综合PNT体系之授时技术*

许江宁，梁益丰，吴 苗

(海军工程大学 电气工程学院·武汉·430033)

0 引 言

定位、导航与授时(Position Navigation and Timing，PNT)技术是交通、通信、电力以及基础科研等领域必不可少的元素[1]，综合PNT是后全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)发展的必然趋势[2]。目前可以为用户提供PNT信息的系统较多，如GNSS、移动通信系统、航天测控网、长河二号等典型系统，各自的优势和特点能够在各类军民应用需求方面发挥其作用[3]。近年来PNT用户每5年翻一番，移动载体对PNT系统各方面的能力需求与日俱增[4]，因此，有必要进一步提升国家综合PNT能力，开展综合PNT体系顶层设计和研究开发新的技术手段。

美国是最早开展综合PNT体系建设的国家，近年来其定位与导航能力得到了明显提升。研究表明，大范围导航系统如GNSS、罗兰C等普遍采取测时测距体制，多数测量和授时分配方法却并不依赖于导航或定位功能[5]。因此，美国空军建议将以往进展缓慢的授时工作从综合PNT体系中拆解出来，使其不再被政策、规划、条令等忽视，并于2017年5月正式提出了“授时战”概念，已成为综合PNT体系研究的热点[6-7]。本文结合我国综合PNT体系的建设，根据不同用户的需求，分析卫星、长波、光纤、量子等授时技术特点，研究了基于长距离、高精度光纤授时技术的新型罗兰C地基授时系统。

1 综合PNT体系

GNSS提供的高精度PNT服务存在空间段安全稳定运行隐患、地面段易干扰欺骗等固有缺陷[8]。如何建立满足国家安全、经济发展、国家基础设施高效稳定运行和民众日常生活需求的综合PNT体系，探索满足用户需求的PNT技术发展方向是各国必须面对的重要问题。为此，美国交通部和国防部从2010年开始谋划美国国家综合PNT架构，其核心是不过分依赖GNSS，采用一切可以应用的PNT信息源实施全空域目标定位、导航与授时服务。2019年8月，美国国防部公开发布PNT战略，明确指出仅用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)不能完全确保军用PNT的先进性，并因此制定了2025年PNT体系框架。

综合PNT体系对国民生活和国防安全意义重大，因此包括我国在内的许多国家也规划了相关体系建设，初步形成了基于天基、地基无线电信息源的大范围PNT服务。美国GPS系统是首个投入运营的卫星导航系统，其空间段卫星对外播发导航信号，用户设备通过接收和处理这些信号完成对自身位置、速度、时间信息的提取和解算，实现了最广泛的覆盖范围和最大用户数量[3]。俄罗斯GLONASS卫星导航系统与GPS同时期开发，组成和功能也与GPS类似，可用于海上、空中、陆地等各类用户的定位、测速及精密定时等。典型的天基导航系统还包括北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、与GPS兼容的欧盟Galileo系统、日本区域准天顶卫星导航系统QZSS、覆盖印度及南亚地区的卫星导航系统IRNSS[9-10]。

地基无线电导航信息源主要包括远距离无线电导航系统罗兰(Long range navigation，LORAN)、伏尔(VHF Omnidirectional Range, VOR)/测距(Distance Measuring Equipment, DME)装置(VOR/DME)和战术空军导航系统塔康(Tactical Air Navigation System，TACAN)，以及地基增强GNSS等等。其中，VOR/DME和TACAN是应用于军民航空的无线电测距系统，移动通信网络主要通过基站与移动电话之间的通信提供授时服务以及较低精度的定位服务，都难以满足GNSS备份系统的要求。根据美国国家PNT咨询委员会的建议，增强型罗兰导航系统(Enhanced Long Range Navigation，eLORAN)作为罗兰C系统现代化后的产物，有望为非精密航空应用、海港出入、民用精密时间和频率应用提供服务，可能是卫星导航系统最理想的备份系统。目前主要有美国、俄罗斯、韩国等国家开展eLORAN系统研究，拥有良好的安全性和稳定性。此外值得引起重视的地基导航系统还有澳大利亚的Locata，该系统体制类似于GNSS，却并不依赖高精度原子钟。利用Time-Loc专利技术支持低成本频率源，Locata系统可达到1～2 ns级网络时间同步精度，在载波测量时能够实现水平方向6 cm、垂直方向15 cm的高精度定位[11]。目前美国空军正计划在Locata系统基础上建立不依赖于GPS的下一代超高精度参考系统。

