基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统设计与实现

武美芳，董孝松

(1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.山东理工大学，淄博 255000)

0 引言

时间是自然界中基本物理量之一[1]，高精度的时间服务攸关国家安全，也是国计民生中不可或缺的一部分。时间服务系统需溯源至国家标准时间，这是国际电信联盟对时间服务系统的要求[2]。由中国科学院国家授时中心负责产生、保持和发播的UTC(NTSC)(coordinated universal time,UTC;National Time Service Center,NTSC)是我国的国家标准时间，也是国际标准时间UTC在我国的物理实现之一[3]。目前， GNSS授时因其10～50 ns较高的时间服务精度，广泛的信号覆盖，已成为使用最多的时间服务技术之一。

科学研究、工业应用等领域的快速发展对时间服务提出了更高的要求，精度从纳秒级逐步到亚纳秒级，时效性从事后到实时。目前已有的时间服务精度以及事后的工作模式已无法满足需求。因此，越来越多的机构和学者致力于研究高精度的、实时的时间服务系统。

2012年，Xu Longxia等[2]提出了基于共视原理的卫星授时方法，基于该方法可获得优于5 ns的实时时间服务精度，该系统包括地面监测站、上行注入站、通信卫星等组成部分。2015年，欧盟[3-4]发起了“Horizon 2020”研究计划， 并设计了“时间监测与控制”模块。该模块下，服务端利用事后PPP(precise point positioning)技术每小时向用户发送用户钟和UTC(k)之间的时间偏差。由于利用了事后PPP技术，该模块提供的时间服务滞后1 h。2019年，Guo Wenfei等[5]搭建并测试了高精度实时GNSS单向授时系统，该系统基于一个新的时间参考实现，而不是国家标准时间，该系统输出了天稳优于1 ns的1 PPS信号。2021年，Wu Meifang等[6]研究并搭建了基于UTC的单向GNSS时间服务系统，该系统基于PPP技术实现，因此，只能为用户提供单一的定时模式。

UTC(NTSC)是我国国家标准时间，为时间服务提供基准。国际GNSS监测评估系统(international GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)是我国倡导和建立的一套系统[7]，旨在建立GNSS全球跟踪网，并生成各类高精度产品，例如精密星历、卫星钟差等，服务于科学研究和各类应用。本文利用UTC(NTSC)物理信号和iGMAS提供的数据及相关产品，设计并实现了亚纳秒级实时时间服务系统。基于该系统，用户可根据自身需求，选择PPP或实时动态这两种不同的定时解算模式，以获得亚纳秒级的实时国家标准时间服务。与此同时，该系统实现简便，利于推广应用。

1 系统原理

如图1所示，基于iGMAS的亚纳秒级时间服务系统包括卫星端、服务端、用户端和通信网络。外接UTC(NTSC)信号的基准站、iGMAS跟踪网、国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)跟踪网和数据分析处理中心共同构成了服务端。用户端由GNSS接收机和定时解算模块构成。系统基本原理为：以iGMAS作为平台，建立GNSS与UTC(NTSC)的紧密联系，用户通过多种定时模式，实时获得本地时钟与UTC(NTSC)的偏差，从而实现精密时间服务，预期静态时间服务精度达到亚纳秒量级。

图1 基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统工作原理

根据用户站与基准站间形成的长度不同的基线，用户端可选择PPP定时模式或实时动态定时模式，解算本地钟与国家标准时间UTC(NTSC)的钟差，以完成时间服务过程。

1.1 服务端

从图1可知，当用户端采用PPP定时模式时，以UTC(NTSC)为参考的，高精度实时卫星钟差产品是基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统实现的关键前提保证。当前部分iGMAS和IGS分析中心已经实现了厘米级实时卫星轨道(MEO/IGSO卫星)和百皮秒级实时卫星钟差产品的产生与播发[8]。但是，实时卫星钟差产品存在两方面不足：① 卫星钟差产品的参考基准不连续、不固定，只能用来进行定位(基准偏差被接收机钟差吸收)，不能用于定时；② 基于实时流产生与播发，对网络通讯依赖性较大，可靠性较差[9]。因此，高精度的以UTC(NTSC)为参考时间的实时钟差是该系统实现的基础。

