NTSC守时工作：国际先进、贡献卓绝

董绍武，屈俐俐，袁海波，王燕平，赵书红，张虹



NTSC守时工作：国际先进、贡献卓绝

董绍武1,2，屈俐俐1,2，袁海波1,2，王燕平1,2，赵书红1,2，张虹1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

简要介绍近年来中国科学院国家授时中心守时工作的最新进展以及精密时间信号拓展应用情况。通过持续开展时间产生和保持所涉及的相关技术研究，加强和发展我国标准时间UTC（NTSC）系统的技术基础条件，使我国的守时工作取得突破，各项性能实现国际先进水平，国家授时中心时频基准实验室成为国际原子时TAI系统中最重要的守时单元之一。

守时；原子时；时间比对；时间溯源

0 引言

中国科学院国家授时中心（NTSC）负责我国标准时间UTC（NTSC）的产生、保持及其相应系统的运行维护。UTC（NTSC）系统是国家大科学装置——长、短波授时系统的核心部分，自20世纪70年代建成以来一直连续稳定运行，从未中断[1]。NTSC的标准时间服务为国家的国防、国民经济建设做出了重大贡献。随着科学技术的发展，各方面的时间应用对守时工作、时间信号均提出了越来越高的要求。经过多年的努力，NTSC守时工作的综合性能已经跻身世界前列。

NTSC时间基准实验室按照GB9000和GJB2725质量体系标准的要求，承担原子钟组与守时系统的日常运转，开展相应的维护、改进、技术革新和时间保持相关研究工作。NTSC的原子钟和原子时数据为国际原子时TAI的归算做出了重要贡献。时间基准系统作为国家大科学装置的组成单元在完成常规运行的同时，其产生的标准时间频率信号为各类授时系统提供参考，如陆基无线电系统、卫星导航系统等，保障了长短波授时、北斗系统、转发式系统、海军长河、iGMAS中心站、时间戳、上海海岸电台、网络授时和其他国家重要基础设施对精密时间频率信号的需要。同时，通过综合原子时UTC（JATC）系统平台，国内参加该系统的守时实验室可以得到实验室本地时间与国家时间基准的相互关系，使有限的原子钟等稀缺资源得到有效利用，实现了资源的开放和共享。

近年来，NTSC的时间保持工作取得突破，守时实现的综合性能指标在全球所有守时单元中位居前列，已经成为国际原子时（TAI）归算中最大权重贡献单元之一。当前，NTSC已经发展到拥有一定规模的守时钟组，具有国际先进水平的测量比对、国际溯源系统和平台，完善的质量控制体系，已经成为全球最重要的守时实验室之一[2]。

1 守时技术研究进展和时间基准系统技术基础条件发展进步

守时涵盖了时间尺度的产生、保持、比对（内部和远程时间传递）[3]。NTSC近年来着重开展：①提高TA（NTSC）的中长期稳定度的算法研究；②消噪方法研究（消噪＋保真）；③氢钟和铯钟联合守时方法；④UTC（）精密控制研究，使独立地方原子时TA（NTSC）性能保持稳定并不断提高。原子时尺度算法研究涉及原子钟信号噪声分析和消噪方法研究、原子钟频率预测、时间尺度计算中的取权方法等方面。另外，测量比对的每个环节都可能引入误差和干扰，会给使用这些信号的设备和系统带来重大影响，需要通过比对数据等相关信息加以甄别。结合时间频率信号控制和基于时频科学数据库的大数据分析等，使地方协调世界时UTC（NTSC）的保持逐年改进。

1）守时系统技术基础条件建设

随着精密守时信号应用需要的拓展，NTSC重视并完善了重要科技建设。目前，UTC（NTSC）时间基准系统发展到由30台铯原子钟、4台氢原子钟、测量比对系统、远距离时间比对及国际溯源系统、标准时间频率信号产生与分配系统、精密时间信号服务系统等单元组成的大型时间基准平台。该平台可以实现亚纳秒量级的精密时间测量并可以完成常规国际时间比对，其综合性能达到国际先进水平。同时，该平台包括的近百台大型仪器设备如原子钟、精密测量比对设备等均24 h连续运行，利用率100%。大型进口仪器设备经过系统集成、控制及管理软件编程，实现了最大程度的功能开发利用。时间基准硬件平台在设备配置、环境条件保障以及运行管理上更加先进，在服务国防和国民经济建设方面发挥着越来越重要的作用。图1是UTC（NTSC）时间基准系统平台。

