NTSC国际时间比对链路状态监测软件的设计与实现

王翔，董绍武,3，武文俊,3，张继海，广伟,3，高喆，张虹

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

0 引言

目前BIPM计算协调世界时(UTC)和国际原子时(TAI)采用的时间传递手段主要有TWSTFT和GNSS PPP(precise point positioning)时间传递。中国科学院国家授时中心(NTSC)时频基准实验室自从2009年PPP时间传递链路建成以来，拥有全球卫星导航系统(GNSS)共视时间传递、卫星双向时间传递、GNSS PPP时间传递三类比对链路可用于UTC、TAI计算[1]，它们互为热备份，共同保障NTSC国际时间比对链路的稳定可靠。为了提高工作效率，我们设计并完成了守时国际时间比对链路的自动化软件，通过VB平台，基于FTP通信协议实现实验室本地与国际权度局(BIPM)的数据交互,每日定时下载BIPM公布的全球主要守时实验室的链路相关数据和国际GPS服务机构(IGS)公布的快速精密星历产品后，分别利用卫星共视、TWSTFT和PPP时间传递方法获得UTC(NTSC)与其他守时实验室保持的UTC(k)的偏差，并在可视化界面上以钟差曲线的形式实时显示。在试运行的6个多月时间里，通过多次升级完善，该软件已经完全能够满足国际时间比对链路状态监控的需要。

1 时间传递的基本原理

本节分别介绍GNSS共视时间传递、卫星双向时间传递和GNSS PPP时间传递的原理。

1.1 GNSS共视时间传递

如图1所示，GPS共视是在一颗GPS卫星的视角内，以GPS卫星钟为公共参考，相距较远的两地实验室同时观测同一颗卫星，以卫星钟作为中间变量，间接来确定两地实验室的相对时间偏差。例如A、B两观测站连续测量本地时间与可视卫星发布的GNSS系统时的时差，在每个交换周期结束时，对本周期的监测数据进行平滑后，取均值作为本周期测量数据，记为TA、TB，则在扣除卫星星历误差以及模型修正之后的电离层、对流层残留、接收机天线相位中心坐标误差、接收机本身的噪声等误差源后，A、B两站钟差TAB=TA-TB[2]。

图1 GNSS共视时间比对原理

1.2 卫星双向时间传递

卫星双向时间传递原理如图2所示。它的计算方法如式(1)所示[3-5]：其中T为A、B两站钟差；等号右面第1项为计数器读数的计算；第2项为地面站设备时延的计算，可通过事先测量获得；第3项为空间传播时延(ku波段时可忽略不计)；第4项为卫星透明转发器时延，可完全抵消；第5项为Sagnac效应引入的时延，可准确计算[6-7]。

TA-TB= (TTICA-TTICB)/2+((dTA-dRA)/2-(dTB-dRB)/2)+((dAS-dSA)/2-

(dBS-dSB)/2)+(dSAB-dSBA)/2+(TSAGA-TSAGA)/2。

(1)

图2 卫星双向时间比对原理

1.3 GNSS PPP时间传递

PPP时间比对原理如图3所示。使用IGS发布的GNSS系统的精密轨道和卫星钟差[8]，将双频定时接收机获得的双频载波相位和伪距观测值通过观测模型计算得到的A站保持的UTC(k1)与IGST的偏差，同理可得B站保持的UTC(k2)与IGST的偏差，差分后即可获得A站与B站的钟差[9-11]。通常使用的观测模型包括无电离层模型、UofC模型、组合观测值模型等，本文使用组合观测值模型完成数据处理[12-13]。

图3 PPP时间比对原理

2 软件设计与实现

为了满足国际比对链路日常监测工作的需要，在VB环境下设计开发了国际时间比对链路自动化计算及监测软件，能够自动下载最新的链路数据，利用卫星共视、卫星双向、PPP时间传递方法计算NTSC与全球主要守时实验室的时差；并在界面图形化显示UTC(PTB)与UTC(NTSC)的偏差(由于长基线卫星共视时间比对A类不确定度是1.5 ns，卫星双向与PPP时间比对A类不确定度是0.5 ns，因此基于共视原理的时差分析结果，用于粗略监测当前链路状态；基于TWSTFT&PPP原理的时差分析结果，用于监测两条主链路的状态)和UTC(USNO/OP)与UTC(NTSC)的偏差(作用同上)；最后将时差分析结果上传至数据共享平台通过FTP协议向用户发布。

软件分为数据下载、数据处理、动态监测3个模块。程序流程如图4所示，开始运行后，手动进行参数配置(包括数据下载时间、需下载数据台站、下载数据类型)，当本地时间与设置的数据下载时间一致时，依据设置好的参数分别准备当日需下载的卫星双向SATRE数据、接收机数据和IGS公布的SP3、CLK数据文件路径，在连接相应服务器后进行数据下载。各类数据下载完成后，进入相应数据处理阶段(图4数据处理阶段的数据输入以NTSC与PTB为例)，可以获得NTSC与全球主要守时实验室的时间差，同时分析NTSC两条主链路的链路差，将数据处理结果发布至数据共享FTP服务器供用户使用，并在界面图形化显示。需要说明的是数据下载时间依据各实验室数据上传时间不同，统一设置为全部数据上传完成后的任意时刻，为了保证时效性，针对各类数据分别设置相应的数据下载时间。

