王翔，董紹武,3，武文俊,3，張繼海，廣偉,3，高喆，張虹

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048)

0 引言

目前BIPM計(jì)算協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)和國際原子時(shí)(TAI)采用的時(shí)間傳遞手段主要有TWSTFT和GNSS PPP(precise point positioning)時(shí)間傳遞。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心(NTSC)時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室自從2009年P(guān)PP時(shí)間傳遞鏈路建成以來，擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)共視時(shí)間傳遞、衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞、GNSS PPP時(shí)間傳遞三類比對(duì)鏈路可用于UTC、TAI計(jì)算[1]，它們互為熱備份，共同保障NTSC國際時(shí)間比對(duì)鏈路的穩(wěn)定可靠。為了提高工作效率，我們?cè)O(shè)計(jì)并完成了守時(shí)國際時(shí)間比對(duì)鏈路的自動(dòng)化軟件，通過VB平臺(tái)，基于FTP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室本地與國際權(quán)度局(BIPM)的數(shù)據(jù)交互,每日定時(shí)下載BIPM公布的全球主要守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的鏈路相關(guān)數(shù)據(jù)和國際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)(IGS)公布的快速精密星歷產(chǎn)品后，分別利用衛(wèi)星共視、TWSTFT和PPP時(shí)間傳遞方法獲得UTC(NTSC)與其他守時(shí)實(shí)驗(yàn)室保持的UTC(k)的偏差，并在可視化界面上以鐘差曲線的形式實(shí)時(shí)顯示。在試運(yùn)行的6個(gè)多月時(shí)間里，通過多次升級(jí)完善，該軟件已經(jīng)完全能夠滿足國際時(shí)間比對(duì)鏈路狀態(tài)監(jiān)控的需要。

1 時(shí)間傳遞的基本原理

本節(jié)分別介紹GNSS共視時(shí)間傳遞、衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞和GNSS PPP時(shí)間傳遞的原理。

1.1 GNSS共視時(shí)間傳遞

如圖1所示，GPS共視是在一顆GPS衛(wèi)星的視角內(nèi)，以GPS衛(wèi)星鐘為公共參考，相距較遠(yuǎn)的兩地實(shí)驗(yàn)室同時(shí)觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，以衛(wèi)星鐘作為中間變量，間接來確定兩地實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)時(shí)間偏差。例如A、B兩觀測(cè)站連續(xù)測(cè)量本地時(shí)間與可視衛(wèi)星發(fā)布的GNSS系統(tǒng)時(shí)的時(shí)差，在每個(gè)交換周期結(jié)束時(shí)，對(duì)本周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑后，取均值作為本周期測(cè)量數(shù)據(jù)，記為TA、TB，則在扣除衛(wèi)星星歷誤差以及模型修正之后的電離層、對(duì)流層殘留、接收機(jī)天線相位中心坐標(biāo)誤差、接收機(jī)本身的噪聲等誤差源后，A、B兩站鐘差TAB=TA-TB[2]。

圖1 GNSS共視時(shí)間比對(duì)原理

1.2 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞

衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞原理如圖2所示。它的計(jì)算方法如式(1)所示[3-5]：其中T為A、B兩站鐘差；等號(hào)右面第1項(xiàng)為計(jì)數(shù)器讀數(shù)的計(jì)算；第2項(xiàng)為地面站設(shè)備時(shí)延的計(jì)算，可通過事先測(cè)量獲得；第3項(xiàng)為空間傳播時(shí)延(ku波段時(shí)可忽略不計(jì))；第4項(xiàng)為衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延，可完全抵消；第5項(xiàng)為Sagnac效應(yīng)引入的時(shí)延，可準(zhǔn)確計(jì)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)

圖2 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)原理

1.3 GNSS PPP時(shí)間傳遞

PPP時(shí)間比對(duì)原理如圖3所示。使用IGS發(fā)布的GNSS系統(tǒng)的精密軌道和衛(wèi)星鐘差[8]，將雙頻定時(shí)接收機(jī)獲得的雙頻載波相位和偽距觀測(cè)值通過觀測(cè)模型計(jì)算得到的A站保持的UTC(k1)與IGST的偏差，同理可得B站保持的UTC(k2)與IGST的偏差，差分后即可獲得A站與B站的鐘差[9-11]。通常使用的觀測(cè)模型包括無電離層模型、UofC模型、組合觀測(cè)值模型等，本文使用組合觀測(cè)值模型完成數(shù)據(jù)處理[12-13]。

