论文推荐 | 施闯：​北斗广域高精度时间服务原型系统

《测绘学报》

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北斗广域高精度时间服务原型系统

施闯^1,2, 张东^1,2, 宋伟^1,2, 于佳亮², 郭文飞³     

1. 北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京 100083;
2. 卫星导航与移动通信融合技术工信部重点实验室, 北京 100083;
3. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079

收稿日期：2018-11-20；修回日期：2019-11-28

基金项目：国家自然科学基金重点项目（41931075）；中国卫星导航系统重大专项（GFZX030302030204）；国家自然科学基金面上项目（41974038）

第一作者简介：施闯(1968-), 男, 教授, 研究方向为数据平差、GNSS与低轨卫星定轨以及实时精密定位等。E-mail:[e-mail]

通信作者：宋伟, E-mail：[e-mail]

摘要：基于精密单点定位（precise point positioning，PPP）的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的优点成为性能最优的GNSS时间传递方法之一。随着广域差分产品时效性的提高，实时PPP时间传递开始应用于精密授时的研究。本文在PPP时间传递技术的基础上，结合实时卫星钟差估计、接收机时钟调控及硬件延迟标校技术，建立了基于北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的广域高精度时间服务（wide-area precise timing，WPT）系统，可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准，并提供广域实时差分改正数；用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异，并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能，本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明，该系统零基线、短基线时间同步精度优于0.5 ns，广域条件下单天的授时精度均优于1 ns，为基于北斗系统的精密授时技术发展提供了参考。

关键词：时间传递    广域高精度时间服务系统    卫星钟差估计    时钟调控    硬件延迟校准    

BeiDou wide-area precise timing prototype system

SHI Chuang^1,2, ZHANG Dong^1,2, SONG Wei^1,2, YU Jialiang², GUO Wenfei³     

1. School of Electronic and Information engineering, Beihang University, Beijing 100083, China;
2. Laboratory of Navigation and Communication Fusion Technology, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100083, China;
3. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China

Foundation support: The Key Program of National Natural Science Foundation of China (No. 41931075);The Specific Project of Chinese Satellite Navigation System(GFZX030302030204);The General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 41974038)

First author: SHI Chuang(1968—), male, professor, majors in network adjustment, precise orbit determination of GNSS satellites and LEOS and real-time precise point positioning(PPP). E-mail: [e-mail].

Corresponding author: SONG Wei, E-mail: [e-mail].

Abstract: In recent years, the time transfer method based on precise point positioning (PPP) shows a superior performance in terms of accuracy and coverage, which has made it become one of the most popular GNSS time transfer methods. As the timeliness of wide-area differential products improves, real-time PPP time transfer has been applied to the study of precise timing. On the basis of PPP time transfer, this paper introduces a wide-area precise timing(WPT) system based on BeiDou satellite navigation system (BDS). We applied real-time PPP time transfer, time-frequency control and hardware delay calibration technology in this system, which could ensure that users can obtain accurate, stable and traceable time in real time.The WPT system consisted of time service platform and terminal. The platform introduced high-accuracy time as the reference time of the system. At the same time, it provided real-time wide-area differential correction data. The terminal obtained the difference between the local clock and the system time based on PPP method. Then steering clock technology was used to realize time synchronization between terminal and system. In order to verify the real-time timing performance of the system, this paper conducted performance testing and evaluation in zero baseline, short baseline and wide-area environments. The experimental results show that the accuracy of time synchronization in the condition of zero baseline and short baseline is better than 0.5 ns. And timing accuracy in a single day is better than 1 ns in a single day, which provide a reference for the development of precision timing technology based on BeiDou system.

Key words: time transfer    wide-area precise timing system    satellite clock offset estimation    clock steering    hardware delay calibration    

建立和维持某种时间尺度，并通过一定方式将该时间信息播发，这一完整的过程称为时间服务，在国内通常称为授时^[1]。随着信息化时代的发展，新一代通信技术、精密测控以及军用武器平台等领域对授时的精度提出了纳秒甚至亚纳秒级的要求。近年来，GNSS技术的发展为远程时间比对方法的变革提供了新的契机，高精度授时被列为各导航系统的主要服务之一^[2-4]。

