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一种高精度的国家标准时间远程复现方法

陈瑞琼 刘娅 李孝辉

陈瑞琼, 刘娅, 李孝辉. 一种高精度的国家标准时间远程复现方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
引用本文: 陈瑞琼, 刘娅, 李孝辉. 一种高精度的国家标准时间远程复现方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
CHEN Ruiqiong, LIU Ya, LI Xiaohui. A Method of National Standard Time High Precision Remote Reproduction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
Citation: CHEN Ruiqiong, LIU Ya, LI Xiaohui. A Method of National Standard Time High Precision Remote Reproduction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033

一种高精度的国家标准时间远程复现方法

doi: 10.13203/j.whugis20160033
基金项目: 

国家自然科学基金 61127901

国家自然科学基金 61401435

详细信息
    作者简介:

    陈瑞琼, 博士, 主要从事高精度时间频率测量等研究。crq@ntsc.ac.cn

  • 中图分类号: P228

A Method of National Standard Time High Precision Remote Reproduction

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 61127901

The National Natural Science Foundation of China 61401435

More Information
    Author Bio:

    CHEN Ruiqiong, PhD, specializes in high precision time-frequency measurement.E-mail:crq@ntsc.ac.cn

  • 摘要: 国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)(Coordinated Universal Time,National Time Service Center)与UTC的偏差保持在±10 ns以内。为了使远程用户获得高精度的UTC(NTSC)时间频率信号,利用国家授时中心保持的UTC(NTSC)时频信号和卫星共视时间比对方法,搭建了一套UTC(NTSC)远程复现系统,用于实现远程用户时间频率校准并能在远程恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。研究了基于UTC(NTSC)的时间频率远程复现方法,该方法基于改进的卫星共视法,可实现对用户本地参考时间与可视卫星钟的钟差进行连续实时监测,去除了传统共视时间传递方法中每个观测周期内的观测死时间;设计并实现了UTC(NTSC)远程复现系统,系统包括基准终端、配送终端和数据分析处理中心,基准终端测量UTC(NTSC)与可视卫星钟的钟差;配送终端测量本地原子钟与可视卫星钟的钟差,并在本地驾驭生成与UTC(NTSC)同步的时频信号;数据处理中心处理来自基准终端和配送终端的数据;评估了系统测量的不确定度,得出零基线条件下,系统授时精度达到0.8 ns;另外,通过对各远程用户不同类型钟的驾驭情况,得出铯钟的频率测量天稳达到2.84×10-14,铷钟的频率测量天稳达到8.24×10-14
  • 图  1  共视原理图

    Figure  1.  The Principle of Common-view

    图  2  系统各部件组成图

    Figure  2.  The Composition of System

    图  3  零基线比对试验原理

    Figure  3.  The Experiment Principle of Zero-baseline

    图  4  零基线比对测试结果

    Figure  4.  The Comparison Results of Zero-baseline

    图  5  零基线测试稳定度分析

    Figure  5.  The Stability Analysis of Zero-baseline

    图  6  临潼-天津共视比对结果

    Figure  6.  The Common-view Comparison Result of Lintong-TianJin

    图  7  临潼-天津钟差稳定度分析

    Figure  7.  The Stability Analysis of Lintong-Tianjin

    图  8  临潼-洛南共视比对结果

    Figure  8.  The Common-view Comparison Result of Lintong-Luonan

    图  9  卫星双向测试结果

    Figure  9.  The Test Result of Two-way Satellite Time Transfer

    表  1  远程时间比对技术分析

    Table  1.   Analysis of the Remote Time Comparison Technology

    方法 时间不确定度 频率不确定度
    网络 < 2 s -
    电视 < 10 us -
    长波 < 10 us < 1×10-11
    短波 < 1 us < 1×10-11
    GPS单向授时 < 50 ns < 2×10-13
    GPS共视比对 < 10 ns < 1×10-13
    卫星双向比对 < 1 ns < 5×10-15
    下载: 导出CSV
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    Sha Hai, Chen Huaming, Lv Zhicheng.A New Method of Real-time High Precision Pseudorange Caculation in High Dynamic Circumstance[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(4):523-527 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract5425.shtml
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-03
  • 刊出日期:  2018-02-05

一种高精度的国家标准时间远程复现方法

doi: 10.13203/j.whugis20160033
    基金项目:

    国家自然科学基金 61127901

    国家自然科学基金 61401435

    作者简介:

    陈瑞琼, 博士, 主要从事高精度时间频率测量等研究。crq@ntsc.ac.cn

  • 中图分类号: P228

摘要: 国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)(Coordinated Universal Time,National Time Service Center)与UTC的偏差保持在±10 ns以内。为了使远程用户获得高精度的UTC(NTSC)时间频率信号,利用国家授时中心保持的UTC(NTSC)时频信号和卫星共视时间比对方法,搭建了一套UTC(NTSC)远程复现系统,用于实现远程用户时间频率校准并能在远程恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。研究了基于UTC(NTSC)的时间频率远程复现方法,该方法基于改进的卫星共视法,可实现对用户本地参考时间与可视卫星钟的钟差进行连续实时监测,去除了传统共视时间传递方法中每个观测周期内的观测死时间;设计并实现了UTC(NTSC)远程复现系统,系统包括基准终端、配送终端和数据分析处理中心,基准终端测量UTC(NTSC)与可视卫星钟的钟差;配送终端测量本地原子钟与可视卫星钟的钟差,并在本地驾驭生成与UTC(NTSC)同步的时频信号;数据处理中心处理来自基准终端和配送终端的数据;评估了系统测量的不确定度,得出零基线条件下,系统授时精度达到0.8 ns;另外,通过对各远程用户不同类型钟的驾驭情况,得出铯钟的频率测量天稳达到2.84×10-14,铷钟的频率测量天稳达到8.24×10-14

English Abstract

陈瑞琼, 刘娅, 李孝辉. 一种高精度的国家标准时间远程复现方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
引用本文: 陈瑞琼, 刘娅, 李孝辉. 一种高精度的国家标准时间远程复现方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
CHEN Ruiqiong, LIU Ya, LI Xiaohui. A Method of National Standard Time High Precision Remote Reproduction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
Citation: CHEN Ruiqiong, LIU Ya, LI Xiaohui. A Method of National Standard Time High Precision Remote Reproduction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(2): 188-193. doi: 10.13203/j.whugis20160033
  • 随着国民经济、国防建设和空间技术的发展,我国民用用户对高精度时间频率服务的准确性、稳定性、可靠性、全天候提出了越来越高的要求。高精度远距离时间频率比对是时间保持工作的重要组成部分,是保证时频系统输出信号准确性的关键。可以说, 没有高精度的时间传递技术就不可能使分布在世界各地的不同时间实验室和不同用户的时钟保持高精度的时间同步,也就不可能实现高精度的守时和授时[1-5]。而且原子钟的性能基本上每7年提高一个数量级,这就要求不断地提高时间比对的精度,如表 1所示,为国际上采用的远程时间比对方法的精度分析。

    表 1  远程时间比对技术分析

    Table 1.  Analysis of the Remote Time Comparison Technology

    方法 时间不确定度 频率不确定度
    网络 < 2 s -
    电视 < 10 us -
    长波 < 10 us < 1×10-11
    短波 < 1 us < 1×10-11
    GPS单向授时 < 50 ns < 2×10-13
    GPS共视比对 < 10 ns < 1×10-13
    卫星双向比对 < 1 ns < 5×10-15

    目前,国际上应用较多的主要有GPS(global position system)共视比对和卫星双向比对,国际权度局采用的远程时间比对技术仍然主要依靠GPS共视方法,虽然已经部分采用卫星双向时间比对技术,但由于其价格昂贵,只有少数实验室使用这种设备,另外由于设备故障是不可避免的,因此国际权度局对于使用卫星双向比对技术的实验室,仍然要求他们发送GPS共视数据作为备份[6-10]。因此GPS共视法目前仍在远程时间比对中广泛采用。

    与此同时,国家授时中心也正在推进各种高精度时间传递技术的研究,尽可能地将所保持的高精度时间应用到国民生产、经济建设和相关的科研领域中。基于此,利用国家授时中心保持的UTC(NTSC)(Coordinated Universal Time, National Time Service Center)时频信号和改进的卫星共视时间比对方法,搭建了一套UTC(NTSC)远程复现系统,可实现远程用户时间频率校准并能在远程恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。

    • 中国的标准时间(UTC(NTSC))由国家授时中心发布,为了使远程用户获得高精度的UTC(NTSC)时间频率信号,系统利用国家授时中心保持的UTC(NTSC)时频信号基于共视原理可实现远程用户本地原子钟恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。

    • 共视原理即地球上任何两地同时观测同一颗导航卫星,可以消除两条传播路径上的共同误差,从而实现两地之间时间频率比对[11-16]。如图 1所示,AB两地在同一时刻观测同一颗卫星,在A地得到本地时间TA与卫星钟TS之差TAS。同时,在B地得到本地原子钟TB与卫星钟TS之差TBSAB两地通过GPRS(gerneral packer radio service)网络进行数据交换,便可获得两地原子钟之间的时间差。

      图  1  共视原理图

      Figure 1.  The Principle of Common-view

    • 传统共视法使用的是国际权度局规定的共视跟踪表进行共视观测,其共视周期为16 min,其中13 min用于数据采集,2 min用于数据处理,最后1 min等待下一个共视时刻的到来。因此,传统共视是有间隙的比对,存在3 min观测死时间,无法满足连续观测的要求,且国际标准组织对溯源的定义为:“通过一条具有规定不确定度的不间断的比对链路,使测量结果与规定的参考标准(国际标准或国家标准)联系起来的特性。”这个定义首先就说明了溯源是一个不间断的比对过程,故传统共视法无法实现真正意义上的溯源,不能满足本文实现远程时间复现。