圖3 PPP時(shí)間比對(duì)原理

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了滿足國際比對(duì)鏈路日常監(jiān)測(cè)工作的需要，在VB環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)了國際時(shí)間比對(duì)鏈路自動(dòng)化計(jì)算及監(jiān)測(cè)軟件，能夠自動(dòng)下載最新的鏈路數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星共視、衛(wèi)星雙向、PPP時(shí)間傳遞方法計(jì)算NTSC與全球主要守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)差；并在界面圖形化顯示UTC(PTB)與UTC(NTSC)的偏差(由于長基線衛(wèi)星共視時(shí)間比對(duì)A類不確定度是1.5 ns，衛(wèi)星雙向與PPP時(shí)間比對(duì)A類不確定度是0.5 ns，因此基于共視原理的時(shí)差分析結(jié)果，用于粗略監(jiān)測(cè)當(dāng)前鏈路狀態(tài)；基于TWSTFT&PPP原理的時(shí)差分析結(jié)果，用于監(jiān)測(cè)兩條主鏈路的狀態(tài))和UTC(USNO/OP)與UTC(NTSC)的偏差(作用同上)；最后將時(shí)差分析結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)共享平臺(tái)通過FTP協(xié)議向用戶發(fā)布。

軟件分為數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)3個(gè)模塊。程序流程如圖4所示，開始運(yùn)行后，手動(dòng)進(jìn)行參數(shù)配置(包括數(shù)據(jù)下載時(shí)間、需下載數(shù)據(jù)臺(tái)站、下載數(shù)據(jù)類型)，當(dāng)本地時(shí)間與設(shè)置的數(shù)據(jù)下載時(shí)間一致時(shí)，依據(jù)設(shè)置好的參數(shù)分別準(zhǔn)備當(dāng)日需下載的衛(wèi)星雙向SATRE數(shù)據(jù)、接收機(jī)數(shù)據(jù)和IGS公布的SP3、CLK數(shù)據(jù)文件路徑，在連接相應(yīng)服務(wù)器后進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。各類數(shù)據(jù)下載完成后，進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理階段(圖4數(shù)據(jù)處理階段的數(shù)據(jù)輸入以NTSC與PTB為例)，可以獲得NTSC與全球主要守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間差，同時(shí)分析NTSC兩條主鏈路的鏈路差，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)布至數(shù)據(jù)共享FTP服務(wù)器供用戶使用，并在界面圖形化顯示。需要說明的是數(shù)據(jù)下載時(shí)間依據(jù)各實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)上傳時(shí)間不同，統(tǒng)一設(shè)置為全部數(shù)據(jù)上傳完成后的任意時(shí)刻，為了保證時(shí)效性，針對(duì)各類數(shù)據(jù)分別設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)下載時(shí)間。

圖4 程序流程

2.1 數(shù)據(jù)下載模塊

在指定時(shí)刻，軟件自動(dòng)下載NTSC、俄羅斯時(shí)間與空間計(jì)量研究院(SU)、德國技術(shù)物理研究院(PTB)、美國海軍天文臺(tái)(USNO)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)等全球主要守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)鏈路數(shù)據(jù)。分別登錄BIPM、IGS的FTP服務(wù)器，如圖5所示，以NTSC為例列出了下載BIPM、IGS數(shù)據(jù)時(shí)的路徑，其中AA.AAA是約化儒略日(MJD)的體現(xiàn)，當(dāng)約化儒略日是58 037時(shí)，對(duì)應(yīng)AA.AAA是58.037 ；BBB表示年積日；CC是年份的后兩位，2017年對(duì)應(yīng)的CC是17；DDDD表示GPS周；E表示GPS日。需要說明的是，關(guān)于SATRE數(shù)據(jù)下載路徑與實(shí)驗(yàn)室所在地域有關(guān)，會(huì)有所不同；RENIX格式數(shù)據(jù)文件名與實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)文件格式有關(guān)，可以是D文件或O文件。

圖5 國際時(shí)間比對(duì)鏈路自動(dòng)化計(jì)算及監(jiān)測(cè)軟件文件下載實(shí)例

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

使用最新的下載數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星共視、GNSS PPP、衛(wèi)星雙向原理進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而得到NTSC與其他實(shí)驗(yàn)室的鐘差，以獲取NTSC與PTB的鐘差為例。