基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统采用了基于高频观测文件拼接的实时钟差确定方法生成高精度实时钟差，且该实时钟差的参考时间为UTC(NTSC)。一方面，以UTC(NTSC)为基准的实时钟差产品克服了由于钟差产品基准不连续而导致的时间服务结果不连续的问题，另一方面利用高频观测文件实现实时钟差算法，而不是常用的实时观测数据流，使实时钟差产品的可靠性和可用性得到提高。基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法，在钟差估计的基础上进行超短期钟差预报，以确定实时卫星钟差。目前iGMAS和IGS提供的观测文件，根据时长，可分为天文件、小时文件和15 min文件。天文件时延太长，因此，基于高频观测文件拼接的实时钟差确定方法可根据更新周期选择小时文件或15 min文件。

基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法充分考虑时钟建模，采用15 min或小时更新的文件形式观测数据生成实时精密钟差产品，并利用外接UTC(NTSC)主钟1 PPS和10 MHz信号的接收机，将钟差产品的参考时间固定为UTC(NTSC)。根据卫星钟的运行特性进行建模，进而实施卫星钟差超短期预报，采用文件的形式向用户播发。

在星钟差解算的过程中，首先，设置外接UTC(NTSC)信号的基准接收机，需精确测量连接链路的设备时延。其次，实时星钟差解算时，包含基准接收机数据，并将基准接收机固定为卫星钟差基准，解算其他各星钟相对于该基准的钟差。此时，生成以UTC(NTSC)为参考时间的卫星钟差。

另外，基于高频观测文件拼接的实时钟差确定算法还包括超短期钟差预报。数据质量控制是钟差预报中不可或缺的部分，例如：粗差探测及修复、钟跳探测及修复[10-11]等。由于生成的实时钟差更新频率较快，系统采用了Huang Guanwen等[12]提出的自适应钟差预报模型进行超短期预报，此处不再赘述。

钟差预报生成了高精度的文件格式的实时钟差产品。为了满足实时用户需求，可将其生成状态空间表示 (state space representation，SSR)格式的广播星历改正数，并通过BNC软件播发。需要明确的是，广播星历钟差并没有修正相对论效应，而生成的文件格式的实时钟差产品已精确修正相对论效应，因此需要将其二者相匹配后再进行播发。

1.2 用户端

考虑到不同用户站与基准站间形成基线长度各异，基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统设计时，在用户端提供两种定时模式。当基线较长时，用户端利用PPP定时模式，解算本地钟与UTC(NTSC)的钟差，完成时间服务过程。当基线较短时，用户端利用实时动态模式，解算本地钟与UTC(NTSC)的钟差。

1.2.1PPP定时模式

服务端将基于UTC(NTSC)的实时卫星钟差广播至用户端。用户端接收实时卫星钟差产品、实时卫星轨道、测站坐标等，利用式(1)和(2)，基于非差消电离组合，生成用户端本地钟相对于UTC(NTSC)的时间偏差，完成时间服务。

(1)

(2)

1.2.2实时动态定时模式

实时动态定时模式借鉴了实时动态(real-time kinematic，RTK)定位思想，在基线较短(通常小于100 km)的情况下，利用码伪距和载波相位观测值，用户站和基准站之间进行站间单差，得到用户站本地钟与基准时间之间的时间偏差，从而实现定时。实时动态定时模式有3个显著优势：① 仅使用广播星历，不再依赖实时精密轨道和钟差产品；② 因为使用了载波相位观测值，可达到亚纳秒的定时精度；③ 该方法所需收敛时间较短，且原理简单并易于实现。

基准站接收机和用户站接收机均实时接收GNSS伪距和相位观测数据，如式(3)和(4)所示。

(3)

