软件接收机UTC卫星双向时间传递

江志恒，武文俊

软件接收机UTC卫星双向时间传递

江志恒1，武文俊2,3,4

（1. 国际权度局，巴黎 F92312；2. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；3. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；4. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048）

卫星双向时间频率传递（TWSTFT）是协调世界时（UTC）产生过程中的重要时间比对技术手段，其精度可达0.5 ns。目前，全球大约有20多个时间保持水平最高的守时实验室利用卫星时间和测距设备（SATRE）进行连续的实验室间远距离卫星双向时间比对工作。然而SATRE TWSTFT的性能主要受到了周日效应的影响，其在某些链路上变化幅度甚至可达2 ns。2016年2月，国际权度局（BIPM）和国际时频咨询委员会（CCTF）卫星双向工作组（WGTWSTFT）共同发起了基于软件接收机（SDR）的国际卫星双向时间比对试验研究，并取得了较为满意的结果。对该研究小组的工作进行了简单的回顾，主要以SATRE TWSTFT和GPS PPP或IPPP技术为参考对SDR TWSTFT进行了分析评估，结果表明：SDR TWSTFT在洲际内的多数链路上对SATRE TWSTFT的周日效应的平均增益因子为2~3，而在洲际间的长基线链路上改善了30%~40%。从2017年10月开始，SDR卫星双向成为了UTC时间比对链路的备份链路，预计未来几年将成为UTC时间比对的正式链路。

协调世界时；软件接收机；卫星双向时间频率传递；周日效应；不确定度

0 引言

从1999年开始，守时实验室所提供的卫星双向时间频率传递（TWSTFT）数据开始正式应用于协调世界时（UTC）的计算[1]。TWSTFT现已经是UTC实现中的首要时间比对技术，其精度可达0.5 ns[2]。在时间信号调制解调时，UTC卫星双向时间比对链路主要采用卫星时间和距离测量设备（SATRE）。但自从卫星双向连续整天比对后，我们便在SATRE TWSTFT中发现了明显的周日效应现象。在某些极端的条件下，该效应的变化幅度甚至可以达到2 ns[3-4]。周日效应是目前TWSTFT的主要统计不确定误差源。

2016年2月，国际权度局（BIPM）和国际时频咨询委员会（CCTF）卫星双向工作组（WGTWSTFT）共同发起了基于软件接收机（SDR）的国际卫星双向时间比对试验研究，全球范围内一共有16个守时实验室参与，其中亚洲、欧洲和北美洲分别为5个、10个和1个[5-6]。亚洲洲际内卫星双向链路先后使用了欧洲电信卫星组织的E172A和E172B卫星，亚欧链路通过俄罗斯的AM22卫星进行了试验，卫星带宽为2.5 MHz[7]。欧洲洲际内和欧美链路使用了加拿大卫星通信公司的T-11N卫星，卫星带宽分别为1.7 MHz和1.6 MHz[8]。由于AM22停止工作，2018年3月亚欧时频实验室已经通过俄罗斯的ABS-2A卫星，重新建立了新的亚欧卫星双向时间比对链路。现全球UTC软件接收机卫星双向时间比对链路如图1所示。

图1 UTC软件接收机国际卫星双向时间比对链路

在实际工作中，SDR TWSTFT与SATRE TWSTFT共用SATRE发射通道，接收通道与SATRE分别进行配置。亚洲和欧洲洲际内以及欧亚和欧美洲际间的卫星双向链路初步的试验表明：SDR卫星双向具有更好或至少与SATRE双向相同的性能。利用SDR时，尽管其链路仍然有残余的周日效应，但在长基线的欧美链路上周日效应比原先的卫星双向减小了30%~40%，而欧洲洲际内的卫星双向周日效应对SATRE TWSTFT的平均增益因子为2~3。基于全球性试验所取得的实验结果，2017年WGTWSTFT向CCTF提交了《UTC产生中卫星双向时间比对不确定度改进》的建议书，并于第二十一届CCTF大会通过了该建议书。SDR卫星双向时间比对将在近几年内正式用于UTC的计算。

1 UTC软件接收机卫星双向时间比对

BIPM使用卫星双向时间比对进行UTC计算已经有19年的历史了。由于其稳定的时间比对性能，它在UTC归算中一直占有重要的地位。近年来，卫星双向时间比对技术不断向前发展，在SATRE卫星双向时间比对的基础上，开始出现了SDR卫星双向时间比对。它的原理、标定方式以及数据交换情况描述如下。

