共视精密时间服务系统的应用

高玉平，王平利，冯瑞权，聂桂根，蔡勇，陈悦，车爱侠，李变



共视精密时间服务系统的应用

高玉平1,2，王平利1,2，冯瑞权3，聂桂根4，蔡勇5，陈悦6，车爱侠1，李变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；3. 澳门地球物理暨气象局，澳门 999078；4. 武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉430079；5. 中国科学院 上海天文台，上海 200030；6.国防科技工业6113二级计量站，西安 710100）

为提高时间服务质量，中国科学院国家授时中心利用卫星共视远程时间传递技术，并结合现代网络通信技术，搭建了共视精密时间服务系统，为共视法用户提供纳秒级精度的时间服务。自2010年开始试运行以来，共视精密时间服务系统已被国内多家单位使用，满足了如氢钟远程校频和性能检测等应用的需求，也为纳秒级精度的时间校准提供了一种解决方案。

精密时间服务；共视比对；频率校准

0 引言

时间是描述物质运动的最基本物理量，为一切动力学系统和时序过程的测量和研究提供必不可少的参考坐标[1]。国际上有统一的国际标准时间——协调世界时（UTC），一个国家必须有独立自主的统一标准时间，以满足国民经济和国防建设的需求，保证社会的有序运转。标准时间的产生和保持（守时）、传递（授时）和应用是国家的基础性设施，是统一时间应用的基础。

中国科学院国家授时中心（NTSC）承担着我国标准时间UTC（NTSC）的产生、保持和发播的任务，并代表我国参加国际标准时间UTC的合作。自2013年9月起，NTSC保持的UTC（NTSC）相对于UTC的偏差小于10 ns，准确度（RMS）优于3.5 ns，地方原子时TA（NTSC）的频率不确定度优于1×10-15，60d的频率稳定度优于1×10-15 [2-4]。在标准时间发播方面，NTSC通过长波、短波、低频时码、网络和电话等多种方式为用户提供不同精度（微秒或毫秒量级）的时间服务，满足了大多数用户对精密时间的基本需求。近年来氢钟以其极佳的短稳性能被广泛使用，但是，对于如氢钟远程频率校准及检测等高精度时间同步应用，需要纳秒量级的授时精度，常规的授时技术尚不能达到此精度要求，对氢钟的校准及检测问题一直没有得到很好的解决。采用传统的实验室内氢钟之间相互比对的方法，需要将氢钟搬运到时间实验室，但是氢钟体积大，不便于移动，且受工作环境变化影响较大，实际操作难度大；采用异地校准方法，现有的授时技术不能满足氢钟校准及检测的要求。同样，对于一些高精度的国际联测，也需要测站间原子钟具有纳秒量级的时间同步精度，这是目前常规的授时技术尚不能满足的[1]。

2010年NTSC利用卫星共视远程时间比对技术，结合现代计算机通信网络技术，利用其保持的我国标准时间和GNSS观测数据，建立了共视精密时间服务系统[1]，为共视法用户提供纳秒级时间传递服务，满足各类原子钟远程校准、性能检测以及高精度时间同步的需求。

1 卫星共视法介绍

卫星共视法是一种高精度远程时间频率传递技术，具有比对精度高、覆盖范围广、使用成本低、自动连续运行等特点，被广泛应用于不同实验室之间的高精度时间比对，例如建立国际原子时（TAI）的国际时间比对链路。共视法以卫星播发的时间信号作为公共参考源，相距遥远的两个时间实验室在同一时刻观测相同卫星，测量实验室本地钟与卫星钟之间的时间差，通过比较两实验室的观测结果，来确定两实验室本地钟间的相对偏差[5-6]，其原理如图1所示。与单站授时相比，共视法可以消除卫星钟误差对比对结果的影响，同时还可以削弱卫星轨道误差和大气延迟误差的影响，从而有效地提高了远程时间传递的精度，是目前主要采用的远程时间传递技术[5-6]。

