基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统

武美芳，孙保琪,2，杨旭海,2，王 格,2，王源昕,2

(1.中国科学院国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

时间作为自然界中最基础的物理量之一，在科学研究和经济运行等领域都起着十分重要的作用。1972年1月，协调世界时(Coordinated Universal Time，UTC)开始正式成为国际标准时间，是世界各国时间服务的基础[1]。UTC是由国际计量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)和国际地球自转服务(International Earth Rotation and Reference Frames Service，IERS)保持的时间尺度，是国际原子时(International Atomic Time，TAI)和世界时(Universal Time，UT1)的结合。UTC是滞后的纸面时间，其在各国时间实验室中的物理实现记为UTC(k)，大多数UTC(k)是各国的标准时间[1]。与以GPS时(GPS Time，GPST)为代表的GNSS系统时间相比，UTC(k)具有更好的稳定性和可用性[2]。UTC(NTSC)是UTC在我国的物理实现之一，是我国的国家标准时间，由国家授时中心(National Time Service Center，NTSC)负责产生、保持和发播[2]。

授时，也称为时间服务，是指确定、保持某种时间尺度，并通过一定方式将代表这种尺度的时间信息传递给使用者的一系列工作[1]。目前，常用的授时手段主要包括：网络授时、电话授时、低频时码授时、短波授时、长波授时、GNSS授时及光纤授时等。GNSS授时精度可达10～50ns，是目前精度最高且应用最广泛的授时技术之一。然而，GNSS授时依赖于GNSS高精度的空间基准和时间基准，用户通过解算用户钟与GNSS系统时之间的偏差完成授时。利用双向、共视、全视、精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)和光纤等技术，可得到测站间的时间偏差，因此，称为时间传递技术，而非授时技术[3]。

近年来，随着现代信息社会的快速发展，新一代移动通信、深空探测等诸多领域对国家标准时间授时的精度和时效性提出了更高的要求，从秒级需求逐渐发展到纳秒级、亚纳秒级甚至皮秒级，从事后到实时。常规的几十纳秒到纳秒级的授时精度以及事后处理的工作模式已无法满足需求。因此，高精度的、实时的、基于国家标准时间的授时系统成为近年来的研究热点。

2015年，欧盟发起了“Horizon 2020”研究计划，旨在为用户提供改进的时间服务[4-5]。该计划设计了九种不同的服务模式，时间监测与控制为其中之一。该模式下，服务端基于事后PPP方法，每小时向用户广播用户钟和UTC(k)之间的偏差。由于使用了事后PPP方法，用户通过该模式获得时间服务的时延至少为1h。2019年，W.Guo等建立了高精度实时GNSS单向授时系统，并对其进行了测试[6]，测试结果显示，输出的1PPS的天稳优于1ns。该系统建立并使用了一个新的时间参考，而不是UTC(k)。因此，用户基于该系统可获得亚纳秒的授时精度,但该系统不可以直接应用于国家标准时间授时。

国际GNSS监测评估系统(international GNSS Monitoring and Assessment Service，iGMAS)是我国倡导和建立的一套系统[7]，旨在建立GNSS全球跟踪网，并生成高精度精密星历、卫星钟差等各类产品，服务于科学研究和各类应用。

UTC(NTSC)作为我国国家标准时间，是一切时间服务的基础。本文设计并实现了基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统(Precise Time Service System，PTS)。基于PTS，可获得实时的、亚纳秒级别的国家标准时间服务，且该系统成本低廉、易于实现，具有重大的科学意义和应用前景。

1 系统原理

如图1所示，PTS由服务端、用户端和通信网络三部分构成。服务端包括基准站、iGMAS跟踪网、国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)跟踪网和数据分析处理中心，其中基准站外接UTC(NTSC)。用户端包括GNSS接收机和授时解算模块，其基本原理为：服务端收集基准站以及iGMAS/IGS跟踪网的观测数据，分析处理得到以UTC(NTSC)为参考的实时卫星钟差产品和实时轨道产品。用户端采集实时的伪距和载波相位观测数据，结合服务端经由通信网络播发的实时轨道和以UTC(NTSC)为参考的实时钟差产品，实时精确解算本地钟与UTC(NTSC)偏差，即可完成授时。PTS用户端可采用多种解算方法完成授时，本文采用PPP技术。