自从文献[5]提出共视法(common view，CV)实现精密时频传递以来，GNSS时频传递技术成为近年来研究的热点问题。文献[6]采用IGS提供的超快速预报轨道对基于载波相位观测值的共视法进行了研究，获取了亚纳秒级的实时时间传递精度。对于共视法而言，授时基线距离的增加不仅会导致共视卫星数目减少，还会使站间大气延迟的相关性降低，从而影响时间传递精度^[7-10]。随着IGS精密星历、钟差产品精度与时效性的提高，基于精密单点定位的时间传递成为性能优于CV的GNSS时频传递技术^[11]。文献[12]采用IGS最终精密产品研究了PPP的时间传递性能，通过与双向卫星时频比对方法(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)的比较，验证了事后模式的静态PPP可以实现0.1 ns的时间传递精度。此外，其测量噪声在短时间内(1 d)比TWSTFT低1.5倍。在此基础上，文献[13]采用IGS提供的钟差轨道产品IGC01初步验证了准实时模式下的PPP时间传递精度，与事后采用精密星历处理一致性为100~300 ps，并指出卫星钟差及轨道误差的精度是影响实时PPP时间传递精度的主要因素。文献[14-15]基于IGS实时服务(real-time service，RTS)，研究了附加原子钟随机模型约束的PPP时间传递方法，该方法将时间传递精度提高了4%~35.5%不等。

在一些实际应用中，授时用户需要通过时间传递方法获取相对于某一参考基准的时间，保证授时结果具有一定的溯源性。文献[16]采用实时估计的卫星钟差产品，结合PPP时间传递方法获取了相对于钟差基准的时间，并验证了引入的时间基准误差是PPP授时误差的主要因素之一。此外，授时结果还容易受到设备硬件延迟的影响，从而产生系统性偏差。本文在实时PPP时间传递技术的基础上，结合时频调控及硬件延迟标校技术，建立了基于北斗卫星导航系统的WPT系统，为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。下文将对WPT系统的组成部分进行介绍，并着重讨论系统中涉及的相对卫星钟差估计方法、时间基准引入方法、精密调钟算法及硬件延迟标校方法。最后，将系统实时输出的时间信号与北斗总站的标准时频信号比对，对WPT系统的授时性能进行初步评估。

1 WPT系统

系统由高精度时间产品服务平台和时频同步接收机组成(图 1)。时间产品服务平台负责实时计算由于卫星钟、轨道等误差引起的“卫星段”时间传递误差，以实时产品的方式播发给授时接收机。此外，产品服务平台引入某一标准时间源作为系统的参考时间基准，以实现授时结果的可溯源性。当用户仅有分布式时间同步需求时，平台还可通过测站外界的原子钟群建立稳定、可靠的时间基准，维持WPT系统内统一的时间。

图 1 WPT系统架构Fig. 1 WPT system architecture

图选项 

时频同步接收机由时间传递单元和时钟调控单元组成。其中，时间传递单元通过网络实时获取服务平台实时播发的“卫星段”时间同步改正数，并采用实时PPP时间传递方法估计大气延迟引起的时间传递误差，进而获取本地时钟与钟差基准的差异；时钟调控单元根据实时获取的钟差结果，采用精密时钟调控算法实现本地时间与钟差基准的同步，并进行相应的硬件延迟标校，最终在整秒时刻输出授时结果的秒脉冲信息(1 pulse per second, 1 PPS)。

2 时间基准的引入与传递

对于WPT系统而言，PPP的“卫星段”时间传递精度主要受到实时卫星钟差与轨道精度的影响。由于卫星轨道的变化较为规律，现有的预报轨道精度一般认为能够满足定位及时间传递等应用需求。相比较于卫星轨道，卫星钟的变化较难预测，需要进行实时估计以满足时间传递的精度需求^[17]。此外，WPT系统还需要通过卫星钟差产品引入系统的参考时间基准。

2.1 卫星间相对钟差估计

基于无电离层组合观测值的非差观测方程可表示为

 (1)

式中，i为历元号；j为卫星号；k为测站编号；P_{k, ion}^j(i)、Φ_{k, ion}^j(i)分别为无电离层组合的伪距和相位观测值；ρ_k^j(i)为k号测站到j号卫星的距离；dt^j(i)为j号卫星的钟差，dt_k(i)为k号测站的接收机钟差；m_k^j(i)和ztd_k(i)分别为传播路径的投影函数和天顶对流层延迟；λ_ion为无电离层组合观测值的波长；N_{k, ion}^j为模糊度参数；ε为其他各项误差。

若直接采用非差观测方程估计卫星钟差，则在计算的过程中会产生大量的模糊度参数，影响实时卫星钟差估计的效率。因此，本文采用历元间差分的方法对实时卫星钟差进行处理，其基本原理是通过历元间差分的方式，消除大量的模糊度参数^[18-19]。若以l号卫星作为参考卫星，将历元差分后的观测方程再通过星间作差，其二次差形式可以表示为

 (2)