1.1 原理

由于卫星双向时间比对双方站的信号相互对称，TWSTFT中的大部分误差项被抵消，故该技术可以得到很高的时间比对精度。在每一个卫星双向时间比对站，发射信号都由SATRE的硬件发射通道产生，天线系统接收到的信号由下变器处理后分两路输入SATRE硬件接收通道和SDR软件接收机通道，然后SATRE和SDR分别可以对所收信号进行解调，得到对方发射站到本地接收站的信号传输时间[9-11]，如图2所示。

图2 卫星双向时间比对原理

卫星双向时间比对的钟差如下：

1.2 标定及不确定度

时间比对设备时延测定是时间比对链路加入UTC计算的基本条件。根据卫星双向时间传递校准指南，SDR TWSTFT标定可以分为两类：

① UTC链路

a）如果已有的SATRE卫星双向时间比对链路已经被标定，那么可以利用该链路对SDR卫星双向时间比对链路进行标定。在这种情况下，其校准识别号与SATRE链路保持一致。

b）如果SATRE卫星双向链路没被校准，那么SATRE和SDR链路都需要使用卫星移动双向标校站或GPS移动校准站对其共同进行标定。

② 利用三角闭环方法对非UTC链路进行标校

国际权度局一般使用约定A类和B类不确定度来表征UTC时间比对链路的性能。所谓约定不确定度是一种保守不确定度，一般要比实际计算估计的不确定度大，以确保适用于所有同类UTC时间比对链路。SATRE卫星双向时间比对链路的A和B类不确定度分别是0.5 ns和1.0 ns（卫星双向移动站标定）或1.5 ns（GPS 移动站标定）。基于上述研究，BIPM给出了SDR卫星双向的A和B类不确定度分别是0.2 ns和1.0 ns（卫星双向移动站标定）或1.5 ns（GPS 移动站标定）。SDR TWSTFT三角闭环B类不确定度与SATER TWSTFT一致，都为2.0 ns。

1.3 数据格式的处理

软件接收机卫星双向时间比对的采样率为每秒一个测量数据。为方便数据传输以及节约服务器存储空间，WGTWSTFT规定SDR卫星双向时间比对的数据交换格式与国际电联ITU-R TF.1153.4建议书相似[12]。在数据交换时，每300 s的测量时段进行一次二次曲线拟合，取该时间段的中点作为标准点进行卫星双向时间比对计算。2017年下半年，BIPM已经在UTC的计算软件Tsoft中开发了相应的基于SDR的卫星双向时间比对标准计算程序，现Tsoft完全可以同时处理基于SATRE和SDR不同方式的卫星双向时间比对。

2 数据分析

UTC每月进行计算并以时间公报的形式对全世界进行发布。因此，以月为单位对SDR TWSTFT数据分析是合理的。以下使用SATRE卫星双向、GPS精密单点定位（GPS PPP）和GPS载波相位整周模糊度精密单点定位（GPS IPPP）多种不同的时间比对方式与SDR卫星双向时间比对进行对比分析[13]。

2.1 SATRE与SDR卫星双向之间的比较分析

法国巴黎天文台（OP）和德国物理技术研究院（PTB）之间的卫星双向时间比对是一条欧洲内部的主要UTC时间比对链路，这两个实验室具有丰富的卫星双向时间比对经验，链路维护良好且运行可靠。但OP-PTB的SATRE卫星双向时间比对噪声较大，且存在着幅度为2 ns左右的周日效应，如图3所示。图3中选取了OP-PTB链路MJD 57 630~57 730之间100 d的数据作为研究对象，从图3可以看出OP-PTB链路上的SDR卫星双向大大改善了SATRE卫星双向中的短期稳定度及周日效应。表1给出了OP-PTB链路上SDR和SATRE两种不同卫星双向时间比对链路上的时间偏差（TDEV）及二者的比较情况。从表1可以看出，平均时间为2 h时SDR和SATRE卫星双向时间比对的TDEV分别为94 ps和307 ps，这证明该链路在2 h平均时间时的短期稳定度增益因子为3.3，表1中最小和最大增益因子分别是32 h时和8 h时的2.1和5.2，平均改善增益因子为3.7。

通过俄罗斯ABS-2A卫星进行的德国物理技术研究院和中国科学院国家授时中心（NTSC）之间的卫星双向时间比对链路是一条欧亚间长基线时间比对链路，该链路10 d的SATRE和SDR卫星双向时间比对结果如图4所示，此处链路未标定，仅体现链路稳定度性能。从图4可以看出该链路的SDR卫星双向与SATRE卫星双向相比，它的短中期稳定度也有了很大的提升。该链路不同平均时间时的增益因子与PTB-OP链路的结果相类似。