图1 PTS工作原理

1.1 服务端—基于高频观测文件拼接的实时钟差确定方法

从图1可知，以UTC(NTSC)为参考的、高精度的实时卫星钟差产品是PTS实现的基础。对于GPS和GLONASS来说，目前常用的实时产品包括广播星历中的钟差参数、超快产品的预报部分(IGU-P)和IGS 实时服务(IGS RTS)提供的实时钟差改正数等。GPS和GLONASS的广播星历钟差精度(STD)分别为2.5ns和7ns，IGU-P提供的GPS预报钟差精度为1.5ns，均不可用于亚纳秒级的授时系统。IGS RTS产品从2013年4月1日开始正式发布，旨在提供广播星历的实时改正数，但IGS不保证IGS RTS产品的可用性和精度等。T.Hadas等指出，IGS RTS产品中GPS和GLONASS改正数的精度分别为0.28ns和0.8ns，当卫星在地影期间，产品精度会有所下降，且在极端情况下，数据中断可能达8h[8]。Y.Lv等指出，IGS RTS提供的实时钟差参数，在理想状态下依然有约10%的历元丢失[9]。以上问题均为基于IGS RTS产品开展实时授时面临的困难。而对于BDS和Galileo，目前鲜有机构提供可靠的实时钟差产品。BDS和Galileo的广播星历精度也均大于1ns。因此，如何生成高精度、高可靠性、以UTC(NTSC)为参考时间的实时钟差是PTS的关键技术之一。

PTS采用了基于高频观测文件拼接的实时钟差确定方法，生成以UTC(NTSC)为基准的高精度实时钟差。一方面，将实时钟差产品参考钟设置为UTC(NTSC)，满足了UTC实时精密授时的需求，克服了由于钟差产品参考时间不连续而引起的授时结果跳变的问题；另一方面采用高频观测文件代替实时观测数据流，在保证实时星钟差产品精度的同时，提高了产品的可靠性和可用性。基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法，将钟差估计和钟差超短期预报相结合以确定实时卫星钟差。本文采用的高频观测文件为iGMAS和IGS提供的小时观测文件，以削弱对网络的依赖。

如图2所示，基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法流程可以分为钟差估计、钟差预报及产品播发三部分。

图2 基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法流程

钟差估计部分采用最小二乘法，基于非差消电离层组合观测值实现[10-12]。钟差估计时，输入高频观测文件、站坐标、地球自转参数及轨道，输出与接收机无关的交换格式(Receiver Independent Exchange，RINEX)的钟差文件。钟差估计策略如表1所示。

表1 钟差估计策略表

在钟差估计时，首先要提供一个钟差基准，可选择一个卫星或接收机的钟差或其组合，基于该基准，估计其他卫星相对于该基准的钟差。PTS中，为了实现UTC(NTSC)授时，将星钟差的基准固定为UTC(NTSC)，称之为归一化处理。归一化处理是实现以UTC(NTSC)为基准的高精度实时卫星钟差的关键步骤。

将星钟差产品的基准固定为UTC(NTSC)，有两种方法。方法1为：在星钟差解算的过程中，将其基准设置为某接收机钟，并将该接收机外接UTC(NTSC)信号，此时获得的星钟差即为以UTC(NTSC)为基准的实时星钟差产品；方法2为：在星钟差计算完成后，利用实时PPP技术，通过解算星钟与UTC(NTSC)之间的偏差，将星钟差参考时间归算至UTC(NTSC)。方法2中，由于利用PPP计算需要耗费时间，归算参考时间时需要一定的时间，因此，方法2适用于近实时产品，而非实时产品。

本系统采用方法1将星钟差产品的基准固定为UTC(NTSC)。首先，设置基准接收机，外接UTC(NTSC)信号，并精确测量连接链路设备时延。其次，基准接收机数据参与实时星钟差解算，并将其固定为星钟基准，解算各星钟相对于该基准的钟差。此时，生成的星钟差产品参考时间即为UTC(NTSC)。