图1 UTC（NTSC）时间基准系统平台

2）国际时间比对和溯源

卫星双向时间频率传递（TWSTFT）是基于地球同步卫星的高精度时间比对手段，其可以实现0.3～0.5 ns的比对精度，是目前最高精度的远距离时间比对方法之一[4]。NTSC先后建立了TWSTFT亚太、欧洲和国内3条远距离时间比对链路，分别开展与亚洲国家和地区守时实验室、国际时间局和国内其他守时实验室的精密时间比对活动。图2为NTSC卫星地面站。

图2 国内外远距离比对卫星地面站

NTSC从2009年5月起利用卫星双向时间频率传递系统（TWSTFT）替换GNSS共视方法实现国际标准时间UTC溯源，使UTC（NTSC）国际溯源比对的A类不确定度由1.5ns改进到0.5ns。由于亚欧时间比对试验的俄罗斯AM2卫星寿命到期，导致2014年底所有亚欧卫星双向比对中断，NTSC及时启用GPS精密单点定位技术（GPS PPP）实现国际标准溯源。GPS PPP与卫星双向时间频率传递具有基本相当的比对精度，其A类不确定度为0.3 ns。

3）国内卫星双向比对技术研究进步

随着时间应用越来越广泛，NTSC注重精密时间信号的拓展应用，积极参与国家时间服务体系的构建，利用多年开展远距离高精度时间比对工作的积累，开展与国内时间单位间的远距离时间比对试验，特别是基于我国通信卫星和导航卫星的时间比对均取得成功，为构建独立自主、安全可靠的国家时间频率体系做了重要的技术准备。

图3所示为我国北斗系统时间国际标准溯源关系。NTSC与北京卫星导航中心基于不同比对手段建立了远距离时间比对关系，其中，卫星双向比对利用我国北斗GEO卫星。试验表明，基于我国北斗卫星的BD共视、C波段卫星双向和GPS共视具有很好的一致性。西安—北京C波段卫星双向比对A类不确定度0.4 ns，北斗和GPS共视（BDS/GPS CV）综合不确定度5 ns。我国北斗系统时间BDT通过与NTSC的比对链路建立了与国际标准时间UTC的比对关系。

图3 北斗时BDT国际溯源关系

目前，基于通信卫星的远距离时间比对系统已经发展到具有数十台大型仪器设备如调制解调器、卫星上下变频器、碟形卫星天线等的规模，仪器设备均24h连续运行，利用率100%。NTSC的TWSTFT系统在完成日常国际时间比对任务的同时，开展军民融合互为保障技术研究，为国家重大专项的建设和发展提供技术支持。

4）时间尺度算法改进和发展

NTSC保持的我国独立地方原子时TA（NTSC）采用与国际原子时TAI归算相类似的加权平均算法及ALOGS算法，也经历了不断的改进和发展。

①国际原子时TAI的归算[5]：TAI归算的第1步是计算自由原子时尺度EAL，EAL是由全球400多台原子钟加权平均得到的，ALOGS算法主要保证EAL的长期稳定度。自由原子时EAL经过基准频率标准的频率校准获得TAI。EAL计算所用的基本公式如下：

。 （2）

传统上，EAL计算所采用的权值计算如式（3）所示：

从式（3）可以明显看到，由于氢原子钟的长期速率漂移特性，因此一直以来在EAL计算中的权重相对较小。2014年1月起，BIPM采用一种新的权重算法计算EAL，新的权重算法主要基于“可预测性”来确定钟的权重，当一台原子钟具有很明显的特征，例如频率漂移或是老化现象，而这个特征可以很好地被预测并且合理地加以修正，那么这台钟就被认为是“好钟”从而获得较大的权重。新的权重算法（详细公式略）提高了EAL的长期和短期稳定度，同时，事实上改变了以往氢钟和铯钟权重不平衡现象，提高了氢钟在时间尺度计算中的作用。

②TA（NTSC）的改进发展：NTSC在其地方原子时TA（NTSC）的计算中，利用降噪、滤波以及速率预报等数据处理方法[6]，开展氢铯联合守时等守时方法和技术研究，采用新的ALOGS算法充分发挥氢原子钟的稳定性能，提高了原子时尺度的稳定性，使TA（NTSC）的均匀性达到1×10-15量级，为国际先进水平。同时，不断研究探讨国产原子钟的守时应用，针对国产原子钟特别是国产氢原子钟的特性开展研究，为构建我国独立自主的时间服务体系做技术储备。

