iGMAS 国家授时中心跟踪站新接收机钟差分析与相对时延校准

李雪宁，孙保琪，杨海彦，苏 行，杨旭海

（1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院国家授时中心，陕西西安 710600；3.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，陕西西安 710600）

随着我国北斗三号卫星导航系统的建成使用，全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）在当今经济生产、社会生活和国防安全中发挥着日益重要的作用[1-3]。为了更好地监测国际主要卫星导航系统（GPS/BDS/GLONASS/Galileo 等）的运行状态，评估其导航、定位、授时性能，我国主导建设了国际GNSS 监测评估系统(international GNSS Monitoring and Assessment System,iGMAS)[4]。iGMAS在全球范围布设了30 个跟踪站网，不仅可以作为独立第三方提供可信的监测评估结果，而且还可以生成高精度、高完好率的卫星轨道、钟差等实时及事后产品，在GNSS 应用推广中具有重要作用[5-7]。

中国科学院国家授时中心（National Time Service Center,NTSC）是国际重要的守时实验室之一。iGMAS XIA1 站位于NTSC 临潼本部园区，是唯一外接国家标准时间UTC(NTSC)频率信号的iGMAS 跟踪站。除了具有与其他iGMAS 跟踪站一样的功能外，XIA1 站还可以在GNSS 授时性能监测评估、GNSS 多系统精密钟差产品参考时间统一归算、基于GNSS的国家标准时间精密授时等方面发挥着独特的重要作用，具有独特的优势。

跟踪站接收机时延稳定性对于守时实验室iGMAS 站能否进行时间服务具有重要的影响因素[8]。2019 年12 月1 日，iGMAS XIA1 跟踪站接收机和天线整套设备进行了升级更换。关于长时段系统分析XIA1 站新接收机的接收机钟差的公开文献尚未见报导，而这项工作对后续开展基于iGMAS XIA1 站的时间服务具有重要的意义。

1 数据与方法

1.1 观测数据

XIA1 站观测数据从iGMAS 西安数据中心（ftp://igmas.ntsc.ac.cn）下载。根据iGMAS 西安数据中心接收的XIA1 站观测文件判断，2019 年12 月1 日XIA1站更换新的接收机和天线后，于当日北斗时（BDT）04 时30 分00 秒开始记录观测数据并上传至iGMAS西安数据中心。这次实验选取XIA1 站从新接收机安装当日开始，到2020年8月30日共9个月的观测数据进行分析。为了便于对比分析XIA1 站接收机钟差，实验还加入了NTP1和XIA6 两站观测数据。其中，NTP1站位于NTSC钟房，是参与国际权度局(BIPM)国际原子时(Temps Atomique International,TAI)计算时间比对的GNSS 跟踪站；XIA6 站与XIA1 站均位于CAPS 机房，安装了高精度商用授时型接收机。NTP1和XIA6 站同时外接UTC(NTSC) 10 MHz 频率和1PPS时间信号，XIA1站只外接UTC(NTSC)10 MHz频率的信号。3 个跟踪站的配置信息如表1 所示。

表1 跟踪站配置信息

1.2 接收机钟差分析策略及验证

BIPM 基于TAIPPP 策略对参与国际原子时计算时间比对的各接收机进行数据观测，按月例行进行精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）解算[9]，并通过FTP 服务对外提供解算得到的接收机钟差。因此，文中使用的NTP1 接收机钟差直接从BIPM FTP 服务器下载。而XIA1和XIA6 接收机钟差则通过RTKLIB 软件采用PPP 方法解算得到。

3 台接收机均外接同源的UTC(NTSC)频率信号，以NTP1 为基准站，采用共钟PPP 时间传递的模式分析XIA1和XIA6 接收机钟差[10]。因为外接同一频率源，NTP1-XIA1和NTP1-XIA6 两条链路时间传递结果中只包含接收机、天线及线缆时延[11-13]。为了与BIPM TAIPPP 策略保持一致，PPP 解算时也利用IGS(International GNSS Service)快速轨道和钟差产品。利用RTKLIB软件进行PPP处理的策略如表2所示[14-17]。