NTSC與PTB的共視數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

圖6 共視數(shù)據(jù)處理流程

NTSC與PTB的GNSS PPP數(shù)據(jù)處理流程[14]如圖7所示。

由于校準(zhǔn)值已經(jīng)對(duì)Sagnac效應(yīng)引起的時(shí)延、對(duì)流層時(shí)延、電離層時(shí)延等誤差源進(jìn)行了修正，因此NTSC與PTB的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)的數(shù)據(jù)處理流程是先進(jìn)行時(shí)標(biāo)匹配，之后利用式(2)計(jì)算A、B兩站鐘差[15-16]，其中TW是A站與B站的單軌數(shù)據(jù)，ESDVER是修正的微分地球站時(shí)延差異，REFDELAY是參考時(shí)延，CALR是校準(zhǔn)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)

圖7 PPP數(shù)據(jù)處理流程

2.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊

自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊讀取最新的時(shí)差結(jié)果，滑動(dòng)顯示UTC(PTB)-UTC(NTSC)共5 d的共視鏈路的時(shí)差、UTC(PTB)-UTC(NTSC)共45 d的衛(wèi)星雙向與PPP(NTP1)、PPP(NTP3)的時(shí)差，和UTC(USNO/OP)-UTC(NTSC)共45 d的PPP(NTP1)的時(shí)差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8給出了約化儒略日57 912～57 980軟件的時(shí)差監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出NTSC的衛(wèi)星雙向、PPP(NTP1)、PPP(NTP3)與PTB之間共3條時(shí)間傳遞鏈路能夠保持穩(wěn)定，鏈路差在1.5 ns以內(nèi)，對(duì)于鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)而言，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)具有可行性。

圖8 衛(wèi)星雙向與PPP時(shí)差監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9通過BIPM發(fā)布的GNSS PPP鏈路結(jié)果與采用GNSS PPP鏈路數(shù)據(jù)自動(dòng)化、手動(dòng)計(jì)算(圖中標(biāo)為自檢)得到的UTC(PTB)-UTC(NTSC)在MJD 57 965～57 995的結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出自動(dòng)化結(jié)果與BIPM發(fā)布的鏈路數(shù)據(jù)偏差的均值為-0.111 1 ns，自檢結(jié)果與BIPM發(fā)布的鏈路數(shù)據(jù)偏差的均值為0.538 7 ns。因此，PPP鏈路的手動(dòng)計(jì)算與自動(dòng)化計(jì)算能夠互為參考，使用它的計(jì)算結(jié)果能夠有效監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)。

圖9 多方式PPP鏈路時(shí)差監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖10是BIPM發(fā)布的衛(wèi)星雙向鏈路結(jié)果與軟件通過衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的UTC(PTB)-UTC(NTSC)在約化儒略日57 869～57 905的比較圖，可以看出軟件自動(dòng)化計(jì)算結(jié)果與BIPM的結(jié)果基本一致，除了由于數(shù)據(jù)處理時(shí)奇異值剔除方案不同導(dǎo)致的個(gè)別跳點(diǎn)外，不確定度在0.5 ns之內(nèi)，因此衛(wèi)星雙向鏈路的自動(dòng)化計(jì)算結(jié)果也能夠有效監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)。

圖10 多方式衛(wèi)星雙向鏈路時(shí)差監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

自動(dòng)化軟件在試運(yùn)行的半年以來，能夠滿足守時(shí)實(shí)驗(yàn)室對(duì)國際比對(duì)鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，并大大增加了UTC(NTSC)與其他UTC(k)之間的計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)量，提高了日常鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的效率與可靠性。通過GNSS PPP原理計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)室間的鐘差與BIPM一個(gè)月后公布的鐘差結(jié)果之間的最大偏差小于0.5 ns，通過衛(wèi)星雙向原理計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)室間的鐘差與BIPM一個(gè)月后公布的鐘差結(jié)果基本一致，衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)鏈路和GNSS PPP時(shí)間比對(duì)鏈路都能夠達(dá)到國際比對(duì)的要求。并且GNSS PPP與TWSTFT兩類時(shí)間比對(duì)鏈路之間的不確定度優(yōu)于1.5 ns，在實(shí)驗(yàn)室能夠相互監(jiān)測(cè)，互為熱備份。