任何两个共视用户之间，只要按共视法标准进行观测和事后的数据处理，就能够获得2~5ns精度的时间比对结果[7]。如果共视比对的一方是保持国家标准时间的实验室，那么另一方就实现了与国家标准时间的精确同步。共视法的实施包括同时观测、数据传输和比对处理3个过程。共视法作为国家授时中心参加TAI国际时间比对的主要技术之一，全天24 h连续不间断测量UTC（NTSC）与卫星钟的时间差，因此只要将共视法用户观测的结果与NTSC观测的结果一起进行比对计算，就可以得到精度为2~5 ns的用户钟与UTC（NTSC）之间的相对钟差。基于上述思路，提出并开展了基于卫星共视法进行精密时间服务的方法研究。该方法以卫星共视比对技术为基础，利用现代互联网技术进行数据的传输和在线比对处理，测量用户钟与UTC（NTSC）之间的相对钟差，实现用户钟与UTC（NTSC）的高精度时间同步。

图1 卫星共视原理图

2 共视精密时间服务系统的结构与运行方式

共视精密时间服务系统是一个基于网络的时间服务系统，图2是其原理示意图。该系统主要由精密时间服务器、国家授时中心共视观测设备和用户端三部分组成[1]，其中精密时间服务器包含实时监控与数据管理软件、共视比对处理软件和数据库等，其功能是接收用户提交的观测数据，并将其与NTSC的观测数据进行共视比对计算，得到用户钟的钟差和频率稳定度指标。NTSC共视观测设备的功能是测量UTC（NTSC）与GNSS卫星钟的时间差；用户端由用户共视观测设备和本地时钟组成，其功能是测量用户本地钟与GNSS卫星钟的时间差[1]。

图2 精密时间服务系统原理示意图

共视精密时间服务系统以网站的形式为用户提供访问接口，网站域名为：http://www.gnsscv.com。共视精密时间服务系统有被动式和主动式两种运行模式，两种运行模式可以同时进行。被动式（也称应答式）模式是共视精密时间服务系统主要采用的运行模式，用户需要登录共视精密时间服务系统网页，并向系统提交观测数据和服务请求，系统在收到用户提交的观测数据和服务请求后，立即启动相应的在线处理程序，调取主站（NTSC）的观测数据，进行数据比对处理和用户钟频率稳定度计算，并将结果返回给用户。被动式模式单次运行流程如图3所示[1]。任何用户都可以通过被动式模式使用共视精密时间服务系统。主动式（也称连续式）模式是一种实时时间比对服务，主要是为满足对时间比对实时性要求高的用户的需求。主动式模式将用户的观测数据实时传送至共视精密时间服务系统服务器，系统一旦接收到观测数据，就进行时间比对处理，并将共视比对结果实时返回给用户。主动式运行模式只进行时间比对处理，而不进行频率稳定度计算。主动式运行模式需要占用较多系统资源，用户需要特别申请才能使用。

图3 共视精密时间服务系统应答式运行流程图

3 共视精密时间服务系统的应用

共视精密时间服务系统是一个开放的、免费的时间服务系统，任何需要与我国标准时间UTC（NTSC）进行高精度时间同步的共视用户，都可以通过互联网登陆该系统网站随时使用。用户只需根据网页提示，按要求提交服务请求和符合共视法规范的观测数据，系统便会自动进行相关数据处理，给出用户钟与国家标准时间的相对时差、稳定度等分析结果，并将结果通过互联网返回给用户。

共视精密时间服务系统自2010年试运行以来，国内已有多家用户使用，包括澳门地球物理暨气象局，上海精密计量测试研究所，武汉大学，上海天文台，云南天文台，国防科技工业6113二级计量站等单位。不仅满足了用户对纳秒级时间服务的需求，而且解决了各类原子钟远程性能评估、校准、高精度国际联测等不同领域面临的多个问题。

