我国授时服务体系发展现状分析

华宇，郭伟，燕保荣，徐永亮



我国授时服务体系发展现状分析

华宇1,2，郭伟1,2，燕保荣1,2，徐永亮1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心, 西安 710600；2. 中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600）

随着授时系统的建设和发展，我国逐步形成了相对完善的授时服务体系。从授时服务体系的架构出发，简要总结了授时服务的民用和军用需求，并介绍了我国现有授时服务体系中的授时发播系统，包括工作原理及其技术特点，列举了国内外相关授时标准和规范，以及正在发展中的授时新技术。同时，对我国授时服务体系的发展现状进行了分析总结，并提出了建设性意见。

授时服务；时间同步；卫星授时；授时技术

0 引言

为满足国防建设和国民经济发展的需求，从20世纪60年代开始，我国逐步建成了较为完整的、多层次、多手段的授时发播系统，能够实现24h全天候的授时服务，服务范围基本覆盖了我国的大部分区域。随着国民经济的快速发展，特别是互联网+的应用，授时服务的范围越来越广泛，授时服务的需求逐步呈现出高精度、高可靠、高安全的特点，也逐步出现了一些新的授时技术和方法。在这样的形势下，有必要对我国现有的授时服务体系现状进行评估和思考，对授时新技术进行跟踪，对授时服务的发展趋势进行分析。本文从授时需求、技术方法、运转系统和标准规范的纵向视角对我国授时服务体系进行分析和建议，希望能对我国授时服务体系的发展起到促进作用。

1 授时需求简介

授时服务根据用户应用领域的不同，可以分为民用和军用用户。民用授时的需求主要来自电信网络、电力系统、交通运输、金融、电子政（商）务以及科学研究等方面[1]，对时间精度的需求范围从秒量级到纳秒量级，甚至到皮秒量级；军用授时的需求则主要体现在信息化作战装备、主战武器平台、大型信息系统等的时间同步方面，时间精度从秒级到纳秒级不等。

1.1 民用授时需求

表1列出了主要的民用授时需求。除表中所列场合外，采矿行业对矿震波的检测则要求时间同步精度在纳秒量级；在广播电视行业，内容制作及发播控制一般需要毫秒级的时间精度，地面多媒体广播需要100 ns级时间同步；在公安系统的公共治安管理中，一般要求时间同步精度在毫秒量级；在气象行业，各级台站的观测资料要实时上传，要求各级气象站之间的时间同步精度保持在1 s以内；在信息行业，计算机时钟用于记录时间的时间信息，要求时间精度主要在秒级；激光测距中，要使分辨率达到10 cm，则传输时间测量的分辨率要优于300 ps。

表1 按行业划分的民用授时需求

1.2 军用授时需求

在军用领域，随着信息的现代化发展，时间信息几乎是所有行动的基础，例如联合作战、演习等都需要统一的时间标准[2]。时间应用主要体现在信息化作战装备、主战武器平台、大型信息系统等方面，时间精度的需求从秒级到纳秒级不等。如靶场测控，需要优于100 ns的授时精度；信息化装备一般需要10～20ns的授时精度；军事指挥系统、以及大型信息系统的授时精度需求一般优于100ns。

军用系统除对授时精度具有一定的需求外，针对军事战场的复杂环境，现代战争对授时服务的抗干扰性、抗摧毁性也提出了更高的要求。

2 现有授时发播系统

我国建成的星基授时系统主要是北斗导航卫星系统，陆基无线电授时系统主要包括基于罗兰C体制的BPL长波授时和长河二号系统、BPM短波授时系统及BPC低频时码授时系统等。在有线授时系统方面，主要有中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）运行并维护的NTP互联网授时系统和PSTN公网电话授时系统等。各授时系统都有特定的授时性能和相应的信号质量监测评估系统，这些授时系统构成了我国现有的授时服务体系的重要组成部分。

2.1 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行，并且能与世界其他卫星导航系统兼容、互操作的全球卫星导航系统[3]。和美国GPS系统一样，该系统除定位导航外，也具备独立授时的功能。

北斗卫星导航系统的时间基准为北斗时（BDT），BDT采用国际单位制（SI）秒为基本单位，连续累计，不参与闰秒，该系统的时间基准从2006-01-01协调世界时（UTC）00: 00: 00开始采用周数和周内秒两种计数方法累计，BDT通过国家授时中心保持的UTC（NTSC）与协调世界时UTC建立联系，BDT与UTC的时间偏差保持在100ns以内（模1s），两者之间的跳秒信息在导航电文中播报，该系统提供的RNSS单向授时精度能够达到50ns，双向授时的精度为10ns[4]。

