数字卫星电视授时方法及其研究进展

王善和，华 宇，向 渝，高媛媛，黄长江，赵 弦

(1.中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 101048)

0 引言

在当今信息化社会，许多行业均有时间同步需求，如电力、通信、金融等行业，尤其是飞速发展的5G通信技术，对现代授时系统的要求越来越高。在国防领域，不仅需要精确的时间信息，还需要一定精度的定位服务能力。全球导航卫星系统 (Glo-bal Navigation Satellite System，GNSS)的快速发展与应用为时间频率和定位导航带来了革命性的变化，在保障国家与国防安全、促进国民经济发展与提高人民生活质量等方面发挥着越来越重要的作用。

但是GNSS信号易受遮蔽，抗干扰能力不足，难以满足军民各类用户安全、可靠的应用需求。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)于2019年6月6日公布了最新的全源定位与导航(All Source Positioning and Navigation，ASPN)项目概览，提出了在没有全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的环境下达到与GPS相当的定位导航与授时(Positioning, Navigation and Timing，PNT)水平，并且拥有比GPS更好的抗干扰能力[1](Achieve GPS-level PNT without GPS/Outperform GPS for disruptive capabilities)。在2020年2月19日，英国多个部门联合发布了“国家授时中心(National Timing Centre)”建设计划，该项目总投入3600万英镑，主要目标之一是为英国提供弹性的国家时间基础设施，规避过度依赖GNSS带来的风险[2]。

因此，为更好地满足社会经济活动和军事行动对授时服务及对抗的需求，迫切需要引入新技术、新系统、新方法，形成更为完善、可靠的国家授时服务体系[3-4]。

中国科学院国家授时中心(National Time Ser-vice Center，NTSC)作为我国唯一、专门、全面从事时间频率基础研究和应用研究的科研机构，积极推进我国时间频率体系的建设，为构建立体交叉、多源互补授时体系开展了多种新的授时手段的研究，如基于低压电力线的授时方法研究[5]、基于有线电话的授时方法研究[6-7]、基于FM调频广播的授时方法研究[8]和基于数字卫星电视的授时方法研究[9-11]。其中，数字卫星电视授时充分利用了现有的广电基础设施和频率资源，在不影响电视节目正常播出的前提下，利用卫星电视信号实现了高精度的时间传递，该授时方法是一种星基授时方法，具有覆盖范围广、授时精度高等优点，可作为GNSS的补充或备份系统，以减小过度依赖GNSS带来的风险。

1 数字卫星电视授时理论及方法

我国数字卫星电视采用的是卫星数字视频广播系统(Digital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S)标准，通过对DVB-S标准和数字卫星电视信道的研究，中国科学院国家授时中心在2008年提出了基于DVB-S标准的数字卫星电视授时方法，并申请了多项发明专利。这种方法主要是利用电视信号中的节目时钟参考(Program Clock Reference，PCR)字段作为时间同步与信号传播时延测量的参考信号，即在数字卫星电视上行站和接收机同时记录电视信号中每个PCR出现的精确时刻，相同PCR对应的时刻值之差就是电视信号从上行站到电视卫星、再到接收机的传播时延。通过对电视信号传播链路时延的高精度测量与计算，对接收机进行实时时延修正，以达到接收机与上行站标准时间的高精度同步。

1.1 高精度时间戳技术

DVB-S信源编码标准采用MPEG-2标准[12]，该标准规定的TS流(Transport Stream)主要应用于实时广播的电视节目。TS流由TS包(TS Pack-et)组成，如图1所示，每个TS包由4byte的包头和184byte的载荷组成。包头中含有固定值为0X47的8bit同步字节，另外包头中的包标识符(Packet Identifier，PID)长度为13bit，是用于区分不同类型TS包(如视频/音频)的重要参数，不同节目的视音频TS包用唯一的PID标识。

图1 TS包结构图Fig.1 TS Packet structure diagram

在TS流中，只有指定的TS包中才有PCR，具体PCR在TS流的哪个包中，是由系统复用器输出的PID值决定的。若TS包中存在PCR，则PCR标志位为1，否则为0，但2个相邻的PCR出现间隔不能超过40ms，且PCR在24h内不会出现重复的值。