表2 RTKLIB 软件PPP处理策略

为了验证采用上述策略解算得到的钟差与BIPM 提供的TAIPPP 策略接收机钟差的符合程度，利 用NTP1 站2019 年11 月9 日-2019 年11 月29 日的观测数据开展了PPP 钟差解算实验。从IGS 数据中心下载相同时段的IGS 快速轨道和钟差产品、广播星历，并从BIPM FTP 服务器下载其基于TAIPPP 策略解算的NTP1 测站接收机钟差。使用RTKLIB 软件处理NTP1 站21 天的数据，将得到的钟差结果与BIPM 公布的结果进行比较，如图1 所示。计算两个钟差结果差值的STD（Standard Deviation）值，来评价两者的符合程度。

图1 RTKLIB解算的NTP1钟差与BIPM公布的NTP1钟差互差时间序列图

从图1 中可以明显看出互差结果连续、平滑，且钟差的波动范围保持在-0.3～0.3 ns（不考虑PPP 收敛过程）。两者互差的STD 值为0.14 ns。上述结果表明，文中采用解算策略得到的钟差与权威机构BIPM所公布的钟差符合较好，可以通过采用的策略与软件开展后续的实验。

2 XIA1接收机钟差与链路时延

2.1 XIA1接收机钟差分析

利用RTKLIB 软件对XIA1和XIA6 接收机GPS单系统数据进行PPP 解算，得到两台接收机2019 年12 月1 日-2020 年8 月30 日的钟差时间序列。由于采用的卫星精密钟差为IGS 快速产品，其参考时间为IGRT，所以PPP 解算得到的接收机钟差为接收机本地时间与IGRT 之间的偏差。

图2 为XIA1 接收机钟差时间序列图。从中可以明显看到，2020年第10天到第40天，以及第135天到第180 天，这两个时段XIA1 接收机钟差存在明显的分段线性漂移。经分析，主要原因是这两个时段XIA1 接收机外接的10 MHz 信号中断，接收机内部时钟处于自由运行状态。通过检查接收机观测文件，发现分段现象是由接收机重启造成的。为了防止接收机钟差过大对观测值时标等带来不利影响，一般通过实施毫秒跳的方式将接收机钟差控制在一定的、较小的范围。现代高精度测量型接收机通常将接收机钟差控制在1 ms 以内。从图2 中可以看出，2020 年第148 至第174 天接收机并未发生因重启而钟差不断发生上扬的现象，一直到达16 ms，可知XIA1 新接收机的钟差控制阈值较大。

图2 XIA1钟差时间序列图（XIA1—IGRT）

图3 为去掉2020 年第10～40 天以及第135～180天结果的XIA1 接收机钟差时间序列。从图3 中可以看出，XIA1 接收机钟差时间序列存在较多跳变。其中第180 天到第200 天之间的跳变是由于UTC（NTSC）钟房到CAPS 机房10 MHz 频率信号线缆调试改造引起的。-30 天到第10 天之间，以及第64 天、第69 天、第71 天、第77 天、第100 天处的跳变是由于接收机重启造成的。新接收机安装初期，由于进行联调测试，接收机重启次数较多，造成了接收机钟差在-30 天到第10 天之间发生较多跳变。因为XIA1新接收机只外接了UTC（NTSC）10 M 频率信号，没有外接1PPS 信号，所以接收机每次重启后内部时钟的相位会发生变化，表现为接收机钟差跳变。但是由于每次重启后与导航卫星时间进行粗同步，所以接收机重启造成的钟差跳变量级较小。从图3 可知，在外接10 MHz 频率信号的情况下，XIA1 新接收机重启造成的钟差跳变在200 ns 以内。

图3 XIA1钟差时间序列图（XIA1—IGRT）

修复图3 中的跳变，将接收机钟差拼接在一起得到图4。图5 为BIPM 公布的NTP1 测站2019 年12月1 日到2020 年8 月30 日GPS PPP 钟差时间 序列。NTP1 接收机时钟完全锁定到外部接入的UTC（NTSC）10 MHz 频率信号和1 PPS 信号。图4和图5的钟差序列变化趋势和波动幅值基本一致，表明XIA1 新接收机能够较好地体现UTC（NTSC）信号的变化。但是从图4、图5 中可以明显看到第50 天到第70 天之间以及图5 中第150 天至第170 天之间钟差分别发生一段向下和向上的漂移。为了分析上述现象的原因，根据BIPM 提供的TAIPPP 策略解算的PTBB 测站钟差进行验证，如图6 所示。PTBB 站位于国际重要的守时实验室德国联邦物理技术研究院（PTB），也是参与BIPM 国际原子时计算时间比对的测站。从图6 中可以看出PTBB 站在上述两个时间段均有发生相同的钟差漂移现象，故可以断定这种变化不是由于UTC（NTSC）所致，而是与IGRT 有关。