卫星导航系统的授时具有信号覆盖范围大，传送精度高的特点。同时卫星导航系统授时接收机廉价、快捷、方便，卫星导航系统授时是目前广泛采用的高精度授时方法。但是，卫星导航系统由于信号微弱，其授时功能的可用性和抗干扰性较弱。卫星导航系统在受遮挡区域无法接收到授时信号时，或在某些电磁环境比较复杂的场合可能造成授时功能失效或精度降低。

2.2 陆基无线电授时系统

根据无线电信号的波长，陆基无线电授时系统主要分为短波授时和长波授时系统。

1）短波授时系统

短波授时是利用短波（波长为10～100m）进行标准时间的发播与传递的方法，它利用无线电台发播标准的时间信号（简称时号），用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地时间与标准时间的比对，完成授时功能。我国的BPM短波授时系统位于陕西省渭南市蒲城县，由国家授时中心建成并维护。该授时系统通过短波电台（呼号BPM）对外发送UTC（NTSC）和世界时时号，以2.5，5，10和15MHz的标准频率交替发射[5]。

短波授时信号是凭借电离层的反射来传播的，电离层又受太阳黑子高低年变换、季节变换和昼夜变化等因素的影响，其反射性呈现不规则的变化，从而导致时号传输的稳定性遭受很大的影响，授时精度只有±1ms左右，在一些授时精度要求较高的场合无法使用。同时，BPM短波信号主要采用AM调制方式，系统抗干扰能力较弱。虽然短波授时存在以上不足，但是短波授时可以借助电离层反射传播，范围几乎可以覆盖全球，该系统以其方便、普遍、廉价等优点深受广大时间频率用户的欢迎。

2）长波授时系统

长波授时是利用长波（波长为1～10km）进行标准时间的发播与传递的方法，比短波授时准确度更高。长波授时利用天波与地波相结合的方式传播时间信号。我国的长波授时台于1986年建成[6]，由国家授时中心维护，其长波电台呼号为BPL，发射频率为l00kHz，信号可覆盖我国大部分内陆及近海海域。

国家授时中心于2008年完成了对BPL长波授时系统现代化技术升级改造。采用Eurofix技术增加了BPL系统的时码信息等数据发播功能，并从2009-01-10起每天24h连续发播，使用户实现地波定时不确定度优于800ns（经过附加二次相位因子修正后），天波定时不确定度优于10μs[7]。

我国除了拥有BPL长波授时系统外，还建成了“长河二号”授时系统和BPC低频时码授时系统。“长河二号”授时系统由海军运行并维护，其信号体制与BPL系统完全一致。BPC低频时码授时系统由国家授时中心在河南省商丘市建成并正式发播，工作频率为68.5 kHz，每天发播21 h，其授时精度优于1 ms。

与短波授时相比，长波授时系统的信号传播相对稳定，覆盖范围更广，抗干扰性能更好，授时精度也明显提高。但是，用户利用长波授时系统完成授时所需时间与授时台链数据重复周期有关，重复周期越长，授时所需时间也越长，不利于精确测量和实时授时。同时，用户还需要拥有专用的长波定时接收机，接收系统复杂。

2.3 有线授时系统

1）电话授时系统

电话授时是基于公共电话交换网络（PSTN）传递标准时间信息的一种有线授时手段。它采用用户询问方式向用户提供标准时间信号，其基本流程为：用户通过调制解调器拨打授时系统的电话，授时系统主机在收到用户机的请求后通过调制解调器将标准时间信息（时码）发送给用户，完成授时服务。该授时手段采用了点对点的有线传输，其授时精度目前可达毫秒量级。国家授时中心于1998年8月建成了我国的电话授时系统，在不同的电话汇接局之间完成准确度优于5ms授时服务，在同一端局内部完成准确度优于3.5ms的授时服务[8-10]。

电话授时系统的授时精度只能达到毫秒级，但是可以利用覆盖全国的公用通信网络资源，投资少，见效快，实现便捷。同时电话授时采用了实时的双向电路交换方式通信，并且其传输信息只限一对专用用户接收，提高了安全保密性。

2）网络授时系统

网络授时是利用以互联网为媒介传送标准时间信息，为互联网中所有终端设备时钟提供参考信号的授时方法。网络授时技术在互联网上已经得到广泛的应用，是目前应用最普遍、用户最广泛的一种授时服务方式。使用互联网同步计算机的时间十分方便，网络时间协议（network time protocol，NTP）已经嵌入到Windows和Linux操作系统中，只要计算机能联网，就能对网内的计算机时间进行校准[11]。