由于TS包的数据实时更新，且数据不可预知，因此选择利用高精度原子钟记录TS包包头同步字节0X47最后一位出现的精确时刻作为PCR对应的时刻，如图2所示。

图2 时间戳生成示意图Fig.2 Time stamp generation diagram

若当前TS包的PID是指定包含PCR数据的PID且PCR标志位为1，那么将PCR数据与测量的时间值合并，生成时间戳。时间戳的关键字是PCR数据，对应时间为测量的精确时刻值。在电视信号传输和解调过程中，异步串行接口标准[13](Asynchronous Serial Interface, ASI)是一种承载动态图像专家组(Moving Picture Experts Group，MPEG)传输层TS流的数据格式，ASI传输码率为固定的270Mbit/s，因此时间戳分辨率为

其中，f是对原子钟倍频或分频后的频率，若取f=100MHz，则时间戳的分辨率为10ns。

向渝在其博士论文[10]中通过试验证明了利用时间戳进行链路时延测量的可行性和有效性；王善和等[14]通过理论分析给出了利用时间戳测量时延的标准差为4.08ns，并指出随着测量次数的增加可以进一步降低测量误差。

1.2 数字卫星电视授时原理

数字卫星电视授时系统的时间传递路径如图3所示，上行站将包含基准时间的时间戳数据调制到电视信号上行载波上，与音视频信号一同通过天线发射到卫星，用户接收机接收经电视卫星转发的电视信号。

图3 数字卫星电视授时时间传递路径示意图Fig.3 Schematic diagram of the transmission path of digital satellite TV timing

结合图3，用户接收机接收上行站发射信号总的传播时延τ为

(1)

假设上行站检测到某一PCR的生成时刻为T0，用户端接收到该PCR的时刻为Tu，用户钟与上行站时间基准的钟差为Δtu，其时延测量相位关系如图4所示。

图4 时间测量相位关系示意图Fig.4 Time measurement phase relationship diagram

由此可知

Δtu=Tu-(T0+τ)

(2)

将式(1)代入式(2)，得

(3)

将式(3)写为

(4)

(5)

即

(6)

那么数字卫星电视授时用户与上行站钟差公式为

(7)

将式(6)代入式(7)，得

(8)

1.3 数字卫星电视授时方法

在2015年以前，数字卫星电视授时方法的原理如式(7)，2015年提出了数字卫星电视差分授时(Digital Satellite TV Differential Timing，DSTVDT)方法，其原理如式(8)。相对于式(7)，该方法减少了上行站对上行之前的信号进行PCR时间戳生成的步骤，在计算过程中上行链路时延被完全抵消，下行时延可以抵消大部分，授时精度较单向授时有很大提高，并且简化了授时流程，理论分析结果表明，该方法的授时精度可优于10ns[14-15]。结合图5给出了该授时方法的步骤：

1)上行站将本地时间溯源至国家标准时间UTC(NTSC)。

2)上行站通过卫星天线接收数字卫星电视下行信号，并记录电视信号中所有PCR的接收时刻，生成高精度时间戳，即图5中的时间戳s。

3)上行站将时间戳和其他系统提供的卫星星历等数据编码为授时电文，通过编码器的数据接口(19.2kbit/s的串口)传给信源编码，并指定数据编码器PID，插入电视信号中，随音频和视频节目上行至电视卫星对外广播，即图5中的红色虚线。

5)将多组钟差数据拟合，得到用户本地钟与标准时间的钟差多项式，可进一步驾驭本地钟。

图5 数字卫星电视授时方法示意图Fig.5 Schematic diagram of digital satellite TV timing method

在上述步骤3)中将授时电文插入编码器的数据接口，与音频和视频数据相对独立，因此不会影响现有节目的正常播出。2013年，在优漫卡通卫视频道也开展了测试，实际测试结果表明[10,16]：在授时电文插入前后，表征电视信号质量的2个参数——信噪比和误码率均没有明显的变化，即电文的插入不影响电视节目的正常播出，并且授时电文能够正常被解析，这说明电文的插播和解码功能正常。

