吳文南，汪 鶴，沈 飛，李林紅

（1.江蘇北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司，南京 210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

基于共視原理的區(qū)域衛(wèi)星授時服務(wù)平臺設(shè)計

吳文南1，汪 鶴2，沈 飛1，李林紅1

（1.江蘇北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司，南京 210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

本文通過對GNSS共視法時間傳遞（GNSS CV）的基本原理的研究，根據(jù)實際應(yīng)用情況，基于國家授時中心的中國標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（NTSC），提出了基于共視法時間傳遞的區(qū)域衛(wèi)星授時服務(wù)平臺設(shè)計方案，實現(xiàn)區(qū)域精密時間服務(wù)。此方案既可以減輕用戶對NTSC服務(wù)器的壓力，同時也有利于降低用戶的網(wǎng)絡(luò)成本。

GNSS共視；授時；區(qū)域授時平臺

1 引言

時間是表征物質(zhì)運動的最基本物理量[1]，它為一切動力學(xué)系統(tǒng)和時序過程的測量及研究提供必不可少的時間坐標(biāo)，在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究以及國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中都有廣泛應(yīng)用，授時服務(wù)已經(jīng)成為國計民生中不可或缺的公益工程，它甚至攸關(guān)國家安全。一個國家必須有獨立自主的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時間，并采用統(tǒng)一的時間規(guī)范來制約政府和社會，以保證國家、社會運轉(zhuǎn)的統(tǒng)一性、有序（連續(xù)）性和安全性。目前，中國的國家標(biāo)準(zhǔn)時間是中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）建立并保持的原子時間標(biāo)準(zhǔn)。

我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不受他國控制和限制，其可用性和安全性更有保障。采用以北斗、GPS互備的冗余技術(shù)進行高精度的時間比對和傳遞，可彌補長久以來使用GPS作為惟一時鐘源而存在的風(fēng)險，解決了共視技術(shù)中的時鐘模塊可靠性問題。

2 共視法基本原理

目前，國際上主要的授時方法有通過微波的衛(wèi)星授時、通過地面無線電傳播的長短波授時和通過數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)/電話授時[2]三類。其中，衛(wèi)星授時以美國的GPS和我國的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)為代表，這種授時方法覆蓋范圍廣，精度能達到50ns，是目前精度最高的授時方法[3]。

GNSS衛(wèi)星共視（GNSS CV）是一種高精度遠程時間傳遞技術(shù)，具有比對精度高、覆蓋范圍廣、使用費用低、可連續(xù)運行等特點[4]，GNSS共視技術(shù)由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）于20世紀(jì)90年代提出。如果共視比對的兩者之中是保持國家標(biāo)準(zhǔn)時間的實驗室，共視的另一方就與國家標(biāo)準(zhǔn)時間實現(xiàn)了精確同步?；谏鲜鏊悸罚瑖沂跁r中心在國內(nèi)首次提出基于GNSS CV進行授時服務(wù)的方法，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)的實時傳輸和在線處理，快速測定用戶鐘與國家標(biāo)準(zhǔn)時UTC（NTSC）之間相對鐘差，實現(xiàn)用戶鐘與UTC（NTSC）高精度時間同步。

共視法的含義是指：在地球上的兩個原子鐘，能夠在任何地點，在同一時間接收同一個衛(wèi)星時間信號進行比對。目前，共視法也是國際計量局（BIPM）用于國際原子時合作的基本手段之一[5]。

設(shè)A地點接收衛(wèi)星信號的時刻為TA；B地點接收衛(wèi)星信號的時刻為TB；GNSS衛(wèi)星信號時刻為TGNSS；dA和dB分別為A，B兩站與衛(wèi)星間的路徑時延，主要為電離層和對流層時延；兩站在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星S。

GNSS共視測量基本原理如下：地球上A，B兩地的GNSS時間接收機在同一個共視時間表作用下，對同一顆GNSS衛(wèi)星的時間信號進行同步接收，每臺接收機將收到的GNSS秒脈沖送至?xí)r間間隔計數(shù)器，與本地原子鐘輸出的秒脈沖進行比較，在A地得到本地時刻TA與TGNSS差ΔTAS，同時，在B地得到TB與TGNSS差ΔTBS。然后，可以通過通信網(wǎng)把其中一方的數(shù)據(jù)傳到另一方的計算機中，進行兩式相減，即可得到兩地的兩臺原子鐘之間的時間差。共視可以完全抵消星鐘誤差[6]，部分抵消電離層延遲和對流層延遲誤差。當(dāng)A，B兩地位于相距不遠的同一區(qū)域內(nèi)時，dA和dB幾乎相等，dA-dB可近似為零；或當(dāng)A，B兩地的電離層及對流層延遲可以準(zhǔn)確計算時，則兩地原子鐘之間的時間差可準(zhǔn)確得到。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

江蘇北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司擬建立江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺，該服務(wù)平臺連接國家授時中心，與之共同構(gòu)成區(qū)域精密時間服務(wù)系統(tǒng)。江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺作為區(qū)域授時服務(wù)中心，為華東地區(qū)客戶提供精密時間服務(wù)。