常见的网络授时协议有四种：NTP协议、SNTP协议、Time协议和Daytime协议。Time协议（RFC868）[12]和Daytime协议（RFC867）[13]是两个相对简单的、低精度的网络时间协议，可以提供1s校准精度的广域网时间同步，现在很少使用。

目前互联网上公认的时间同步标准是NTP协议，以及其简化版本SNTP协议（simple network time protocol）。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性，其提供的机制严格、实用、有效，适应于在各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。NTP产生的网络开销甚少，并具有保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步。由于网络负载的不同，NTP同步精度一般在1~50ms范围[14]。

基于NTP协议的网络授时系统组网方便，用户只需通过互联网就能获得一定精度的标准时间，经济实用，但其授时精度较低，并且随着网络结构和网络负荷的变化而变化，可以满足中低精度的用户需求。在2000年，国家授时中心依托中国科技网在国内率先开展了基于NTP协议的网络授时服务，其用户访问量极大，一年累计达到近220亿次，平均每天6000万次。单节点的网络授时服务系统已经无法在服务精度和服务质量上满足互联网用户的授时需求，目前国家授时中心已经在长春、天津等地利用中国电信和中国联通网络搭建了新的NTP服务站点，初步形成了跨区域、跨网络（不同的运营商）的分布式NTP授时服务系统，可以更好地满足广大互联网用户的时间同步需求。

3 授时标准规范

授时服务的发展和普及离不开相关标准的支撑，目前国际上在授时服务方面的相关标准基本是由ITU制订的关于专业基础标准、陆基授时标准、网络授时标准的各类授时标准为主。国内授时相关标准较少，民用领域主要是广播电视系统中的个别技术标准。军用标准方面，目前我国军用时频技术标准的制定主要集中在时频终端设备和检测计量等方面，基本没有授时技术标准。

① 专业基础标准

专业基础标准主要规定标准频率时间信号发射的主要参数、发播频率和发播参考等内容。目前，ITU发布了ITU-R TF.460-6《标准频率和时间信号发射》、ITU-R TF.768-7《标准频率和时间信号》、ITU-R TF.486-2《UTC频率在标准频率和时间信号发射中的参考使用》等一系列标准[15]。ITU在世界无线电行政大会（1979年，日内瓦）上已将20 kHz±0.05 kHz、2.5 MHz±5 kHz、5 MHz± 5 kHz、10MHz±5kHz、15 MHz±10kHz、20 MHz±10 kHz以及25 MHz±10kHz等固定频段分配给了标准频率和时间信号的发射业务，这些标准在此基础上增加了标准频率和时间卫星业务的固定频段，主要包括：400.1MHz±25 kHz，4 202 MHz±2 MHz（空对地）， 6 427 MHz±2 MHz（地对空），13.4～14 GHz（地对空），20.2～21.2 GHz （空对地），25.25～27 GHz（地对空），30～31.3 GHz （空对地）。同时，这些标准也参考了《无线电规则》第26条的规定，允许在其他频段（例如，14～19.95 kHz以及20.05～70 kHz频段）附加发射标准频率和时间信号，即用户也可以通过其他业务的信号获取时间和频率。

② 陆基无线授时标准

陆基无线授时标准主要用于规范长波、短波、低频时码等通用技术要求，目前主要由ITU针对陆基无线授时标准正在进行几方面的研究，主要包括导航用增强罗兰（eLORAN）的时间频率信息以及信号服务之间干扰及兼容性的标准。其中导航用增强罗兰（eLORAN）的时间频率信息研究旨在规范eLORAN时间与频率使用的地理覆盖、eLORAN是否可为其他GNSS业务的用户提供类似的备份、eLORAN的时间与频率性能以及eLORAN的时频信息是否该溯源到国家计量标准和协调世界时（UTC）。

国内相关标准较少，主要是广播电视行业的几项标准，如广播报时信号嵌入时间码规范、利用电视信号传送标准时间频率等。其中，电视信号传送标准时间频率标准是在模拟电视信号体制下制定的技术标准，随着模拟电视信号的停播已不再适用。