可以观察到模糊度参数和接收机钟差参数已经通过二次差消除。此外，在上述二次差方程中，相位方程和伪距方程待求参数相同，均为历元间变化的相对钟差dt^l, j(i, i+1)、天顶对流层延迟ztd_k(i)。由于相位观测值精度远高于伪距观测值，本文主要采用相位方程估计历元间相对卫星钟差的变化量dt^l, j(i, i+1)和天顶对流层延迟ztd_k(i)。

2.2 钟差基准引入

由于上述的双差观测方程只能解出相对钟差的历元间变化量，若要解出y历元的相对卫星钟差，则需要将之前历元解出的变化量累加，即式(2)中的dt^l, j(i, i+1)。此外，还要引入初始卫星钟差dt^l, j(0)。第i历元的相对卫星钟差dt^l, j(i)可以表示为

 (3)

式中，初始卫星钟差dt^l, j(0)可以采用伪距观测方程和相位观测方程解算得出。相对钟差dt^l, j(i)表征的是i历元卫星之间相对钟差的关系，若要获取“完整”的卫星钟差产品，还需要引入相应的钟差基准dt_ref(i)，从而获取该基准下的钟差dt^j(i)^[20-22]，即

 (4)

从式(4)可以看出，对于某个特定的历元，钟差基准对所有卫星钟影响均相同。此外，由于相对钟差是逐历元进行估计的，时间基准dt_ref(i)需要每个历元都要引入。

本文拟采用广播星历钟差改正项参考的时间基准作为实时钟差基准，具体做法如下：假设实时卫星钟差的平均值与广播星历提供的卫星钟差平均值一致，即实时卫星钟差产品与广播星历的“重心基准”一致。基于该约束条件，可以获取广播星历时间基准下的卫星钟差产品。现有广播星历拟合的卫星钟差序列{Dt^j(i), j=1, 2, …, n}，则“重心基准”约束可表示为

 (5)

联立式(5)与历元间差分观测方程式(2)即可获取广播星历参考时间基准下的卫星钟差产品。

2.3 钟差基准传递

授时接收机通过网络实时获取时间服务平台播发的卫星钟差及轨道产品，并采用约束坐标的PPP算法实时估计出本地钟与钟差基准的差异。将式(4)代入式(1)，可以视为授时接收机的GNSS观测方程

 (6)

由式(6)可以观察到，实时估计出的接收机钟差是相对于某一时间基准而言的。当引入的钟差基准不同时，授时接收机估计出的接收机钟差将存在差异。此外，钟差基准dt_ref(i)对任意测站钟差估计的影响均相同^[23]。因此，WPT系统内接收机的授时结果均溯源至实时卫星钟差引入的时间基准。

卫星轨道和钟差参数可通过时间服务平台播发的实时差分改正数获取，实时估计的参数分别是接收机钟差dt_k(i)，对流层延迟trop(i)及模糊度参数N_{k, ion}^j。其中，将对流层干分量延迟和湿分量延迟分开处理为

 (7)

式中，ztd_{k, dry}(i)、ztd_{k, wet}(i)分别表示测站天顶方向的干分量延迟以及湿分量延迟；m_{k, dry}^j、m_{k, wet}^j分别为对应的投影系数。ztd_{k, dry}(i)采用Saastamoinen模型进行建模，ztd_{k, wet}(i)则作为随机游走噪声参数进行估计。

3 接收机时频调控与硬件延迟标校

当时间基准被传递到接收机后，接收机需要通过时频调控技术和硬件延迟标校技术来保持自身时间与时间基准的一致性。高精度授时接收机结构如图 2所示。射频模块由时钟模块给出的时钟信号来驱动，完成下变频、滤波和采样，基带信号处理模块对数字中频信号进行处理获取观测值和星历等信息。钟差估计模块根据接收到的观测值、星历以及实时卫星轨道、钟差产品，对接收机的位置和钟差进行估计。接收机时钟模块根据接收机的钟差来调整输出到基带处理模块和射频模块的时间信号和频率信号，并对外界提供标准的时频信息。为保证接收机所复现出的卫星时间与真实卫星时间保持同步，接收机需要对时频信号进行调控，并对由于硬件电路造成的时间延迟进行标校。

图 2 基于WPT的授时接收机结构Fig. 2 Structure diagram of timing receiver based on WPT

图选项 

3.1 精密时钟调控技术

时钟模块是无源自主授时接收机的核心，其作用是将本地时间驯服到卫星导航系统的时间基准，并在本地时间的整秒时刻输出秒脉冲。对于授时型接收终端，其内部的时钟多为晶振，受频率偏差和频率老化的影响，本地时钟表征时间相对于卫星时间基准的误差将随着时间的积累而发散，从而接收机的1 PPS输出也将随着接收机时钟一起发生发散。为了保证本地时钟和1 PPS输出的稳定性，时钟模块需要根据前面历元的接收机钟差信息，对接收机时钟进行调控，来抑制接收机本身的频率偏差和频率老化的影响。