2017年11月8日—9日，在中国科学院国家授时中心(西安)、长春人卫站(长春)和云南天文台(昆明)同时对数字卫星电视授时方法进行了测试。测试过程中，采用卫星双向时间频率传递[17-19](Two Way Satellite Time Frequency Transfer，TWSTFT)方法测量以上三站与UTC(NTSC)的钟差，并作为基准。图6给出了各站利用数字卫星电视授时方法测量得到的钟差与基准的偏差。

图6 数字卫星电视授时钟差测试结果Fig.6 Test results of clock difference of digital satellite TV timing

多个站的连续24h测试结果表明，数字卫星电视授时方法定时精度优于50ns(RMS)。为了提高数字卫星电视的可扩展性，在授时电文中插入更多的信息和时间戳，例如多个频道的时间戳数据，此时可通过网络将授时电文对外发布，即省去电文插播的环节，这样可以将上行站变为基准站。由于基准站不再上行电视信号，所以布局较为灵活，只要具有卫星接收天线和时间溯源至国家授时中心的地面站，理论上都可以作为基准站；同时不受某节目上行站检修带来的不便，可持续发布电文信号，并且从根本上避免了授时电文的插播对电视节目安全播出的影响，但缺点是用户接收机额外增加了网络的需求。

1.4 优点与不足

数字卫星电视授时方法是一种独立于现有GNSS的高精度授时新方法。该方法充分利用现有广播电视基础设施和无线频率资源，不用专门发射卫星或转发特定的信号、不占用珍贵的无线频谱资源，在不影响现有广播电视节目正常播出的前提下实现了高精度授时，具有系统建设投资少、周期短的优点。此外，电视卫星资源丰富，电视信号作为民用信号，在一定程度上可以避免GNSS信号所面临的恶意干扰和攻击问题，消除了GNSS授时所引起的战略安全隐患。同时，基于该方法的研究成果将为构建一种新的广覆盖、高可用性、安全可靠的授时系统提供有力的理论依据与技术支持，从而可形成对现有星基授时技术的补充和备份，对国家PNT体系建设中的技术创新和发展具有重要意义。

由于接收数字卫星电视信号需要使用较大口径的卫星天线，在部分场景下可能无法使用该授时方法，因此天线小型化工作是下一步的工作重点。另外，当电视卫星机动时，可能在一段时间内无法获取精密星历，如何保证这段时间内的授时精度也是需要解决的问题。

2 应用及推广

2.1 降低星历误差影响的方法

理论推导表明[20]，因卫星星历误差引起的基准站A、用户u到卫星的距离差的误差为

(9)

其中，duA是用户与基准站之间的距离；dAO是基准站和电视卫星之间的距离；Δr为星历误差向量；euA为用户与基准站之间的单位向量。

从式(9)可以看出，星历误差引入的授时误差与用户到基准站的方向有关，若用户到基准站的方向向量与星历误差的方向向量垂直，则星历误差对授时精度的影响为零；若用户到基准站的方向向量与星历误差的方向向量平行，则星历误差对授时精度的影响最大，此时，影响系数是用户到基准站间的距离与基准站到卫星间的距离之比，用户到基准站距离越近，星历误差的影响越小。

式(9)也表明，若两用户与基准站的距离相等，方向相反，则星历误差引入的授时误差是相反数的关系。另一方面，将NTSC作为一个基准站A1，再建立多个相同功能的基准站A2，…，An，并且各基准站时间溯源至NTSC。若用户处于两基准站A1和A2中点的位置，则Teph(A1，u)和Teph(A2，u)大小相等，方向相反，通过求2个基准站与用户钟差的平均值，可以消除星历误差的影响。因此，如果某一用户利用多个基准站的授时数据计算钟差，并将钟差按照一定的权重加权，可以减少甚至消除星历对授时精度的影响。

假设用户u同时接收基准站A1，A2，…，An(n≥3)的授时数据，根据式(9)，对于Ai(i=1,…,n)基准站有

(10)

(11)

通过适当的近似和推导，求解权重的问题可以转化为如下优化问题

(12)

式中

求解出权重之后，根据式(11)即可得到星历误差引入的授时误差，其最大值为

(13)