图4 XIA1钟差时间序列图（XIA1—IGRT）

图5 BIPM公布的NTP1钟差时间序列图（NTP1-IGRT）

图6 BIPM公布的PTBB钟差时间序列图（PTBB-IGRT）

2.2 XIA1接收机链路时延分析

为了进一步分析XIA1 接收机时延稳定性，将用RTKLIB 软件解算得到的XIA1 钟差时间序列与BIPM 官网公布的NTP1 钟差时间序列进行对比，求解出两者的互差如图7 所示。作为对比，图8 给出了相同时段RTKLIB 软件解算得到的XIA6 钟差与BIPM 官网公布的NTP1 钟差互差的结果。

图7 BIPM公布的NTP1钟差与RTKLIB解算XIA1钟差互差时间序列图

图8 BIPM公布的NTP1钟差与RTKLIB解算XIA6钟差互差时间序列图

从图7 中可以明显的看出XIA1 在更换接收机后的第一个月，由于进行联调测试，接收机重启导致PPP 钟差解算重新收敛次数较多。但是之后可以明显看到链路相对钟差趋于连续且平稳，尤其是第195天之后。在第223-243天这段时间，计算得到XIA1与NTP1 钟差互差STD 仅为0.19 ns，均值为-117.6 ns。从图7和图8 中还可以看出刚更换的前10 天10 MHz信号中断导致钟差互差结果较为离散。同时接收机没有重启的时段钟差结果也有部分重新收敛现象，并且存在若干孤立的散点，通过检查观测文件，发现这种现象是由于载波相位周跳引起的。若某个时刻大部分卫星的信号都失锁，会导致钟差解算重新收敛，失锁较频繁时会造成钟差解算中的孤立散点。去掉收敛过程及孤立散点等较大的异常值后，计算NTP1-XIA1和NTP1-XIA6 两条链路相对钟差STD 分别为0.32 ns和0.35 ns，表 明XIA1和XIA6两台接收机与NTP1 之间链路总时延均比较稳定，XIA1 新接收机时延稳定性与国际著名商用授时接收机相当。

3 接收机相对时延校准

常见的校准有相对较准与绝对校准两种方法，在上述基础上文中对XIA1 接收机进行相对与NTP1 接收机的时延校准。由于第223～243 天这段时间接收机时延相对稳定，所以选取这段时间进行接收机时延相对较准。BIPM 关于PPP 时间比对中接收机时延校准说明文件中提出的公式如下所示[18-20]。

式中，TOT DLY为接收机总延迟，CAB DLY是电缆延迟，REF DLY是参考延迟，表示从UTC(k)的时间参考点到接收机输入端的时延值，与信号类型无关。INT DLY是内部延迟。其中BIPM 官网公布的NTP1的延迟参数如表3 所示。

表3 BIPM文件中NTP1的延迟参数

在得到NTP1 接收机总延迟之后，以它作为参考，对参与试验的XIA1 接收机进行校准，其中XIA1与NTP1的链路时延为-117.6 ns，通过式（5）、（6）可以计算出XAI1的TOT DLY的值为9.5 ns。

4 结论

从接收机钟差、链路时延以及相对时延校准3个方面对iGMAS 国家授时中心跟踪站XIA1 新接收机时延稳定性进行了分析。在进行钟差分析实验中，发现XIA1 接收机没有外接10 MHz 信号时，接收机钟差的控制阈值较大，超过16 ms；新接收机安装初期，由于进行联调测试，接收机重启次数较多发生较多跳变；但是后续接收机钟差较连续。XIA1 与参与国际时间比对的NTP1 之间9 个月链路时延STD小于0.5 ns，稳定性较好。并对接收机进行相对时延校准。分析结果表明，iGMAS XIA1 站可以为GNSS授时性能监测评估、基于GNSS的国家标准时间精密授时等后续时间服务工作提供重要支持。