图3 利用T-11N进行的OP-PTB卫星双向时间比对及其TDEV情况

表1 OP-PTB链路不同平均时间上的SATRE和SDR卫星双向时间偏差统计情况

图4 PTB-NTSC卫星双向时间比对结果

2.2 卫星双向与GPS PPP与IPPP之间的比较分析

GPS PPP或IPPP是与TWSTFT完全独立的时间比对技术，它基本不受周日效应的影响且其统计不确定度优于0.3 ns。因此，GPS PPP或IPPP是SDR和SATRE卫星双向很好的验证手段。将SDR和SATRE卫星双向分别与GPS PPP或IPPP时间比对之一作差（DCD），两个差中时间偏差较小的一个认为是更加稳定的。选取中华电信实验室（TL）和日本国家信息与通信技术研究所（NICT）亚洲洲际内的链路为研究对象，表2给出2016年2月TL-NICT链路DCD的时间偏差及其比较分析情况。从表2可以看出，DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）对DCD（SATRE TWSTFT-GPS PPP）的增益因子均值为2.3。

表2 TL-NICT链路SDR和SATRE与GPS PPP之间DCD的时间偏差统计情况

选取2017年12月OP-PTB和美国国家标准与技术研究院（NIST）和PTB两条链路上的卫星双向与GPS IPPP时间比对数据进行比较分析。图5是OP-PTB之间SATRE、SDR卫星双向和GPS IPPP时间比对及其DCD的结果。DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的标准差分别为0.521 ns和0.230 ns，其增益因子为2.3，这与TL-NICT链路的情况相同。

图5 OP-PTB链路SATRE、SDR卫星双向和GPS IPPP时间比对及其DCD

在跨大西洋的NIST-PTB链路上，DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的标准差分别为0.355 ns和0.267 ns，其增益因子为1.3。以GPS IPPP为参考，SDR TWSTFT的性能获得了30%的提升。图6是NIST-PTB链路的GPS IPPP时间比对以及DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）。在图6中，SDR卫星双向的周日效应幅度比SATRE卫星双向的周日效应减低了30%。图7是DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）的时间偏差图，显然后者的时间偏差优于前者的时间偏差。因此，对于NIST-PTB链路来说，在标准差和时间偏差两个指标上，SDR卫星双向都优于SATRE卫星双向。

图6 NIST-PTB链路上GPS IPPP时间比对以及DCD（GPS IPPP-SATRE TWSTFT）和DCD（GPS IPPP-SDR TWSTFT）

图7 NTST-PTB链路上的DCD时间偏差

2.3 三角闭环分析

在卫星双向时间比对中，三角闭环是组成三角形的3条卫星双向时间比对链路的矢量和。理论上，三角闭环的和是零。与GPS时间比对不同，TWSTFT中的3条链路是完全独立的。因此，非零闭合差可以很好地表征统计误差和系统差，这其中周日效应是统计误差的主要来源。因此，三角闭合差是SDR在TWSTFT中改善周日效应的重要表征参数。表3给出了亚洲，欧洲和美洲之间通过不同卫星进行时间比对的3条闭合差结果。从表3中可以看出，三角闭合差结果与2.2节情况一致，即通过T-11N要比通过AM22和E172A进行的卫星双向时间比对噪声大。尽管如此，3条不同配置链路的增益因子却很接近，其分别是4.3，4.8和4.5。因为非零闭合差是真误差，故可以认为增益因子代表了SDR相比SATRE卫星双向的真实改善水平。

表3 SATRE和SDR三角闭合差的标准差

以NIST为中转的OP-NIST-PTB三角闭环链路上，在MJD 57 920~58 060时间段上其SDR和SATRE卫星双向的三角闭合差的标准分别为0.156 ns和0.566 ns，如图8所示。从图8可以看出，SDR大大改善了OP-NIST-PTB卫星双向的性能。

图8 OP-NIST-PTB链路上的SDR和SATRE卫星双向时间比对三角闭合差

3 软件接收机卫星双向时间比对的长期稳定度

长期稳定度是UTC时间比对链路的一项重要指标。通过SATRE TWSTFT和GPS PPP时间比对之间的相互比较表明：二者之间年变化在某些UTC链路上可以达到2 ns[14-15]。因此，将SDR和SATRE卫星双向以及GPS PPP时间比对链路进行长期性数据分析是十分必要的。在三者比较之前，先利用1.2小节中的标定方法将SDR TWSTFT链路进行标定，然后再对其进行比较分析。