整個精密時間服務(wù)系統(tǒng)由主站觀測單元、客戶觀測單元、系統(tǒng)管理單元、數(shù)據(jù)處理單元和江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺五大部分組成，如圖1所示。其中主觀測單元包括GNSS CV觀測設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)時間、頻率信號等，其主要功能為測量UTC（NTSC）與GPS，BDS，GLONASS衛(wèi)星鐘的時間差。客戶端觀測單元由GNSS CV觀測設(shè)備和本地時間源組成，其主要功能為測量本地時間與GNSS衛(wèi)星鐘的時間差。系統(tǒng)管理單元包括客戶數(shù)據(jù)提交、數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用、處理結(jié)果投送模塊，由數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)寬帶、服務(wù)器及數(shù)據(jù)系統(tǒng)等硬件與軟件構(gòu)成，其功能包括觀測數(shù)據(jù)的獲取、IGS精密星歷等產(chǎn)品的定時下載、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的投送等。數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和比對數(shù)據(jù)處理兩部分，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的功能是對客戶提交的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，判斷客戶提交數(shù)據(jù)的類別和覆蓋時間，并從本地數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)和IGS相關(guān)產(chǎn)品。比對數(shù)據(jù)處理模塊的功能是根據(jù)預(yù)處理結(jié)果，對客戶觀測數(shù)據(jù)和本地觀測數(shù)據(jù)進行GNSS共視比對計算。江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺通過網(wǎng)絡(luò)專線連接國家授時服務(wù)中心，實現(xiàn)國家授時中心標(biāo)準(zhǔn)時間信號的異地復(fù)制，有效保證區(qū)域授時系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定、安全可靠的工作。

3.2 系統(tǒng)工作介紹

江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺根據(jù)功能劃分可分為數(shù)據(jù)提交模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、比對數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果自動投送模塊、數(shù)據(jù)管理模塊，如圖2所示。

⊙ 數(shù)據(jù)提交模塊：客戶登錄系統(tǒng)，向區(qū)域授時服務(wù)平臺服務(wù)器提交數(shù)據(jù)。

⊙ 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：收到客戶提交的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)的初步篩選工作，判斷客戶提交數(shù)據(jù)的類別。

⊙ 比對數(shù)據(jù)處理模塊：客戶數(shù)據(jù)預(yù)檢驗，共視比對計算，結(jié)果評估。

⊙ 結(jié)果自動投送模塊：客戶數(shù)據(jù)處理完成后，將相應(yīng)的結(jié)果返回給客戶。

⊙ 數(shù)據(jù)管理模塊：管理客戶提交的相應(yīng)數(shù)據(jù)和傳輸自NTSC服務(wù)器的各類數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)單次運行流程如圖3所示。用戶登錄江蘇北斗衛(wèi)星授時服務(wù)平臺后，向平臺發(fā)出授時服務(wù)請求，并通過數(shù)據(jù)提交共視觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收到用戶提交的服務(wù)請求和數(shù)據(jù)后，啟動在線授時服務(wù)處理工作，包括：調(diào)用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，判斷數(shù)據(jù)類型、觀測時間、準(zhǔn)備主站觀測數(shù)據(jù)等；調(diào)用數(shù)據(jù)比對處理模塊，進行數(shù)據(jù)比對處理；調(diào)用結(jié)果投送模塊，將共視比對結(jié)果發(fā)送給用戶；實現(xiàn)用戶鐘與UTC（NTSC）的精確同步。

4 結(jié)束語

共視法只可用于少數(shù)用戶之間的時間比對或時間同步，不具有同時為無限用戶提供服務(wù)的特點[7]。建立區(qū)域衛(wèi)星授時服務(wù)平臺，通過網(wǎng)絡(luò)專線連接NTSC服務(wù)器，實現(xiàn)時間傳遞與同步，用戶通過接入?yún)^(qū)域衛(wèi)星授時服務(wù)平臺，即可實現(xiàn)與國家授時中心的時間比對。采用此種方式，不僅可以將原本需要接入NTSC的用戶大量轉(zhuǎn)移到區(qū)域授時服務(wù)平臺，大大減輕用戶對NTSC服務(wù)器的壓力，同時也有利于降低用戶的網(wǎng)絡(luò)成本。更重要的是，江蘇區(qū)域衛(wèi)星授時服務(wù)平臺通過長期的數(shù)據(jù)收集，建立了華東地區(qū)大氣延遲的精確模型，通過接入該平臺即可計算得到大氣延遲量，從而準(zhǔn)確得到用戶鐘與平臺之間的時間差，為精確授時提供了有力保障。

[1] 漆貫榮．時間科學(xué)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2006

[2] 向渝，華宇，董道鵬 等．基于電話授時技術(shù)的時間同步終端設(shè)計[C]．第三屆全國虛擬儀器大會，2008

[3] 程華軍．基于GNSS CV的精密時間服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．中國科學(xué)院研究生院，2011

[4] 高玉平，王正明，漆溢．GPS共視比對技術(shù)在綜合原子時中的應(yīng)用[J]．時間頻率學(xué)報，2004

[5] 彭嘯虎，米亮．GPS共視授時中的多徑效應(yīng)分析[J]．電腦知識與技術(shù)，2013. 9(1)

[6] 王正明．GPS共視資料的處理和分析[J]．天文學(xué)報，2001. 42(2)

[7] 許龍霞．基于共視原理的衛(wèi)星授時方法[D]．中國科學(xué)院大學(xué)，2012

Regional Time Service Platform Design based on GNSS CV

Wu Wennan1, Wang He2, Li Linhong1, Shen Fei1
(1.Jiangsu BDS Application Industry Institute, Nanjing, 210032; 2. NARI Technology Co., Ltd., Nanjing, 211106)

Through the research on GNSS CV, a proposal of regional time service platform was proposed based on the China Standard Time of National Time Service Center to realize precise time service. This proposal can reduce the pressure on the servers of NTSC brought by users, but also help to reduce the cost of users needed.

GNSS common-view; time service; regional time service platform

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.002

TN96文獻標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）06-0027-04

2013年度電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目。

吳文南，男，1982年生，高級工程師，主要從事衛(wèi)星授時研究。