③ 网络授时标准

网络授时标准主要包括无线网络、有线网络授时的总体框架、网络需求等技术要求。ITU最近几年主要由ITU-T SG15 Q13负责编制了基于分组网络的频率/时间同步网络的国际标准，其工作重心在于制定基于分组网络的频率/时间同步网络国际标准[16-20]。目前已形成了频率同步的G.826x系列和时间同步的G.827x系列标准，其所支持的分组网络类型有：IEEE以太网（IEEE 802.1D、IEEE 802.1ad、IEEE 802.1Q、IEEE 802.1Qay）、MPLS（IETF PFC 3031、ITU-T G.8110）、IP（IETF PFC 791、IETF PFC 2460），涉及的网络物理层主要是IEEE 802.3-2005的以太网。

目前，ITU制定了IEEE 1588（precision time protocol，精确时间协议），是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，目的是使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。目前，该协议已经发展到IEEE1588 V2版本。

而应用最普遍网络授时协议是IETF发表的NTP系列标准。包括RFC 1059（NTP V1）、RFC 1119（NTP V3）、RFC 1305（NTP V3）、RFC 5905（NTP V4）、RFC 1769（SNTP）和RFC 2730（SNTP V4）等。其他的网络授时相关标准还包括RFC868（Time协议）和RFC867（Daytime协议）等[21]。

表2列出了国外授时服务的一些相关标准，表3则给出了我国主要授时服务的相关标准。

表2 国外授时主要标准目录

表3 国内授时主要标准目录

4 授时新技术

随着现代军事和科学技术的飞速发展，人们在时间同步方面的需求范围越来越广，需求精度也越来越高，逐渐形成了一系列新的授时方法，其中，具有代表性的方法如下：

① 转发式授时技术

转发式授时技术脱胎于中国科学院研发的中国区域定位系统（China area positioning system，CAPS），该系统是一个试验系统。系统利用地面高稳定度原子钟作为时钟基准生成标准时间信号，采用扩频码的信号体制，通过卫星转发完成定位授时功能。CAPS的时间系统称为CAPST，溯源到国家授时中心的UTC（NTSC），因此转发式授时方式也可以作为一种标准时间发播方式。转发式授时既可以使用多星联合计算授时，也可以使用单星路径时延改正授时方式。转发式卫星授时的精度主要取决于扩频码测量精度，由于转发式授时采用C波段通信卫星，相比采用L波段的GNSS系统可以获得更好的电离层改正精度。转发式的授时精度可达3～5ns[22]。

② 数字卫星电视授时技术

卫星电视授时技术是利用卫星电视信号进行标准时间的发播与传递的授时技术，我国在早期也曾制定过相关的模拟电视授时技术标准，并成功应用于多个领域。随着我国卫星电视由模拟向数字体制（DVB-S）的转变，需要研究新体制下的数字卫星电视授时技术。中国科学院国家授时中心提出一种利用DVB-S体制中PCR计数器的授时方法。该方法在上行站端利用标准时间对PCR进行时间标记，在用户端记录该PCR的本地时间，同时接收电文中的卫星星历来计算整个链路传输时延，用于修正本地时间。试验证明，利用该方法可以获得优于100ns的单向授时精度，如果再利用广域差分技术可以获得优于20 ns的授时精度[23]。该方法具有投资少、系统建设周期短的优点。

③ 光纤授时技术

利用光纤进行高精度时间频率传递是新发展起来的一种高精度时间频率传递手段，它具有结构简单、成本低廉、抗干扰能力强、抗毁性高和传输损耗低等优势。光纤授时技术是在光纤时间频率传递技术基础上发展起来的一种高精度授时技术，主要利用光调制技术对秒脉冲（PPS）信号进行调制，采用测量双程传播时间差的方式计算传输时延。由于信号调制到光频段上，具有测量精度高的优点。光纤授时技术的难点在于处理中继放大器的传输时延。国家授时中心已经建成了112km的光纤时间传递应用系统，时间传递不确定度可以达到100ps，日波动在30ps范围内[24]。

④ 量子时间授时技术

量子授时技术是建立在量子通信技术基础上，国家授时中心建立了国内首个量子时间同步实验平台，研究了频率纠缠光源量子特性的可操控性，实现了频率一致纠缠光源和HOM二阶量子干涉，在实验室内证明了量子授时技术的可实现性。据实验室条件下的实测结果分析，量子授时技术可以达到亚皮秒级的授时精度，是目前可知授时精度最高的授时手段[25-26]。

5 应用现状分析

我国授时服务体系经历了从无到有、从初级到较高级、从局域到全局的发展过程。目前，我国国家授时服务体系的建设和发展已经具备一定的基础，可以满足国防、经济等行业对时间频率的基本需求，但在授时能力及授时应用方面还存在一定差距。