钟差预报也是基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法中的一部分。钟差预报前，需进行数据质量控制，包括粗差探测及修复和钟跳探测及修复等。由于基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法的更新频率较快(15min～1h均可)，只需对卫星钟差的超短期预报进行研究。系统中采用了G.Huang等提出的自适应钟差预报模型[13]，此处不再赘述。

钟差预报生成高精度的RINEX格式实时钟差产品，根据实时用户需求，可将其生成状态空间表示(State Space Repersentation，SSR)格式的广播星历钟差的高精度改正数。值得注意的是，广播星历是没有修正相对论效应的，而通过上述步骤生成的RINEX格式的实时钟差产品是修正了相对论效应的，所以需要将其二者匹配后再通过BNC软件播发。

1.2 用户端

用户端接收服务端生成的基于UTC(NTSC)的高精度实时卫星钟差，结合卫星实时轨道和测站坐标等。基于式(1)和式(2)，利用非差消电离组合观测值，即可得出用户站钟相对于UTC(NTSC)的钟差，从而实现国家标准时间精密授时

(1)

(2)

2 系统搭建

国家授时中心负责国家标准时间UTC(NTSC)的产生、保持和发播，同时也是iGMAS跟踪站所在地之一，且是iGMAS分析中心和数据中心之一，为基于iGMAS的国家标准时间亚纳秒级授时系统的搭建提供了便利条件。UTC(NTSC)是我国国家标准时间，中长期稳定度为10-15～10-16量级，在过去2年内，UTC-UTC(NTSC)的RMS保持在3ns以内[2]。

2018年11月，国家授时中心设计并搭建了基于iGMAS的国家标准时间亚纳秒级授时原型系统，如图3所示，该系统由跟踪网、分析处理服务平台、播发平台及用户平台组成。其中，分析处理服务平台包括大型服务器及相关分析处理软件；播发平台基于CASTER、BNC等软件实现；用户平台基于全球分布的各种类型的接收机展开测试；跟踪网包括IGS/iGMAS跟踪站及基准站，基准站包括UTC(NTSC)主钟、相位微调仪和基准接收机等各类设备及相关软件。

图3 PTS原型系统

基准站位于国家授时中心，记为XIA6。基准站外接UTC(NTSC)信号，并精密测定接收机时延和电缆时延等。用户测试平台包括CAP1、GOP6和ONS1这3个测站。基准站及用户站信息如表2表示。

表2 基准站与用户站信息表

1)将UTC(NTSC)信号经相位微调仪处理后，接入基准站接收机XIA6，并精确测量电缆等设备时延；

2)基于iGMAS/IGS跟踪网的小时观测文件，分析处理平台归算实时轨道及基于UTC(NTSC)的实时星钟差，并通过BNC软件生成实时钟差改正数；

3)播发平台通过CASTER软件，将实时钟差和轨道改正数播发，记为TEST0；

4)用户测试平台各用户站接收实时观测数据和广播星历，结合TEST0改正数，求解本地站钟与UTC(NTSC)的差，授时完成。

3 系统测试

原型系统搭建完成后，对系统的测试分为2个方面：一方面是对基于UTC(NTSC)的实时钟差精度和完整性的测试；另一方面是基于原型系统的授时精度的测试。

3.1 基于UTC(NTSC)的实时钟差性能测试

实时钟差的性能是PTS性能的关键因素之一。因此，首先对基于高频观测文件拼接确定的、以UTC(NTSC)为参考的实时钟差产品进行测试。

采用Gibbs方程和Van’Hoff 方程对磁性纤维素吸附亚甲基蓝的热力学特征进行分析。吸附自由能(ΔG)、吸附焓变(ΔH)和吸附熵变(ΔS)可以通过式

测试中使用的高频观测文件为IGS/iGMAS发布的小时观测文件，实时轨道固定为iGMAS分析中心NTSC生成的超快产品NTU-P，ERP固定为FINALS2000A，测站数量约为70个，其中包含约30个iGMAS测站和40个IGS测站。实时钟差参考钟设置为UTC(NTSC)。以NTSC生成的最终产品为真值，基于二次差法，图4展示了2020年9月12日(DOY:255/2020)—2020年10月11日(DOY:284/2020)的GPS实时钟差测试结果。