无论GNSS还是地基罗兰C系统，或Locata等其他潜在技术，其核心部分都离不开高精度时间信息。时统设备一方面保证了无线电信号频率的准确度和稳定性，另一方面也是用户实现时间信息接收和导航定位的必要前提，授时对于综合PNT体系建设至关重要。

2 授时战

现代战争已经充分体现了导航在军事领域中的关键作用，通过GPS为飞机、导弹、舰艇等移动平台提供精确的位置、速度、时间等重要信息，美国巡航导弹等远程武器对目标的命中率得以大幅度提高，并因此快速制胜。为了确保其导航能力领先地位，美军率先于1997年提出了“导航战”作战概念，定义为：在复杂电子环境中，确保己方和友方能够有效利用卫星导航信息，并阻止敌方使用，同时不影响战区外和平利用卫星导航信息。“导航战”的提出促使各个大国纷纷开始发展独立的GNSS，我国正是在这一背景下开始建设BDS。在导航战被提出数年后的美伊战争中，美国精确制导武器在GPS干扰设备作用下多次出现超过200km的定位偏差[12]。因此美国开始重点提升GPS保障能力，依托强大的系统优势限制他国应用。目前美军各部门行动协同、各类电子战平台已经覆盖卫星导航频段，近年来多次在叙利亚和伊朗成功利用系统功率增强能力，这些都体现了美国在导航战和综合PNT体系建设方面取得的进步。

在综合PNT体系中，各国对定位、导航的重视程度一直比授时高[13]。事实上，高精度授时技术是无线电导航系统的必要支撑，大多数测量和分配授时的方法却完全不依赖GNSS等导航系统。不仅如此，当前社会活动、通信系统、电力系统、国防建设、科学研究等都需要在统一时间基准上进行，对授时精度的需求从秒到亚纳秒甚至更高量级，时间频率应用范围几乎涉及到关系国计民生的各个部门，授时偏差将直接影响PNT服务[13]。表1直观表明了GNSS在近年来因授时因素导致的问题。

表1 主要GNSS授时偏差带来的影响

随着物理学领域研究的突破和高精度导航定位需求对原子频标的推动，授时技术引起了更多重视。美国从2015年颁布授时法案至今，先后进行了7次针对性修改与完善[7]，并于2017年提出了“授时战”概念，导航战的攻防重点开始向授时倾斜。与此同时，高速发展的5G技术需要优于130 ns的授时精度，对网络时间同步提出了更高要求。随着高速通信时代到来和体系化作战的推进，高精度授时技术在军民主要领域的影响力还将得到进一步提升。

3 授时能力

3.1 主要差距

目前，国内授时体系的建设水平尚不能完全满足发展需求，主要表现在：

(1)军用授时能力有限。授时的地区、时段范围、精度与国防密切相关，大范围精确授时应掌握在国家最高军事决策机关，例如美国通过国家标准与技术院(National Institute of Standards and Technology，NIST)保持频率基准并发播UTC(NIST)，但最大的守时系统始终由海军天文台保持。我国军用时频技术标准的制定主要集中在时频终端设备和检测计量等方面，尚未形成完整的授时技术标准[14]；授时的安全性和冗余性不足。

(2)单一系统授时能力有限。BDS授时抗干扰能力不足；BPL授时台、长河二号导航系统作用范围和精度无法完全满足时频需求；现有网络授时协议服务质量不能满足用户安全需求、专用网络有待大范围测试[15]。同时，许多范围性时间基准的形成，例如基站站间时间同步、电力系统时间同步等，都十分依赖卫星授时方式完成，存在一定的安全隐患。

