基于北斗三号的长基线共视时间比对

武文俊 王威雄 王 翔 高 喆 安 卫 董绍武

(1.中国科学院国家授时中心，中国科学院时间频率基准重点实验室，陕西西安 710600；2.中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 101048；3.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

时间是一个国家的重要战略参数资源，在经济，国防以及各类科学研究中有着广泛的应用。国际标准时间协调世界时(UTC)是指在国际地球自转服务组织(IERS)的帮助下由国际权度局(BIPM)利用位于全球八十多个时间实验室的500多台原子钟统一归算产生的[1]，其中远距离时间比对是协调世界时归算过程中的重要环节之一[2]。GPS共视法(CV)从20世纪80年代就被BIPM用于UTC的计算。为提高时间比对的可靠性、稳定性及准确性，BIPM鼓励采用多手段多接收机互备远距离时间比对技术[3]。2017年，国际时间频率咨询委员会(CCTF)国际原子时实验室工作组会议相应提出应积极推动北斗参与UTC计算的计划[4]。目前北斗三号正处于全球系统的组网阶段，截止2020年3月9日，共发射了29颗组网卫星，已经能够为用户提供基本的导航和授时服务。全球系统预计在2020年底建成，整个卫星星座将由24颗MEO卫星、3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星组成，为全球提供PNT服务。近年来，国内外学者针对北斗二号开展了诸多时间比对研究。例如，黄伟等人在欧洲基线范围内部对北斗(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)以及中圆地球轨道(MEO)不同星座的共视时间比对进行了分析[5]；广伟等人进一步开展了亚欧长基线北斗共视时间比对试验[6]；而Andreas Bauch等人也基于德国物理技术研究院(PTB)的国家时间基准系统对北斗信号以及其亚欧共视比对结果进行了有效评估[7]。上述诸多研究表明：北斗二号时间比对性能稳定，但由于欧洲可视卫星数较少，比对性能仍有提升空间。文献[6-7]中也提到期望对北斗三号进行更深入的研究。北斗三号卫星配备了更高性能的星载铷和氢原子钟，二者的天稳分别为E-14和E-15量级，比北斗二号星载钟的稳定度提高了一个数量级[8-9]。我国国家标准时间现由中科院国家授时中心(NTSC)负责产生并对外发播，而北斗时(BDT)通过UTC(NTSC)与UTC取得联系[10]。本文依据CCTF发布的全球卫星导航时间比对标准(CGGTTS)，利用目前NTSC和捷克光电研究院(TP)可观测的北斗三号卫星对亚欧长基线共视时间比对性能进行了初步计算分析。

2 北斗共视比对原理

地面上任意两个守时实验室进行北斗共视时间比对都是由分别位于两地的导航接收机在同一时刻同时观测一颗或多颗北斗卫星，通过伪距测量得到本地时与北斗系统时BDT之间的偏差，该偏差包括卫星、信号传播路径和接收机端引入的各项误差，两地通过数据交换扣除各项误差后求差，就可以求得两实验室之间的时间差[11-13]，其原理如图1所示。

图1 北斗共视时间比对原理图Fig.1 Principle of BeiDou Common-View

设A地的本地时间为tA，B地的本地时间为tB，ΔtABDT是A地与BDT的差，ΔtBBDT是B地与BDT的差，有

ΔtABDT=tA-BDT

(1)

ΔtBBDT=tB-BDT

(2)

将式(1)减去式(2)可得两地的时间差ΔtAB为

ΔtABDT-ΔtBBDT=tA-BDT-(tB-BDT)

=tA-tB=ΔtAB

(3)

3 实验与结果分析

选取2019年3月28日(MJD 58570)至2019年4月27日(MJD 58600)之间NTSC和TP的多频多模接收机观测获得的北斗和GPS数据为计算分析对象。该试验中，每台接收机的时间频率参考都为协调世界时在两个守时实验室的物理实现UTC(k)(k指NTSC和TP)，参与此次时间比对实验的接收机配置信息见表1。

表1 接收机配置信息Tab.1 Setup information of receivers实验室接收机名称接收机类型天线类型NTSCNT02GTR55NOV850TPTP01GTR55NOV704XTP02GTR55NOV704WB

3.1 零基线共钟比对

为测试接收机的稳定性和对北斗三号测距码的噪声水平进行评估，对GNSS接收机进行了零基线同钟时间比对(CCD)实验。利用共视法对捷克光电研究院的两台同类型接收机TP01和TP02开展了北斗三号CCD实验，并和GPS CCD的结果进行了比较。利用比对结果的标准差(STD)对噪声水平进行性能评估，比对结果如图2和图3所示。由于NTSC目前暂未有两台可接收北斗三号卫星信号的接收机，所以未进行CCD实验，但参与本次比对的接收机与TP相同，故认为TP的CCD结果也适用于NTSC。