2 UTC（NTSC）技术指标

截至2014年12月，全球共有73个守时实验室保持协调世界时UTC（）（数据来源于国际权度局BIPM），这其中有55个守时实验室为TAI的归算贡献原子钟数据，而保持有独立原子时尺度TA（）的守时实验室共有16家，其中包括NTSC保持的地方原子时间尺度TA（NTSC）和我国综合原子时间尺度TA（JATC），国内守时单元中仅有NTSC保持独立地方原子时。

①UTC（NTSC）控制：国际电联ITU为实现全球时间的协调和统一，要求各守时实验室所保持的地方时间UTC（）与国际标准时间——协调世界时UTC的偏差需小于±100 ns。近年来，UTC（NTSC）与UTC之差逐年改进，目前已经小于±10 ns，即UTC－UTC（NTSC）<10 ns，为国际先进水平。2011年以来UTC－UTC（NTSC）的变化情况见图4所示，UTC（NTSC）的保持进入国际先进水平行列[7]。

图4 2011年以来UTC－UTC（NTSC）的相位偏差控制情况

②独立原子时TA（NTSC）的稳定度：图5为国际权度局（BIPM）全球时间比对责任专家Lewandowski博士在国际电联ITU瑞士日内瓦总部报告中介绍的2006年以来全球主要守时实验室UTC（）保持情况[8]。可以看出，NTSC所保持的协调世界时UTC（NTSC）排在全球时间实验室第3位。

图6为全球保持独立原子时TA（）的主要守时单位2014年度的TA（）稳定度，这些单位包括：美国海军天文台USNO、俄罗斯国家时间中心SU、德国国家物理技术研究院PTB、法国巴黎天文台、日本通信与技术研究院以及中国科学院国家授时中心NTSC。其中，地方原子时尺度TA（NTSC）30d的稳定度1.5×10-15，60 d为1×10-15，其长期稳定度性能排在全球守时实验室的4～5位，为国际先进水平。

图6 全球主要守时实验室独立原子时TA（k）稳定度

③全球主要守时单元对TAI归算的权重贡献：2014年度全球主要守时实验室原子钟对TAI归算的权重贡献见图7所示。在对国际原子时TAI计算贡献最大的4个实验室中，美国海军天文台（USNO）有守时钟79台，法国综合原子时（F）32台，日本通信技术研究院（NICT）27台，中国科学院国家授时中心（NTSC）22台。NTSC贡献了7.3%的权重，成为全球最重要的守时实验室之一。

图7 2014年度全球守时实验室对TAI归算的权重贡献

3 中俄卫星导航时间国际合作及兼容互操作

随着全球多个卫星导航系统的发展和应用，GNSS兼容互操作成为重要议题之一。多个卫星导航系统同时工作时，彼此间会产生干扰从而影响导航和授时性能，兼容互操作将使多个导航系统融合共用，是用户通过使用多个卫星导航系统信号，实现比单独使用一个系统信号更好的服务，而不显著增加使用成本。开展GNSS时间兼容互操作可以更好发挥GNSS系统的精密授时功能，实现时间的国际协调和统一。基于我国时间基准UTC（NTSC）系统，开展中俄、中欧、中美GNSS时间合作能为我国北斗系统与其他GNSS系统兼容互用提供重要技术支撑。而在GNSS时间系统国际兼容互操作中，我国北斗和俄罗斯格洛纳斯时间互操作又是北斗系统国际时间合作的重中之重，因为美国GPS和欧洲Galileo系统时间的双边兼容互操作合作已经进行了多年，中俄为了推动和发展各自的全球卫星导航系统就必须携起手来，合作共赢[9]。

授时系统和卫星导航系统都是国家重要的基础设施。2014年9月11日，国家主席***在杜尚别会见俄罗斯总统普京，在谈到两国战略性大项目合作时特别强调“卫星导航系统合作已经启动”，两国领导人的重视充分说明卫星导航战略合作的重要性。2015年1月27日，中俄双方在北京召开了中俄卫星导航战略合作第1次项委会会议，正式签署了合作协议，明确了以中俄时间合作为切入点开展两国卫星导航务实合作。