    • 系统不使用国际权度局规定的共视跟踪表进行共视观测,其采用时间频率连续比对的方法,以10 min(或其整数倍)作为一个观测周期,同时对观测数据进行处理,当一个周期结束时,立即进入下一个观测周期,去除了传统共视传递方法中每个观测周期内的观测死时间。共视新方法的优势如下。

      1) 观测周期具有灵活性,用户可根据需求任意设置共视间隔, 不局限于传统的16 min;

      2) 去除了传统共视方法中每个观测周期内的观测死时间;

      3) 增加了观测数据量,对观测误差有一定的改善;

      4) 实现无间隙的近实时连续共视比对,可对时频信号的偶发、突跳等现象进行检测。

    • 星站钟差即本地参考时间与卫星钟的时差,它是两地进行共视比对的重要参数,计算该值需要分析各个时间量之间的关系及测量误差产生的影响。系统对于不同精度需求的用户可选用伪距或载波相位平滑伪距两种不等精度的观测值,本文以伪距观测值为例计算星站钟差。

      接收机时钟产生的时间Tu通常与GPS系统时间TGPS不同步,二者存在时差δtu。同时各个卫星时钟也不是和GPS系统时间严格同步,二者存在时差为δt(s)

      卫星信号的实际传播时间t包括两部分:一部分是信号以真空光速c穿过卫星与接收机之间几何距离r所需的传播时间;另一部分是大气折射造成的传播延迟,其中包括电离层延迟I和对流层延迟T。因此卫星信号实际传播时间t可表示为:

      $$ t = \left( {r + I + T} \right)/c $$ (1)

      由此,根据接收机输出的伪距ρ,得到接收机时钟与GPS系统时间钟差δtu

      $$ \delta {t_u} = {T_u} - {T_{{\rm{GPS}}}} = \left( {\rho - r - I - T} \right)/c + \delta {t^{(s)}} $$ (2)

      另外,时间间隔计数器对本地参考时间Tref与接收机时钟Tu的差值进行测量,即:

      $$ {T_{{\rm{tic}}}} = {T_{{\rm{ref}}}} - {T_u} $$ (3)

      在进行时差测量时,需要考虑测量终端的硬件时延,其中包括接收机时延Δ1和本地参考钟延迟Δ2。则本地参考时间与某卫星钟的时差可表示为:

      $$ \begin{array}{l} {T_{{\rm{REFSV}}}} = ({T_{{\rm{ref}}}} + {\Delta _2}) - ({T_{{\rm{GPS}}}} + {\Delta _1})\\ = \left( {\rho - r - I - T} \right)/c + \delta {t^{(s)}} + {T_{{\rm{tic}}}} + {\Delta _2} - {\Delta _1} \end{array} $$ (4)
    • 该系统软件包括远程时间频率基准软件,远程时间频率配送软件,数据分析处理中心软件。其硬件由北斗/GPS双模接收机,时间间隔计数器,本地原子钟,数据传输模块和工控机组成,如图 2所示。

      图  2  系统各部件组成图

      Figure 2.  The Composition of System

    • UTC(NTSC)复现系统主要由配送终端、基准终端和数据分析处理中心组成。基准终端主要是通过远程时间频率基准软件计算UTC(NTSC)与可视卫星钟的钟差,并将结果发送给数据分析处理中心。配送终端是由远程时间频率配送软件计算本地钟与卫星钟时差,并发送时差结果至数据分析处理中心,然后通过数据分析处理中心得到配送终端本地原子钟与UTC(NTSC)的时差,最后通过钟驾驭控制本地钟在配送终端本地生成与UTC(NTSC)同步的时频信号。数据分析处理中心负责接收基准终端和配送终端的时差数据,并生成配送终端参考时间与基准终端参考时间UTC(NTSC)的偏差,并返回结果至配送终端,用于驾驭配送终端的本地钟,使其本地原子钟同步到UTC(NTSC)。

    • 为了检验系统测试的不确定性能,进行了零基线测试,图 3是零基线工作原理图。本试验采用零基线共钟比对测试方案,测试以国家授时中心主钟提供的10 MHz和1脉冲/s为相位微调仪提供参考。相位微调仪产生的两路1脉冲/s和10 MHz分别给各终端提供参考信号。零基线测试的系统误差包含了两个终端的设备时延、信号空间传输引起的时延,其中主要是设备时延,其他时延可以忽略。测试时间为约化儒略日(modified julian day, MJD)57 265~57 280,共15 d的数据。