由于PPP技术使用了载波相位观测值，为了充分发挥载波相位精度高的优势，接收机时钟调控精度需要达到0.1 ns的精度。时钟调控方法主要可以分为两类：一是调相法，接收机只在钟差超过阈值时，调整本地时间下一秒的秒长，这种方法的调控步进受系统时钟频率的限制，存在分辨率的影响，这种方法只适合接收机刚启动时对本地时间的粗略调控；二是调频法，接收机通过调整晶振频率来补偿晶振自身的频偏，从而防止本地时间因晶振频率偏差而发散。通过计算可知对于自身频率为10 MHz的晶振，若需要达到每秒调整0.1 ns的精度，最小频率调整步进需要达到10^-3 Hz。为此，本研究使用一个压控恒温晶振(voltage control oven controlled crystal oscillator, VCOCXO)结合数模转换模块来进行晶振频率的精细调整，该晶振的秒级频率稳定度接近10^-12。时钟调控原理见图 3。PPP解算出的高精度钟差经过时钟调控算法中的滤波处理转换为该时刻的晶振频率调整量，该调整量被送入数模转换模块生成电压变换量，用以调控VCOCXO，从而改变晶振频率。相对于常规的时钟调控方式，该方法更适用于基于PPP的高精度授时接收机，能充分发挥载波相位高精度的优势。

图 3 授时接收机时钟调控原理Fig. 3 Timing receiver clock steeringmethod

图选项 

图 4(a)给出了接收机在使用时钟调控算法后的接收机钟差序列图，图 4(b)为OCXO的时钟控制量。可以看到，在接收机启动后，接收机钟差有一段收敛过程，在该过程中输入OCXO的时钟控制量，接收机钟差变化较剧烈，然后逐步趋于平稳。收敛后，频率变得稳定，接收机钟差的值也基本保持在0.3 ns以内，而调控中的频率精度可达10^-4 Hz，证明该方法能根据PPP给出的精密钟差进行精细调控来保证1 PPS输出的稳定度。

图 4 序列图Fig. 4 Sequence diagram

图选项 

3.2 反向同步硬件延迟校准方法

接收机硬件延迟是授时的重要误差项，目前硬件延迟校准方法的主要对象是时间传递类型的接收机(如Ashtech Z-12T)。该类接收机具有1 PPS输入，可以将导航信号模拟器的1 PPS输出和导航信号接入接收机进行校准，最后通过比较模拟器和接收机输出的观测值量测出接收机硬件延迟^[24]。单向授时接收机一般无1 PPS输入，因此该方法不适用于单向授时接收机。对于单向授时接收机，目前常采用相对校准的方法对单向授时接收机进行校准^[25]，但该方法只能求出两台接收机硬件延迟的差，需要一台已校准接收机作为参考。针对相对校准方法的局限性，本文结合单向授时接收机的特点及时间传递接收机的校准方法，提出了一种适用于单向授时接收机的反向同步硬件延迟校准方法。该方法将授时接收机的10 MHz输出反向接入到导航信号模拟器来进行同步，通过比较导航信号模拟器和授时接收机的1 PPS输出间隔来量测接收机硬件延迟，原理如图 5所示。

图 5 授时接收机硬件延迟校准原理Fig. 5 Timing receiverhardwaredelay calibration method

图选项 

接收机通过自身的10 MHz输出为导航信号模拟器和SR620频率间隔计数器提供共源时钟，导航信号模拟器则为接收机提供射频(radio frequency，RF)信号并输出自身的1 PPS，接收机接收到RF信号经过图 3所示方法处理输出1 PPS。时间频率间隔计数器SR620通过比较两个1 PPS信号测量出信号模拟器和接收机之间的1 PPS时间间隔，然后与接收机自身估算的高精度钟差进行组合获得最终的接收机硬件延迟。其计算公式为

 (8)

式中，Δt_1pps表示SR620计数器量测的1 PPS间隔；TtC表示模拟器延迟；dt表示接收机钟差。

图 6给出了采用反向延迟校准的结果，图 6(a)为接收机钟差序列，图 6(b)为扣除信号模拟器延迟之后TtC的1 PPS间隔，图 6(c)为补偿接收机钟差之后的最终硬件延迟。从图中可以看出，1 PPS间隔和钟差估算结果存在均值偏差，而由于采用了PPP进行钟差估算，其精度也同样达到了亚纳秒级，从而使得硬件校准结果的钟差满足高精度授时的要求。