图2 北斗三号零基线共钟比对结果图Fig.2 Common clock difference based on BeiDou-3

图3 GPS零基线共钟比对结果图Fig.3 Common clock difference based on GPS

由图4和图5可以看出，TP01和TP02接收机基于北斗三号的零基线时间比对结果稳定，其STD为0.74ns，与GPS零基线共钟比对结果的STD处于同一量级，但由于北斗三号正处于全球组网阶段，观测到的BDS-3卫星较GPS卫星数少，所以BDS-3的测量噪声水平略高于GPS，但可以用于远距离的高精度时间比对。

3.2 单站观测数据分析

利用标准共视文件在比对时间段内对NTSC和TP的观测数据分别进行分析。两个实验室观测到不同卫星数的观测量占整个观测量的百分比统计如图4和图5所示。

图4 NTSC的可视卫星数统计柱状图Fig.4 Satellite number observed at NTSC

图5 TP的可视卫星数统计柱状图Fig.5 Satellite number observed at TP

从图4和图5可以看出，由于北斗二号是区域卫星导航系统，亚太地区覆盖范围比欧洲区域好，因此NTSC观测到的北斗二号卫星数目比TP多，北斗三号是全球卫星导航系统，目前在轨服务的卫星和GPS星座卫星相似都为MEO卫星，所以北斗三号和GPS在亚太和欧洲地区都有相似的覆盖情况，在NTSC和TP观测到的北斗三号卫星数量大多都分布在2～5颗，GPS卫星数量大多为5～9颗。

码伪距多路径噪声与卫星高度角有关，且高度角越高，多路径噪声越小[6]。观测期间(MJD 58570-58571)在NTSC和TP分别观测到卫星的不同高度角区间观测量统计情况如图6和图7所示(由于GEO卫星的特殊性，图6和图7均未统计GEO卫星)。

图6 NTSC观测卫星的高度角统计柱状图Fig.6 Elevation of BeiDou and GPS observed at NTSC

图7 TP观测卫星的高度角统计柱状图Fig.7 Elevation of BeiDou and GPS observed at TP

从图6、图7可以得出，北斗二号卫星在NTSC的观测高度角约有70%都在50o以上，信号覆盖情况优于TP，数据观测质量更好。而NTSC和TP的北斗三号和GPS卫星在不同高度角区间内的观测数量比较接近。

3.3 共视比对结果分析

在GNSS共视时间比对时，一般来说较多的可用卫星数可以平均出更好的时间比对结果。NTSC和TP在相同时刻能够共视到的卫星数如图8所示。

图8 NTSC和TP共视卫星数示意图Fig.8 Satellite number observed at TP and NTSC

从图8得知，NTSC和TP共视到的GPS卫星数大多为2到3颗，北斗二号卫星数大多为2到4颗，北斗三号卫星数最少，大多为1到2颗。

基于北斗三号卫星，依据GNSS标准共视数据处理规范并利用式(3)得到了NTSC-TP共视时间比对结果。为便于分析，如图9所示，对GPS和北斗二号共视结果进行了常数平移。

从图9可知，利用Vondark滤波对原始结果进行了平滑并相对于滤波值计算了其均方根，GPS、北斗二号和北斗三号中捷共视比对结果均方根分别为0.839ns，1.417ns和1.161ns。上述计算及分析表明，在目前北斗三号比北斗二号共视可视卫星少的情况下，其共视比对精度较北斗二号有了明显提高，提高幅度约19%。北斗三号正处于全球组网阶段，目前其共视比对精度较GPS略低，随着北斗三号卫星不断发射，其比对精度必然得到进一步提升。

图9 NTSC-TP链路共视比对结果示意图Fig.9 Time differences between TP and NTSC via Common-View

4 结束语

利用目前中捷两地可接收的北斗三号卫星完成了NTSC和TP之间的亚欧基线共视时间比对为北斗加入UTC计算提供了初步技术参考。基于北斗三号卫星完成了零基线共钟时间比对，利用观测数据分析了单站可视卫星数及高度角情况，通过Vondark滤波对共视比对结果进行滤波平滑与粗差剔除，并和北斗二号系统及GPS系统做了比较验证，在当前中国和捷克之间北斗3号共视可视卫星数比北斗2号少一半的情况下，北斗3号卫星的共视比对精度为1.16ns，北斗2号为1.42ns，其比对精度较北斗二号有明显提升，提升幅度约19%。