百纳秒的系统偏差，因此单频授时接收机主要用于百纳秒级时间同步场合。

3.2 标准时间复现设备授时性能测试

为对比单频接收机结合共视技术前后的授时性能差异，测试基于单频接收机的标准时间复现设备的授时性能。测试原理如图5所示，在国家授时中心临潼本部安装被测试的标准时间复现设备，远程时间比对基准设备安装在距离本部直线距离约33km的西安某试验场。国家授时中心的UTC(NTSC)主钟分配了多路相同信号，一路直接为时间间隔计数器提供测试参考；另一路通过约60km的光纤双向时间传递链路，以低于100ps的偏差传输到西安某试验场，为远程时间比对基准设备提供参考。因时间间隔计数器的参考和远程时间比对基准设备的参考时间起点相同，因此计数器的测试结果反映了被测标准时间复现设备的时间同步性能。

图5 标准时间远程复现性能测试原理图Fig.5 Performance test principle diagram of UTC(NTSC) remote generator

与3.1节测试环境相同，时间间隔计数器每秒测量1次，持续24h。测试结果如图6所示。

图6 标准时间复现设备测试结果Fig.6 Test results of the UTC(NTSC) remote generator

测试结果表明，标准时间复现设备定时信号在24h内与标准时间偏差小于10ns(3σ)，最大起伏为15.86ns，标准差为2.88ns，较单频接收机的授时能力有显著提升。

此外，标准时间复现设备输出信号能直接与标准时间比对，通过相对时延测试较容易解决授时信号中的系统偏差问题，对于实现多节点时间同步有较强的实用价值。

4 结论

单频授时接收机因其技术成熟、价格相对便宜得到广泛应用，但受工作原理限制其性能提升空间有限，目前主要适用于百纳秒级的时间同步需求。本文从低成本和纳秒级时间同步两方面需求入手，研究了基于单频授时接收机的标准时间纳秒级复现方法，形成的主要结论如下：

1)本文所使用单频授时接收芯片的授时信号24h的最大起伏为54ns，标准差为8.21ns；

2)基于单频授时接收机芯片结合本文所提卫星共视技术实现的标准时间复现，授时信号24h的最大起伏为15.86ns，标准差为2.88ns；

3)基于本文研制的标准时间复现设备，可以实现单网覆盖500km，网内任意节点间时差小于20ns，与标准时间偏差小于10ns的时间同步网；

4)标准时间复现设备具有成本低、同步性能达到纳秒量级、支持直接溯源至标准时间等特点，适合组建时间同步网等大范围应用。