图4 基于UTC(NTSC)的GPS实时卫星钟差精度

30天的在线测试统计结果显示，基于高频观测文件拼接确定的GPS实时钟差，其精度(STD)可达0.16ns，与IGS RTS提供的实时钟差产品精度相当，优于目前成熟的实时钟差产品广播星历和超快钟差产品。由于不存在数据丢包等现象，该产品的完整率为100%，且其参考时间为UTC(NTSC)。因此，基于高频观测文件确定的实时钟差可用于PTS。

3.2 原型系统授时性能测试

目前，基于iGMAS快速产品，利用GPS PPP站时间比对精度(STD)可达0.1ns，可作为真值评价PTS原型系统实时授时精度。因此，本文采用基准站XIA6和各用户站的事后PPP链路结果，对PTS原型系统的测试结果进行评估。评估方法可描述为：

1)利用原型系统进行授时，得到用户测试平台中各用户站本地钟与UTC(NTSC)的差；

2)利用iGMAS快速产品、结合PPP时间传递技术，生成用户测试平台中各用户站与基准站XIA6的时间比对结果，由于XIA6外接了UTC(NTSC)信号，并精确测量电缆等设备时延，可得到各用户站本地钟与UTC(NTSC)间的钟差；

3)结果1)与结果2)做差，并对其进行统计，即为PTS原型系统授时精度评估结果。

本文涉及的授时精度均指A类不确定度，采用标准差表示。

依据评估方法，图 5显示了用户测试平台中3个用户站CAP1、GOP6和ONS1 年积日(Day of Year，DOY)122/2021—128/2021共7天的实时在线授时评估结果。

图5 PTS原型系统各用户站连续7天授时精度评估结果

从图5可以看出，7天连续的评估结果显示，各用户站的授时评估精度为：CAP1为 0.81ns，GOP6为0.74ns，ONS1为0.70ns。

图6所示为各用户站单天的授时精度评估结果。从图6可以看出，用户测试平台中的用户站GOP6和ONS1所有天及CAP1站绝大多数天均可达到优于1ns的授时评估结果。

图6 PTS原型系统各用户站单天授时精度评估结果

为了揭示影响PTS原型系统授时精度的原因，分析了各用户站与基准站XIA6之间形成的基线长度，并利用TEQC软件计算了各用户站观测数据的多路径误差。如表3所示，各用户站基线从短到长依次为：CAP1，ONS1，GOP6；多路径误差从大到小为：CAP1，GOP6，ONS1。可以看出，多路径误差较大的测站CAP1，其PTS时间服务精度也明显较差。这是因为目前PTS原型系统用户端基于PPP技术进行授时，观测数据的多路径误差会影响PPP解算结果。与此同时，ONS1站观测数据多路径误差略大于GOP6站观测数据，但ONS1站的时间服务精度略优于GOP6测站。D.Matsakis等[14]指出，当PPP解算中使用浮点解模糊度时，可能会引起结果的非线性失真，这只是一个可能的原因，还需要进一步确认。从上述分析可以看出，PTS原型系统时间服务精度的影响因素包括：用户站和基准站之间形成的基线长度，以及用户站观测数据质量等。其中，用户站观测数据质量对系统精度影响较大。

表3 用户站连续7天PTS评估精度、平均多路径误差及与基准站形成的基线长度

4 结论

UTC是国际标准时间，是世界各国时间服务的基础。针对目前基于UTC的时间服务在精度和时效性等方面存在的问题，本文设计并搭建了PTS原型系统，详细阐述了其系统原理和系统组成，并对原型系统性能进行了测试分析。测试结果表明：

1)该系统可提供亚纳秒级精度的、实时的、可靠的授时服务。与目前广泛应用的GNSS授时技术相比，PTS将实时授时精度提高了1～2个量级，可满足某些领域对时间服务的需求。

2)PTS基于国家标准时间UTC(NTSC)实现，可直接用于UTC比对。该方法成本低廉，易于实现，具有广泛的应用前景。

3)本文在搭建PTS原型系统时，用户端采用PPP技术求解用户站钟与UTC(NTSC)的钟差，以完成授时。在实际应用中，用户端解算时，可根据用户对精度等方面的要求，选择多种方式。另外，本文仅基于GPS对PTS原型系统授时精度进行测试。基于BDS的PTS授时测试方案和结果还需要进一步完善。