上海天文台是我国最早批量研制氢原子钟的单位，近几年在多方的支持下氢钟指标显著提高[8]。图4是上海天文台采用氢钟之间相互比对方法（互比法）得到的氢钟短期稳定性指标[8]。与铯钟相比，氢钟的短期稳定性好，长期稳定性差，氢钟互比法一般适用于在实验室对氢钟短期稳定性指标的测试，而不适合氢钟1d以上中、长期稳定性指标的测定。在氢钟研制过程中迫切需要一个准确度优于1×10-13，天稳定度优于1×10-15的频率基准作为检测氢钟中、长期稳定性指标的参考[8]。共视精密时间服务系统为检验氢原子钟的中、长期性能提供了有效手段，自2012年1月起，上海天文台一直利用共视精密时间服务系统进行氢钟与UTC（NTSC）的时间比对，据此对研制的氢原子钟进行中、长期性能测试。图5为利用共视精密时间服务系统得到的上海天文台氢钟与UTC（NTSC）比对结果。图5中横坐标为约化儒略日数，纵坐标为上海天文台氢钟与UTC（NTSC）的相对偏差，单位为ns，图5中原始比对值是共视法比对结果，平滑值是对原始比对值进行平滑处理后用户钟相对于UTC（NTSC）的偏差值。为表达清楚，文中，在图中对平滑值序列进行了平移处理（图示平滑值＝实际平滑值-50 ns）。图6为利用比对结果计算的频率稳定度曲线。由图6可见，由于利用共视精密时间服务系统得到的远地时钟比对精度不如实验室内部时钟互比法精度高，由此得到的氢钟短期稳定性指标也不如互比法测试结果好，但是中、长期稳定性指标比互比法测试结果好。

图4 用互比法测试得到的上海天文台氢钟频率稳定度曲线

图5 上海天文台氢钟与UTC（NTSC）的比对结果（σ＝1.5 ns）

图6 用共视精密时间服务系统测得的上海天文台氢钟频率稳定度曲线

武汉大学作为国家陆态网核心观测站和国际合作观测站，承担着多项国内和国际联测任务。该观测站在许多观测中，采用5071A铯原子钟作为参考基准，为保证观测结果的准确性，需要对铯钟时间偏差进行测定并进行相应修正。自2011年12月起，武汉大学多次利用共视精密时间服务系统进行5071A铯原子钟与UTC（NTSC）的时间比对，通过测定5071A铯原子钟的时间偏差，提高了观测结果的准确性。图7为利用共视精密时间服务系统得到的武汉大学5071A铯原子钟与UTC（NTSC）的比对结果。

图7 武汉大学铯钟与UTC（NTSC）的比对结果（σ＝1.8 ns）

国防科技工业6113二级计量站承担着航天飞行器的测试任务，在测试工作中，利用氢原子钟的时间频率信号作为测试基准。根据测试规程要求，需要对氢钟的性能进行定期检测，对一些测试周期时间长、且需要连续测试的项目，为确保测试结果的准确性和可靠性，还需要监测氢钟在整个测试期间的性能状态。共视精密时间服务系统不仅为检验氢原子钟的性能指标提供了一种有效手段，而且可实现对原子钟频率偏差的在线检测，并提供在测试期间氢钟相对于UTC（NTSC）的偏差及其变化数据。国防科技工业6113二级计量站自2012年11月起，多次利用共视精密时间服务系统进行计量站氢钟与UTC（NTSC）的时间比对，并据此检验氢原子钟的性能指标。图8为利用共视精密时间服务系统得到的计量站氢钟与UTC（NTSC）的比对结果。

图8 计量站氢钟与UTC（NTSC）的比对结果（σ＝0.4 ns）

澳门地球物理暨气象局承担着澳门地区时间服务的任务，采用5071A铯原子钟作为时间服务基准。为保证时间服务的准确性和可靠性，需要对铯钟进行驾驭，使之与UTC高精度同步，并对铯钟的性能指标进行定期检测。利用共视精密时间服务系统可以进行铯钟与UTC（NTSC）的时间比对，为澳门地球物理暨气象局保持时间服务基准的准确性及铯钟性能的检测提供一种有效的解决方案。