(3)微型时钟技术发展缓慢。微PNT集成终端具有多数用户需要的便携、可嵌入、低能耗、待机时间长等特点，是综合PNT的核心问题之一[4]。美国国防预先研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)推出的Micro-PNT项目包括芯片级原子钟、综合微型主原子钟技术以及增强稳定性原子钟等多个微型时钟项目[16]，其重点研究的相干布局囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)原子钟在10cm3尺寸内实现了10-10的频率稳定度，我国在该技术的研究上存在一定差距。

(4)水下授时能力不足。水声通信协议中的时间戳、数据融合中用到的时间标签、睡眠调度机制和基于时隙分配的多路访问控制(Multiple Access Control Protocol，MAC)协议等都需要进行不同程度的时间同步。水声通信主要特点包括：传播速度低、延迟大且具有时变性；冲突的时空不确定性；链路距离长；节点具有移动性；信号衰减严重；信道可用带宽小；多途效应严重等，导致各节点时钟间存在系统偏差，水下时钟同步成为了一个研究难点[17]。整体来说，水下时钟同步需利用海洋时空基准网组合GNSS和原子钟，并综合声学、光学和无线电多种手段解决。需要尽快开展水下声学传感器网络时钟同步、水下激光精密授时等技术研究[18]。

3.2 发展方向

针对目前综合PNT体系中授时能力不足，世界各国都在进行相关研究工作，以美国为代表的部分经济、科技强国也对授时建设方案进行了规划。其中，完善地基PNT授时能力建设是目前最重要的内容之一。从2015年《国家定位、导航与授时弹性与安全法案》到《2018年国家授时弹性与安全法案》，美国越来越重视授时系统的弹性与安全，对地基授时系统的期望由GPS的“补充”演变为“备份”，乃至“可替代系统”[7]。虽然这些法案的具体进展及主要技术较少见于报道，但是在法案中不断被重点提及的罗兰C系统必然是地基授时系统的关键部分。其精度方面的缺陷通过eLORAN和网络授时等技术进行弥补后，可望实现定位精度百米级、授时精度百纳秒的指标。

随着原子频标和光频标精度的不断提高，卫星和长波授时技术已经难以满足高精度时钟之间的比对与同步，并且急需BDS之外的备份方式，以满足国家综合PNT体系的建设需求。在这样的背景下，通常被应用于高精度时钟同步和频率校正等领域的光纤授时、新兴量子授时等技术有望得到快速发展。

4 高精度授时技术

目前常用的大范围高精度授时技术主要有卫星授时及长波授时，潜在技术主要有光纤授时和量子授时等，现简要介绍其技术特点及需要重点研究的内容。

(1)卫星授时技术

利用卫星进行时频同步与比对是目前应用最为广泛的授时手段之一，主要有单向法、共视法(Common View，CV)、双向时间频率传递法、载波相位法。单向法易于实现，授时精度约100 ns；CV法适用于两观测站能同时观测到同一颗卫星的情况，时间同步精度能够达到5 ns～10 ns；BDS/GPS的双向比对及载波相位授时技术复杂且成本高，能达到授时精度0.5 ns的指标，是精度较高的授时技术之一[19]。目前需进一步针对卫星授时的抗干扰能力、抗欺骗能力进行研究，发展低成本高精度的卫星授时方式。

(2)长波授时技术

典型的长波授时系统是罗兰C系统，其导航站遍布全球，我国长波授时服务主要由BPL授时台和长河二号系统提供。BPL长波授时台自1979年开始投入使用，其传播距离远、适用于电导率高的海面，成为了舰船依赖的导航手段之一。目前长波授时主要指标为：时刻准确度1 μs，作用范围可达千km。

对于长波授时台，一方面需要提升系统有效覆盖面积，改进长河台时频系统、提高守时能力和信号发播精度，升级发射系统与导航/守时监测站系统，提高PNT服务精度。另一方面根据天地互备需要，构建罗兰增强北斗能力，参与北斗系统完善性辅助监测、播发北斗系统完善性信息和区域修正类信息，在卫星受干扰或者被遮挡情况下，主要工作区有能力保持可靠的PNT服务。