      图  3  零基线比对试验原理

      Figure 3.  The Experiment Principle of Zero-baseline

      零基线条件下A站与B站的比对结果如图 4所示,得出两站之间系统误差为-1.73 ns,其标准差为0.8 ns,并对其稳定度进行了分析,如图 5所示,分析阿伦偏差(Allan deviation, ADEV), 得出零基线比对天稳达到1.11×10-14

      图  4  零基线比对测试结果

      Figure 4.  The Comparison Results of Zero-baseline

      图  5  零基线测试稳定度分析

      Figure 5.  The Stability Analysis of Zero-baseline

    • 为了验证系统对各用户不同类型钟的驾驭复现情况,将研制的配送终端分别安装到陕西洛南(铯钟)与天津武清(铷钟),分别进行测试实验,洛南与临潼的基准终端天线位置直线距离约70.02 km, 武清与基准终端天线位置直线距离约904.7 km,基准终端均以国家授时中心的时间频率信号UTC(NTSC)作为参考,两地终端通过卫星共视比对,分别控制洛南本地铯钟信号与武清铷钟信号,得到各自本地钟与UTC(NTSC)时差后,通过钟驾驭调整用户本地钟,最后产生与UTC(NTSC)同步的时频信号。

    • 将基准终端放在临潼,以国家授时中心钟房输出的1脉冲/s和10 MHz信号作为基准终端的参考,配送终端放于天津,以天津本地铷钟输出的1脉冲/s和10 MHz信号作为参考,两地相距约1 000 km,如图 6所示,为临潼-天津的铷钟测试结果,图中蓝色标识是配送终端铷钟与基准终端UTC(NTSC)的钟差,红色标识是钟驾驭模型预测结果,可以看出钟差和模型预测结果趋势是一致的,说明铷钟在驾驭的情况下没有进行单向漂移,并与UTC(NTSC)的差值波动趋于稳定。经计算其均值为0.228 ns,标准差为4.1 ns。另外,图 7对其钟差稳定度做了分析,得出其天稳达到8.24×10-14

      图  6  临潼-天津共视比对结果

      Figure 6.  The Common-view Comparison Result of Lintong-TianJin

      图  7  临潼-天津钟差稳定度分析

      Figure 7.  The Stability Analysis of Lintong-Tianjin

    • 试验将基准终端放在临潼,以国家授时中心钟房输出的1脉冲/s和10 MHz信号作为基准终端的参考,配送终端放于洛南,以洛南本地铯钟输出的1脉冲/s和10 MH信号作为参考,两地相距约70 km,如图 8所示,为临潼-洛南的铯钟测试结果,图中蓝色标识是配送终端铯钟与基准终端UTC(NTSC)的钟差,红色标识是钟驾驭模型预测结果,可以看出钟差和模型预测结果趋势是一致的,说明铯钟在驾驭的情况下没有进行单向漂移,并与UTC(NTSC)的差值波动趋于稳定。经计算其均值为-5.15 ns,标准差为2.52 ns,天稳达到2.84×10-14

      图  8  临潼-洛南共视比对结果

      Figure 8.  The Common-view Comparison Result of Lintong-Luonan

      另外,为了验证复现信号的性能,将卫星双向移动站A端放置于临潼,与基准终端接入相同信号,另一双向移动站B放置于洛南,接入受控铯钟输出信号,图 9为使用卫星双向设备对铯钟复现出的UTC(NTSC)信号进行测试的结果,经分析计算,其均值为3.82 ns, 标准差为0.30 ns。因为卫星双向测试结果本身存在1.0 ns的不确定度,所以该结果表明了UTC(NTSC)远程复现信号的不确定优于1.3 ns,同时,卫星双向对复现信号的测试验证了UTC(NTSC)复现信号性能的正确性及可靠性。

      图  9  卫星双向测试结果

      Figure 9.  The Test Result of Two-way Satellite Time Transfer

    • 本文利用国家授时中心保持的UTC(NTSC)时频信号和改进的卫星共视时间比对方法,搭建了一套UTC(NTSC)远程复现系统,实现远程用户时间频率校准并能在远程恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。评估了系统测量的不确定度,得出零基线条件下,系统授时精度达到0.8 ns;另外,通过对各远程用户不同类型钟的驾驭情况,得出铯钟的配送结果在2 ~-10 ns之间波动,其频率测量天稳达到2.84×10-14,铷钟的配送结果在±10 ns以内波动,其频率测量天稳达到8.24×10-14,另外对铯钟的比对结果与卫星双向测试结果进行了比对验证,结果表明了UTC(NTSC)远程复现信号的不确定优于1.3 ns,同时,卫星双向对复现信号的测试验证了UTC(NTSC)复现信号性能的正确性及可靠性。目前,该UTC(NTSC)远程复现系统已成功运行于全国多个外场站。

参考文献 (16)

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