图7 6个基准站和分布图Fig.7 Map of 6 base stations and

图8 26个基准站和分布图Fig.8 Map of 26 base stations and

数据仿真与试验结果表明，在卫星星历有10km误差的情况下，在中国布局6个基准站，可以显著降低中国大部分地区星历误差对授时精度的影响。若基准站之间的距离较短，在几百千米左右，在基准站包围区域内，卫星星历误差对授时引入的误差小于10ns，这种方法可以有效提高授时精度，同时也是数字卫星电视授时系统稳定运行的一个重要保障。

2.2 电视卫星测定轨技术

为了减少数字卫星电视授时系统对定轨系统的依赖性，中国科学院国家授时中心探讨了使用时间戳测距方式进行卫星定轨的可行性。在全国范围内选择了5个测轨站，分别是西安站、上海站、长春站、昆明站和乌鲁木齐站。为精确测量链路时延，各测轨站之间采用了卫星双向时间频率传递方式对时间进行精确同步，即式(8)中Δtu为已知量，那么可得测轨站u和测轨站A之间的观测方程为

(14)

式(14)中左侧含有卫星坐标的3个未知数，5个测轨站可得4个观测方程，因此可以求解出卫星的坐标。在数值仿真中，采用了中国科学院国家授时中心李志刚等提出的卫星轨道测定方法——转发器式卫星测轨定轨方法与技术[21-22]，对电视卫星进行定轨，仿真结果表明,该定轨方案精度优于10m[10]。

2.3 基于数字电视卫星的定位技术

转发电视信号的卫星为地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)卫星，若数字卫星电视授时系统提供多颗GEO卫星的时间戳数据，用户接收机同时测量自身与基准站到多颗卫星的距离差或伪距差，在用户高度已知的前提下，可以计算得到用户的经纬度和钟差数据。即式(14)中左侧含有用户坐标的3个未知数，若存在多个观测方程，结合大地椭圆方程即可求解用户的位置信息。

高媛媛在其博士论文[23]中探讨了这种定位方法的可行性和定位精度。在半实物仿真过程中，选择3颗GEO卫星，分别是亚太7号、中星10号和中星12号，以西安站为基准站，南海某海面作为待定位置，采用基点修正的气压测高实行地球椭圆高程约束，其测高精度约为20cm，在时差测量精度15ns的情况下，利用牛顿迭代法和无迹卡尔曼滤波[24-25](Unscented Kalman Filter，UKF)定位算法对待定位置进行三维定位解算。其中，牛顿迭代法解算结果在X、Y、Z轴方向的均方根误差分别为6.4m、18.4m和55.3m；基于UKF的定位算法在X、Y、Z轴方向的均方根误差分别为7.3m、11.0m和7.4m。牛顿迭代法的三维定位精度(1σ)为32.1m；UKF算法的三维定位精度(1σ)为11.5m。

尽管定位精度不高，但在GNSS拒止情况下，该方法可发挥应急和备份的作用，尤其是对于大型的海上移动目标有较好的应用前景。

3 总结及展望

本文通过回顾数字卫星电视授时的发展过程，总结了数字卫星电视授时原理和方法，阐述了其中的关键技术问题，并指出了部分发展方向及应用场景。基于现有基础，数字卫星电视授时下一步的工作大概有以下几点：

1)天线小型化工作。目前数字卫星电视授时系统采用的信号为C波段电视信号，天线口径大，在许多场景下使用不便。因此，为推广数字卫星电视授时系统的应用，应解决天线小型化问题，这也是作者所在团队的目标之一。

2)基于Ku波段的授时方法研究。Ku波段电视信号具有更丰富的节目和频率资源，同时也有利于接收天线的小型化。

3)基于新编码体制下的授时方法研究。除了MPEG-2编码，部分节目采用了MPEG-4编码，但由于MPEG-2和MPEG-4的知识产权及专利费用问题，越来越多的节目采用了我国牵头制定的AVS/AVS+编码标准[26-27]，因此需要探索在不同编码体制下的数字卫星电视授时方法。

4)丰富和完善授时系统建设及应用。丰富和完善数字卫星电视授时系统的建设工作，推广数字卫星电视授时方法在测定轨和定位方面的应用，进一步拓展其应用场景。