图 6 硬件延迟校准结果Fig. 6 Hardware delay calibration results

图选项 

4 试验结果与性能分析

为验证基于北斗的WPT系统时间服务性能，本文设计了以下试验：时间产品服务平台实时接入全国范围内的北斗实时观测数据流，采用北斗实时预报轨道对北斗卫星的相对钟差进行估计，并引入广播星历参考的时间基准，形成北斗时间传递改正数。授时接收机采用TCP/IP协议接收北斗实时时间传递改正数，分别进行了零基线、短基线及长基线的时间传递试验。

以德国地学中心(GFZ)提供的事后钟差产品为参考，对北斗实时钟差产品进行了精度评估，其相对卫星钟差的评估结果如图 7所示，卫星号1~5对应的是GEO卫星，其相对钟差精度约为1 ns；卫星号6~14对应IGSO和MEO，其相对钟差精度约为0.2 ns。

图 7 时间传递服务器钟差评估结果Fig. 7 Time transfer server clock difference evaluation result

图选项 

4.1 精密授时接收机零基线比对试验

首先进行了两台北斗授时接收机的零基线比对测试，该测试主要用于评估授时链路及接收机在授时方面的噪声性能。试验将天线信号通过功分器功分两路接到两台授时接收机，利用时间间隔计数器量测两台接收机输出的1 PPS间隔，选取接收机本地时钟稳定后的单天数据进行统计，比对结果如图 8所示。可以看到两台接收机之间的1 PPS输出一致性较好，其1 PPS间隔的RMS值为0.16 ns。

图 8 授时接收机零基线比对结果Fig. 8 Zero baseline comparison results for timing terminals

图选项 

4.2 精密授时接收机短基线比对试验

在零基线比对中，由于所接收的天线信号是同源的，其结果反映的主要是授时接收机的时钟调控精度与硬件延迟的稳定性，不能反映卫星钟误差的影响。为此，本文还进行了两天的短基线试验，两接收天线距离约为50 m，利用时间间隔计数器量测两台授时接收机的1 PPS间隔。2天的统计结果如图 9所示，两台接收机1 PPS输出间隔的STD值分别为0.39 ns和0.49 ns。可以看到，短基线情况下，由于接收机分别采用了独立的天线和传递链路，接收机之间的时间对比精度相对于零基线稍差。

图 9 授时接收机短基线(50 m)比对结果Fig. 9 Short baseline(50 m) comparison results for timing terminals

图选项 

4.3 精密授时接收机广域标准源比对试验

在零基线和短基线中，时间基准误差和大气误差对两台接收机的影响基本一致，所以零基线和短基线的比对试验未能较好地反映时间基准误差和大气端误差对授时的影响。为了评估授时接收机在广域布设情况下的绝对授时精度，需要一个稳定的时间源作为参考。本试验以北斗总站的北斗时间源作参考，对该北斗授时接收机的1 PPS稳定度进行了4天的测试，测试设备使用时间频率间隔计数器(SR620)，测试结果如图 10所示。经过统计，授时接收机1 PPS相对于参考源误差的标准差分别为0.69 ns、0.51 ns、0.36 ns和0.58 ns。图 10中的常值偏差是由于参考源引出的1 PPS经过多个线缆、放大器和功分器的延迟，未经补偿。由于广域场景下的时间比对测试引入了时间基准的影响，WPT系统的授时精度相对于零基线和短基线模式下的测试略有损失，但单天精度仍在1 ns以内。

图 10 广域BDS授时接收机1 PPS输出结果Fig. 10 Widearea 1 PPS output results using BDS timing receiver

图选项 

5 结论

本文提出了一种基于北斗的广域高精度时间服务系统，详细介绍了系统应用的基准引入与传递、时钟调控及单向授时接收机硬件延迟标校等技术。针对该系统的授时性能，本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试。评估结果表明，该授时系统的两台接收机零基线时间同步精度(标准差)可达0.16 ns，50 m短基线时间同步精度优于0.5 ns。此外，系统在广域范围内与标准时间源比对结果的单天精度优于0.7 ns。综上所述，本研究基于北斗的时间服务系统在一天内的授时精度优于1 ns，可为广域精密授时技术的发展提供参考。

【引文格式】施闯, 张东, 宋伟, 等. 北斗广域高精度时间服务原型系统. 测绘学报，2020，49(3)：269-277. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20180534

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