(4)

基准站将接收到的GNSS观测数据通过网络实时转发给用户端定时模块。用户端定时模块将用户端观测数据与基准站观测数据做站间单差，如式(5)和(6)所示。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，站间单差观测值中消除了卫星端相关误差项，例如卫星钟差、卫星端硬件延迟等。当两测站间基线较短(例如30 km以内)，空间相关性较强的误差项，例如，电离层延迟、对流层延迟等也可忽略。但是，接收机天线相位中心需要修正。

2 系统设计

我国国家标准时间UTC(NTSC)中长期稳定度为10-15～10-16量级[2]，由国家授时中心负责产生、保持和发播。与此同时，国家授时中心还拥有iGMAS跟踪站之一、 iGMAS分析中心和数据中心之一，为基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统的搭建提供了便利条件。

如图2所示，跟踪网、分析处理服务平台、播发平台及用户平台共同构成了基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务原型系统。其中，分析处理服务平台有服务器及分析处理软件；播发平台包括CASTER、BNC等软件；用户平台包括全球分布的各种类型的接收机；跟踪网包括IGS/iGMAS跟踪站，以及外接UTC(NTSC)的基准站。

图2 基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务原型系统

外接UTC(NTSC)信号的基准站设置于国家授时中心，记为XIA6，并精密测定连接链路时延。根据用户站与基准站形成的基线长度不同，设计PPP和实时动态两种定时模式。基准站及用户站信息如表1所示。

表1 基准站与用户站信息表

当用户端采用PPP定时模式时，系统流程为：

① 基准站接收机接入UTC(NTSC)物理信号，包括1 PPS和10 MHz，需精密测量连接链路时延；

② 利用iGMAS/IGS发布的小时观测文件，分析处理平台生成实时轨道及基于UTC(NTSC)的实时星钟差产品；

③ 播发平台归算实时钟差和轨道改正数，并利用CASTER软件，将其播发给用户测试平台，实时改正数记为TEST0；

④ 用户测试平台一方面接收TEST0改正数，另一方面获取实时观测数据和广播星历， 基于PPP模式，计算本地站钟与UTC(NTSC)的时间偏差。

当用户端采用实时动态定时模式时，系统流程如下：

① 基准站接收机接入UTC(NTSC)物理信号，包括1 PPS和10 MHz，需精密测量连接链路时延；

② XIA6将观测数据发送至各用户站；

③ 各用户站利用收到的XIA6观测数据和自身观测数据，做站间差分；

④ 结合广播星历，解算用户站本地时钟与基准站UTC(NTSC)的偏差，完成定时。

3 系统测试

利用iGMAS或IGS发布的快速钟差和轨道产品，GPS PPP站间时间比对精度(标准差)可达0.1 ns。因此，可利用其作为“真值”来评估原型系统提供的实时时间服务精度。本文采用基准站和各用户站之间的事后PPP时间传递结果，对原型系统展开评估。评估步骤如下：

① 原型系统利用PPP和实时动态两种定时模式，分别提供时间服务，用户站归算本地钟与UTC(NTSC)的时间偏差；

② 基于iGMAS或IGS发布的快速钟差和轨道产品，利用PPP手段，生成用户站与基准站之间的链路时间比对结果。基准站外接UTC(NTSC)信号，因此，用户站与基准站之间的链路结果即为用户站与UTC(NTSC)的事后时间比对结果；

③ 结果①和结果②做差，并进行统计，即为原型系统时间服务精度评估结果。

通常，授时误差包含A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度也称为抖动，常用标准差表示。B类不确定，也称为偏差，可通过校准的方式扣除。在本文中，涉及的时间服务精度均指A类不确定度，采用标准差表示。

3.1 PPP定时模式测试

依据评估方法，图 3显示了用户测试平台中3个用户站CAP1、WTZR和BRUX 年积日(day of year,DOY)2021-48/2021-54共7 d的实时在线评估结果，其中，BRUX在DOY54由于数据中断，没有结果。