3.1 SDR TWSTFT与SATRE TWSTFT之间的长期稳定性比较分析

以OP-PTB欧洲内部链路为例，选取6个月的SATRE和SDR卫星双向时间比对数据进行对比分析，结果见图9。为计算二者的偏移，图9对DCD进行了线性拟合，OP-PTB链路上的DCD（SATRE TWSTFT-SDR TWSTFT）年变化为0.279 ns，这表明SDR TWSTFT是长期稳定的。

图9 OP-PTB链路上 6个月的SATRE和SDR卫星双向以及其二者DCD（SATRE-SDR）

3.2 SDR TWSTFT与GPS PPP之间的长期稳定性比较分析

GPS PPP时间比对是目前UTC时间传递中比例最大的时间比对技术。选取TL和韩国标准与科学研究院（KRISS）亚洲洲际内部750 d的SDR卫星双向和GPS PPP数据进行比对分析，比对结果如图10所示。在图10中，GPS PPP数据来自与BIPM发布的Citr-T。DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）的标准差为0.92 ns。

在OP-PTB链路上，选取了6个月的数据进行了SDR TWSTFT和SATRE TWSTFT分别和GPS PPP的比较，见图11。通过对DCD（SDR TWSTFT-GPS PPP）和DCD（SATRE TWSTFT-GPS PPP）进行线性回归分析表明，SDR，SATRE卫星双向和GPS PPP之间分别有2.22 ns/a和1.98 ns/a的变化量。

图10 TL-KRISS链路上的SDR TWSTFT和GPS PPP时间比对

图11 OP-PTB链路SDR TWSTFT和GPS PPP时间比对及其DCD

图12 OP-PTB链路SATRE TWSTFT和GPS PPP时间比对及其DCD

4 结语

软件接收机卫星双向时间比对研究小组成立已有2年，本文简要回顾了SDR卫星双向研究小组的历史、SDR TWSTFT相关技术原理与地面站配置并且给出了主要研究结果。在国际权度局的组织下，以SATRE卫星双向和GPS PPP或IPPP时间比对为参考，对软件接收机卫星双向时间比对的性能进行了全面的评估。通过多条主要国际时间比对链路的分析表明：SDR TWSTFT长期稳定，并比SATRE TWSTFT具有更好的稳定度或至少一样的性能，其对卫星双向中的周日效应在不同链路上有不同程度的改善。从2017年10月开始，SDR TWSTFT已经成为UTC时间比对链路的正式备用链路。在近几年内，BIPM将正式启用SDR TWSTFT进行UTC的计算。间接SATRE TWSTFT在某些链路上可以明显改善卫星双向时间比对的性能，因此在某些链路上间接SDR TWSTFT也可以明显改善其性能，另外，SDR TWSTFT移动站标定和SDR TWSTFT与GPS PPP融合等方法都可以继续提高SDR TWSTFT的性能，这将是下一步需要开展的工作。

致谢：感谢全球参与SDR卫星双向的守时实验室提供的大量实验数据。

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UTC two-way satellite time and frequency transfer based on SDR

JIANG Zhi-heng1, WU Wen-jun2,3,4

(1. Bureau International des Poids et Measures (BIPM), Paris F92312, France;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

Two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT or TW for short) is a primary technique with precision of 0.5 ns for the generation of coordinated universal time (UTC). About 20 leading time laboratories around the world carry out continuously TWSTFT via Satellite and SATRE. One of the major uncertainty sources is the diurnal in the SATRE TWSTFT measurements. The observed peak-to-peak variations can be up to 2 ns in some cases. In 2016, the BIPM and the Consultative Committee for Time and Frequency (CCTF) working group (WG) on TWSTFT launched a pilot study on the application of SDR receivers in the UTC TWSTFT network. The results are satisfying. In this paper the SDR TWSTFT works are briefly reviewed and the results are compared with SATRE TWSTFT and GPS PPP or IPPP. It is indicated that within one continent the SDR TWSTFT link demonstrates a significant gain factor of 2-3 in reducing the diurnals and the continental STARE TWSTFT has been improved 30%-40% for the diurnals. The SDR TWSTFT became the backup UTC time transfer link since 2017 October and it is expected to be used formally for the generation of UTC in next several years.

coordinated universal time (UTC); software-defined receiver (SDR); two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT); diurnal; uncertainty

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0196-10

2019-01-20；

2019-03-23

国家自然科学基金资助项目（11703030）；中国科学院“西部之光”人才培养计划西部青年学者基金资助项目（XAB2017A06）

江志恒，男，研究员，主要从事时间频率与大地测量研究。