(3)光纤授时技术

光纤授时具有低损耗、高稳定、大带宽等独特优势，在精度和稳定度方面潜力巨大[20-21]，可以很好地与光频标进行匹配。对于国防计量领域的安全保密、抗干扰性、稳定性等特殊要求，建立可多点下载的高精度光频传输系统可以圆满地实现国防最高计量站和各次级时间标准计量站等之间的时间比对、频率分发等，因此，光纤授时技术有望在远程校准技术方面发挥重要作用。目前该技术主要以网络授时的形式呈现，例如取得广泛应用的网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)、精密时钟同步协议(Precision Timing Protocol，PTP)，以及部分专用光纤网络，不同网络应用领域及精度指标如表2所示。

表2 不同网络授时类型及特点

国际上主要的时频实验室，如美国NIST和实验天体物理学联合研究所、德国联邦物理技术研究院和英国国家物理实验室、日本国家信息与通信研究院等单位，当前都将光纤授时技术视为研究重点[22]。国内方面，国家授时中心、中国计量院与清华大学等单位也开展了光纤时频传递实验。目前该技术的局限主要在于其精度通常随距离的延长而下降，并且在民用光缆网的效果有待进一步测试。经过进一步发展后，光纤授时技术有望结合我国丰富的光缆网资源形成四通八达的高精度授时网络。随着光原子钟技术的进步，专用光纤网络上的特高精度时间同步也将成为潜在研究对象。

(4)量子授时技术

量子授时技术以量子通信技术为基础，在实验室条件下展现出飞秒级时间同步潜力，是目前可知精度最高的授时手段。国家授时中心建立了国内首个量子时间同步实验平台，研究了频率纠缠光源量子特性的可操控性，实现了频率一致纠缠光源和HOM二阶量子干涉，在实验室内证明了量子授时技术的可实现性，实际应用效果有待进一步测试与研究[23]。

5 地基授时系统

不论是出于民用系统的完善还是军用系统的冗余性，地基授时系统都是综合PNT体系建设中的关键环节。我国较早开展了地基授时系统研究，由国家授时中心牵头的十三五重大科技基础设施“高精度地基授时系统”已于2018年全面启动建设任务，届时由地基系统提供的授时信号将基本覆盖我国国土，能够有力支持我国“一带一路”国际合作和远海任务[24]、在复杂环境下提供可靠和高性能时频信息支持，为BDS授时提供广域备份，从而增强PNT信息的多源性、可靠性和安全性，使国家综合PNT体系更加完备。

在地基授时系统中，光纤长距离时频传递是需要重点研究的技术。国外较成功的方案有2013年德国Chiodo通过双向布利渊放大器进行的测试、2015年法国Droste通过四级级联开展的试验等，实现了千km距离的光频信息传递。国内主要有中科院授时中心[25]、上海交通大学[26]等单位开展相关研究。海军工程大学在2019年8月进行了可分布式授时的远距离实验，对700 km盘纤加入了高低温变化，最终两端铷原子钟之间达到了小于0.6 ns的授时精度(1σ)，频率稳定度为1.14×10-4/天。实验方案如图1，测试结果如图2所示，该方案能够为远距离时频传递提供参考和技术支持。

图1 700km光纤时频同步测试示意图

图2 700km光纤两端铷钟时间差测试结果

我国长波授时台和BDS的建设均经历了演示性方案、试验验证、完整建设等过程，对于地基时频网络的研究可能也将由局域时间基准网入手，逐渐从卫星授时的补充发展为授时的主要手段之一。高精度地基授时系统有望与卫星导航系统授时形成优势互补，以构建多层次、立体交叉、安全可靠的国家级授时体系。其中关于局域系统建设、无线和有线授时方法对接等方面的研究有望取得一定进展，也对光纤授时、量子授时等新兴技术的发展与应用提出了更高要求。

6 结束语

北斗总设计师杨长风在中国科协年会上指出要在2020年完成综合PNT体系总体方案设计与论证,2035年完成整体建设。国家授时体系是其中非常重要的一部分。先进、完善的授时体系是促进我国经济建设和国防建设的重要保障，也是科技进步的需求；独立、自主的授时体系是重要的战略资源；安全、可靠的授时系统是国家的基础设施[19]。建设以天基为主、天地互备的授时系统能够有效地拓展综合PNT体系的冗余性和安全性，其中LORAN、高精度光纤授时是地基授时系统的核心技术，也是国防建设的需要。