图3 原型系统各用户站连续7 d时间服务精度评估结果(PPP定时模式)

从图3可以看出，7 d 连续的评估结果显示，各用户站的时间服务评估精度为：CAP1为 0.92 ns，WTZR为0.75 ns，BRUX为0.83 ns，各用户站起伏范围在4 ns以内。与此同时，WTZR和BRUX所有天和CAP1绝大多数天的单天时间服务精度评估结果均优于1 ns。

对图3中各用户站时间服务精度评估结果进一步分析，包括各用户站多路径误差和各用户站与基准站形成的基线长度。如表2所示，各用户站评估精度与其多路径误差强相关。这是因为，原型系统采用PPP模式进行时间服务时，观测数据的多路径误差会影响PPP解算结果。而用户站与基准站之间形成的基线长度，对PPP模式影响甚微。从上述分析可以看出，原型系统时间服务精度的主要影响因素为用户站观测数据质量。另外，卫星钟差和轨道精度也是影响原型系统时间服务精度的一个重要因素。

表2 用户站连续7 d评估精度、平均多路径误差及与基准站形成的基线长度

3.2 实时动态定时模式测试

依据评估方法，图4显示了用户测试平台中使用实时动态定时模式的2个用户站XIA9和CAP1 年积日2021-122/2021-128共7 d的实时在线评估结果。

图4 XIA9和CAP1站连续7 d时间服务精度评估结果(实时动态定时模式)

如图4所示，利用实时动态定时模式获得时间服务结果与事后PPP时间传递结果符合较好。XIA9和基准站XIA6形成超短基线，XIA9-UTC(NTSC)的评估结果在0.5 ns范围内波动，STD为0.09 ns，平均值为0.098 ns。XIA6和XIA9两台接收机天线相位中心修正值之差为0.026 m，接近XIA9-UTC(NTSC)的评估结果均值。CAP1与XIA6形成短基线，CAP1-UTC(NTSC)时间服务结果，同样在0.5 ns以内起伏，STD为0.12 ns。利用实时动态定时模式完成时间服务时，评估结果起伏波动的主要原因可能为接收机天线相位中心修正误差。

另外，比较图4和图3中用户站CAP1分别利用PPP定时模式和实时动态定时模式进行时间服务的评估结果，CAP1利用实时动态定时模式获得的时间服务精度明显优于利用PPP定时模式。其原因在于，一方面，实时动态定时模式完全消除了卫星钟差的影响，削弱了轨道误差的影响；另一方面，两测站间基线较短，电离层延迟和对流层延迟等误差项在一定范围可忽略不计。因此，当用户站与基准站形成基线较短时，应优先选择利用实时动态定时模式完成时间服务。

从图3和图4可知，用户端不论采用PPP定时模式，还是实时动态定时模式，原型系统均可提供亚纳秒级精度的实时时间服务。

4 结语

信息时代的快速发展对时间服务的精度和时效性提出了更高的要求，常规的几十纳秒到纳秒级的时间服务精度以及事后处理的工作模式已无法满足需求。针对上述问题，设计并搭建了基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统，详细阐述了其系统原理和组成。依据用户站和基准站形成不同长度的基线，在原型系统用户端部分创新性的集成设计了两种不同的定时模式，PPP定时模式和实时动态定时模式。PPP定时模式适用于大规模广域的高精度时间用户；而实时动态定时模式则可以满足分布范围不大的局域网用户的时间服务需求。

基于两种不同定时模式，对原型系统时间服务性能开展详细测试和分析。结果显示，原型系统可基于PPP定时模式或实时动态定时模式提供亚纳秒级精度的实时时间服务。与目前广泛应用的GNSS授时技术相比，基于iGMAS的亚纳秒级实时时间服务系统将实时时间服务精度提高了1～2个量级，可满足某些特定领域对时间服务的需求。

另外，本文仅基于GPS对原型系统时间服务精度进行测试。基于BDS的测试方案和结果还在进一步完善中。