对毫秒级用户，网络授时、电话授时及BPC、BPM授时系统皆能满足其要求，但在应用过程中还有一些问题需要改进：

① 网络授时用户主要集中在民用应用，以计算机时间同步需求量最大。一方面由于网络授时服务器布点太少，国家授时中心现有网络授时服务器经常由于用户负荷太重而死机；另一方面网络授时普遍采用SNTP协议，缺乏安全机制保证，服务质量尚不能满足用户安全需求；

② 电话授时的军、民用户都存在但量很少，但由于其保密性及普适性仍有存在必要。主要问题集中在授时服务器偏少，用户机成本偏高，缺乏相应应用规范；

③ BPM授时的军、民用户都有，但存在用户接收机成本偏高，信号体制抗干扰能力偏弱等问题；

④ BPC用户主要集中在民用钟表的应用，存在一定的用户数量，但是其主要问题在于发播站点偏少，系统覆盖能力不足。

微秒级用户主要集中在电力、通信等工业部门，以及部分军用系统。对这部分用户，BPL及长河二号系统能满足其基本要求，但同样存在应用偏少的情况。其主要问题集中体现在用户接收机的成本偏高，授时系统存在覆盖有限的弱点。

数十纳秒级的授时通常采用北斗系统或GPS系统。实际上，在应用中，北斗或GPS授时由于其低成本和方便性占据了大部分军、民授时市场，同时其固有的弱点也越来越引起人们的重视。

纳秒级及亚纳秒级的高精度授时用户在军、民领域都存在，目前数量虽少但呈快速上升趋势。这部分用户目前主要通过利用GPS或北斗的卫星共视、载波相位接收机解决，也出现一些光纤授时的解决方案，主要问题在于需要专门的比对链路，成本过高。

在标准规范层面，由前述可知，国际上授时应用标准主要集中在计算机网络及电信网络领域，我国对应的标准化工作还相对落后。一方面表现在缺乏自主知识产权的授时及应用标准，另一方面标准极少涵盖BPL/BPM/BPC及电话授时。

6 发展建议

虽然目前我国授时服务体系中，手段多样，基本能够满足多种需求，但同时存在体系发展的配套保障能力不足，应用推广和产业化能力低，标准规范不健全的缺点。从需求的发展趋势来看，我国需要一个独立自主、技术先进、安全可靠的国家授时服务体系，全面满足我国军民用户的授时服务需求。从这个角度出发，需要对现有授时体系进行全面规划，协调发展，对授时能力进行补充增强，对部分授时系统进行改进增补，对授时新技术进行重点推广。具体建议如下：

① 未来我国的授时发播系统应该是以“星基为主，多系统兼容”的格局，在北斗卫星导航系统之外，还需要建设一套独立工作的卫星授时系统，与北斗系统相互补充增强。

② 增强完善陆基无线电授时系统，必要时增补长波授时台，形成全国覆盖能力，改进短波授时信号体制，增强其抗干扰的能力，大力发展长短波的授时芯片研发，积极扩大长、短波授时应用范围和提升长、短波授时功能。

③ 依据通信网及互联网的快速发展，重点推进光纤授时应用，快速布置我国安全网络及电话授时服务网络体系，着力推进网络授时应用发展。

④ 积极推进授时服务标准体系工作，对部分核心标准重点进行研发，保证国家利益。

7 总结

独立自主的完备授时体系是国家的战略资源，安全可靠的授时发播系统是国家基础设施，多层次的授时服务是国家快速发展的有力保障。本文从几方面对我国授时服务现状进行分析，对授时服务前景进行展望，对授时服务体系提出建议，希望能对我国授时服务能力快速提升起到促进作用。

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Developing status of national time service architecture

HUA Yu1,2, GUO Wei1,2, YAN Bao-rong1,2, XU Yong-liang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

Following the development of the time-service systems, a relatively perfect time service architecture has been formed in China. In this paper, beginning with the time-service architecture, the civil and military requirements for time service are introduced briefly, and the time-service broadcast system are described, including the principle and characteristics. Moreover, some time-servicecriterions and some newly developed time-service technology are introduced. Additionally, some suggestions are presented base on the analyses of the development of the architecture.

time service; time synchronization; satellite time-service; time-service technology

P127.1

A

1674-0637(2016)03-0193-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0193-09

2016-06-20

中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（2012LH01）

华宇，男，研究员，主要从事授时新方法与技术、时间同步技术研究。