云南天文台、新疆天文台、上海天文台和国家授时中心目前都在开展脉冲星计时观测，脉冲星计时观测是通过观测脉冲星信号的到达时间分析脉冲星的自转周期。在脉冲星计时观测工作中，利用测站钟（一般为氢钟）作为基准来测量脉冲星信号到达时间，为避免测站钟波动对脉冲星观测结果的影响，需要测定测站钟相对于UTC的偏差，并对观测结果进行修正。UTC（NTSC）相对于UTC的偏差小于10 ns，利用共视精密时间服务系统进行测站参考时钟与UTC（NTSC）的时间比对，可以实现将测站钟与UTC同步误差限制在20 ns以内，满足脉冲星计时分析归算的要求，为开展不同测站观测结果的综合利用，尤其是与国外观测结果的比较提供了条件。图9为利用共视精密时间服务系统得到的云南天文台氢钟与UTC（NTSC）的比对结果。

图9 云南台氢钟与UTC（NTSC）的比对结果（σ＝1.6 ns）

NTSC的授时发播台位于距NTSC 90 km的蒲城，授时发播台采用长波授时系统和短波授时系统发播我国标准时间信号（简称时号），时号的产生和发播以发播台的原子钟（简称发播钟）为参考。为保证时号的准确性，发播钟的时间频率通过卫星共视时间比对、微波双向时间比对和光纤时间传递等多种手段与UTC（NTSC）保持同步，同时采用共视精密时间服务系统的连续式运行模式对发播钟时间误差进行实时监测。图10为2015年全年利用连续式运行模式对发播钟进行实时监控的结果，相对于UTC（NTSC），发播钟钟差小于15 ns，日平均频偏小于2×10-13。

图10 利用连续式运行模式对国家授时中心发播钟钟差进行实时监测的结果

4 结语

NTSC针对高精度时间同步的应用需求，利用卫星共视比对技术，结合现代网络通信技术建立了共视精密时间服务系统，该系统通过互联网为共视法用户提供纳秒级高精度时间同步在线服务，是现有授时系统的一种补充。自2010年以来，共视精密时间服务系统已被国内多个用户使用，结果表明：该系统可以满足不同类型原子钟远程性能评估、检测和高精度时间频率校准的需求。

参考文献：

[1] 王平利, 程华军, 林思佳, 等. 基于GNSS CV的精密时间服务系统的设计与实现[J]. 时间频率学报, 2012, 35(3): 137-142.

[2] 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.

[3] 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.

[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] 高玉平, 王正明, 漆溢. GPS共视比对技术在综合原子时中的应用[J]. 时间频率学报, 2004, 27(2): 81-86.

[6] 高玉平. IGS产品在GPS时间比对中的应用[J]. 天文学报, 2004, 45(4): 428-436.

[7] BIPM. Circular T, 200510, 214[EB/OL]. (2015-05-26)[2015-11-06]. http://www.bipm.org.

[8] 蔡勇, 杨浩, 刘俊, 等. 高可靠守时氢钟进展[C]//2015全国时间频率学术会议论文集, 北京: 2015全国时间频率学术年会组委会, 2015: 67.

Application of GNSS CV precise time service system

GAO Yu-ping1,2, WANG Ping-li1,2, FENG Rui-quan3, NIE Gui-gen4, CAI Yong5, CHEN Yue6, CHE Ai-xia1, LI Bian1,2

(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;3. Macao Meteorological and Geophysical Bureau, Macao 999078, China;4. GNSS Research Center of Wuhan University, Wuhan 430079, China;5. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;6. National Defense Science and Technology Industry 6113 Secondary Metrology Station, Xi’an 710100, China)

In order to improve the quality of time service, the NTSC(the national time service center, the Chinese academy of sciences) has combined GNSS CV remote time transfer technology with modern network communication technology, and established a GNSS CV precision time service system to provide nanosecond level precision time services for users who is using common-view method. Since 2010 when the trial operation began, the precision time service system has been used by a number of domestic units, meeting such needs as remote frequency calibration and performance detection of hydrogen atomic clock, and providing a valuable solution for the nanosecond level precision time calibration.

precision time service; common view; frequency calibration

TN965.6

A

1674-0637（2016）03-0170-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0170-08

2016-01-12

国家自然科学基金资助项目（10573019；11373028）

高玉平，男，研究员，主要从事守时理论与方法研究。