中国和俄罗斯都是国际原子时系统的重要成员，其中，俄罗斯国家标准时间UTC（SU）是格洛纳斯卫星导航系统时间的溯源参考，UTC（NTSC）是北斗系统的溯源参考。推动中俄之间开展时间国际合作，对于维护时间的战略地位以及实现GNSS系统时间兼容和操作具有重要战略意义。中俄卫星导航战略合作是两国元首共同倡导的大国合作的重要内容。NTSC代表我国北斗，积极开展GNSS时间系统的国际合作，特别是中俄GNSS时间国际合作已经取得重要进展。按照中俄卫星导航国际合作项委会以及中俄兼容互操作组多次会议会谈纪要，务实推进，开展了卓有成效的工作：①完成了UTC（NTSC）和UTC（SU）间常规国际时间比对链路的建立；②制定了数据交换规范，完成了专用数据交换FTP网站的建立；③开展了GLONASST和BDT时差联合计算。图8为UTC（NTSC）与UTC（SU）国际链路比对结果，其中UTC（SU）为俄罗斯国家时间服务中心所保持的俄罗斯国家标准时间，同时也是格洛纳斯系统的时间溯源参考。

UTC（NTSC）与UTC（SU）间国际合作将为我国北斗和俄罗斯格洛纳斯系统兼容互操作提供必要的技术支撑。

图8 NTSC与SU间时间比对链路性能分析

4 结语

守时工作必须与科学技术的发展进步相适应，未来将继续与国际最新发展同步，持续开展守时相关技术研究，如已经部署开展铯喷泉基准钟守时应用研究，持续提升守时系统的性能；开展守时不确定度研究，使守时性能评估指标更加科学、合理；开展精密时间信号拓展应用研究，为国家重要基础设施、重大任务提供精密时间信号服务。同时，要积极参加国际时间合作，例如开展中俄卫星导航系统时间双边合作，开展UTC（NTSC）与UTC（SU）国际合作和GLONASST与BDT时间兼容互操作研究。使我国守时工作不断向前推进，为国家作出更大贡献。

致谢：感谢中国科学院国家授时中心时频基准实验室全体同志多年来的共同努力。

参考文献：

[1] 董绍武, 屈俐俐, 李焕信, 等.NTSC的守时工作进展[J]. 时间频率学报, 2010, 33(1): 140-143.

[2] 中国科学院国家授时中心时频基准实验室. 时间基准系统运行情况[Z]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2015.

[3] 王正明, 屈俐俐. 地方原子时TA（NTSC）计算软件设计[J]. 时间频率学报, 2003, 26(2): 96-102.

[4] DONG Shao-wu, QU Li-li, ZHANG Hong. Techniques used for international time link[C]//Proceedings of 2011 IEEE 10th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2011: 407-413.

[5] YUAN Hai-Bo, QU Li-Li, DONG Shao-Wu, et al. The hydrogen maser and cesium clocks in time keeping at NTSC[J]. IEEE International Frequency Control Symosium, 2009: 639-642.

[6] 袁海波, 李滚, 王正明. 小波包分解算法及Kalman滤波进行原子钟信号消噪的比较[J]. 电子测量与仪器学报, 2005, 19(6): 21-24.

[7] BIPM. Circular T[EB/OL]. (2015-05-26)[2015-12-23]. http:// www.bipm.org.

[8] LEWANDOWSKI W, ARIAS E F. GNSS times and UTC[J]. Metrologia, 2011, 48(4): 219-224.

[9] 董绍武. GNSS时间系统及其互操作[J]. 仪器仪表学报, 2009, 30(10): 356-357.

Outstanding timekeeping activities of NTSC

DONG Shao-wu1,2, QU Li-li1,2, YUAN Hai-bo1,2, WANG Yan-ping1,2, ZHAO Shu-hong1,2, ZHANG Hong1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an, 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

The latest progress in time-keeping work in the national time service center (NTSC) and application of precise time signals are briefly introduced in this paper. Through carrying out related technology research in time generation and maintenance, and through strengthening and developing the basic technical conditions of national standard time UTC(NTSC) system, a great achievement has been realized, the performance of UTC(NTSC) has reached the international advanced level, and the NTSC Time-keeping Laboratory has become one of the most important time-keeping unit in international atomic time (TAI) system.

time-keeping; atomic time scale; time comparison; time traceability

P127.1+2

A

1674-0637(2016)03-0129-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0129-09

2016-01-06

国家自然科学基金资助项目（11473029；11303032）；中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（XAB2015B19）

董绍武，男，研究员，主要从事时间频率技术的应用和研究。