图4 程序流程

2.1 数据下载模块

在指定时刻，软件自动下载NTSC、俄罗斯时间与空间计量研究院(SU)、德国技术物理研究院(PTB)、美国海军天文台(USNO)、美国国家标准技术研究院(NIST)等全球主要守时实验室的比对链路数据。分别登录BIPM、IGS的FTP服务器，如图5所示，以NTSC为例列出了下载BIPM、IGS数据时的路径，其中AA.AAA是约化儒略日(MJD)的体现，当约化儒略日是58 037时，对应AA.AAA是58.037 ；BBB表示年积日；CC是年份的后两位，2017年对应的CC是17；DDDD表示GPS周；E表示GPS日。需要说明的是，关于SATRE数据下载路径与实验室所在地域有关，会有所不同；RENIX格式数据文件名与实验室提供的数据文件格式有关，可以是D文件或O文件。

图5 国际时间比对链路自动化计算及监测软件文件下载实例

2.2 数据处理模块

使用最新的下载数据，利用卫星共视、GNSS PPP、卫星双向原理进行数据分析，从而得到NTSC与其他实验室的钟差，以获取NTSC与PTB的钟差为例。

NTSC与PTB的共视数据处理流程如图6所示。

图6 共视数据处理流程

NTSC与PTB的GNSS PPP数据处理流程[14]如图7所示。

由于校准值已经对Sagnac效应引起的时延、对流层时延、电离层时延等误差源进行了修正，因此NTSC与PTB的卫星双向时间比对的数据处理流程是先进行时标匹配，之后利用式(2)计算A、B两站钟差[15-16]，其中TW是A站与B站的单轨数据，ESDVER是修正的微分地球站时延差异，REFDELAY是参考时延，CALR是校准值。

UTC(A)-UTB(B)= +0.5[TTW(A)+TESDVER(A)]+TREFDELAY(A)-0.5[TTW(B)+TESDVER(B)]+

TREFDELAY(B)+0.5[TCALR(A,B)-TCALR(B,A)]。

(2)

图7 PPP数据处理流程

2.3 自动监测模块

自动监测模块读取最新的时差结果，滑动显示UTC(PTB)-UTC(NTSC)共5 d的共视链路的时差、UTC(PTB)-UTC(NTSC)共45 d的卫星双向与PPP(NTP1)、PPP(NTP3)的时差，和UTC(USNO/OP)-UTC(NTSC)共45 d的PPP(NTP1)的时差。

3 实验结果与分析

图8给出了约化儒略日57 912～57 980软件的时差监测结果，可以看出NTSC的卫星双向、PPP(NTP1)、PPP(NTP3)与PTB之间共3条时间传递链路能够保持稳定，链路差在1.5 ns以内，对于链路状态监测而言，自动化实现具有可行性。

图8 卫星双向与PPP时差监测结果

图9通过BIPM发布的GNSS PPP链路结果与采用GNSS PPP链路数据自动化、手动计算(图中标为自检)得到的UTC(PTB)-UTC(NTSC)在MJD 57 965～57 995的结果进行比较，可以看出自动化结果与BIPM发布的链路数据偏差的均值为-0.111 1 ns，自检结果与BIPM发布的链路数据偏差的均值为0.538 7 ns。因此，PPP链路的手动计算与自动化计算能够互为参考，使用它的计算结果能够有效监测链路状态。

图9 多方式PPP链路时差监测结果

图10是BIPM发布的卫星双向链路结果与软件通过卫星双向时间比对数据计算得到的UTC(PTB)-UTC(NTSC)在约化儒略日57 869～57 905的比较图，可以看出软件自动化计算结果与BIPM的结果基本一致，除了由于数据处理时奇异值剔除方案不同导致的个别跳点外，不确定度在0.5 ns之内，因此卫星双向链路的自动化计算结果也能够有效监测链路状态。

图10 多方式卫星双向链路时差监测结果

4 结论

自动化软件在试运行的半年以来，能够满足守时实验室对国际比对链路状态监测的需要，并大大增加了UTC(NTSC)与其他UTC(k)之间的计算及监测数量，提高了日常链路状态监测的效率与可靠性。通过GNSS PPP原理计算得到的实验室间的钟差与BIPM一个月后公布的钟差结果之间的最大偏差小于0.5 ns，通过卫星双向原理计算得到的实验室间的钟差与BIPM一个月后公布的钟差结果基本一致，卫星双向时间比对链路和GNSS PPP时间比对链路都能够达到国际比对的要求。并且GNSS PPP与TWSTFT两类时间比对链路之间的不确定度优于1.5 ns，在实验室能够相互监测，互为热备份。