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北斗时间频率传递装置
电子信息
2018-01-10 09:34
作者  梁坤

时间是准确度最高、应用最广的物理量,时间单位“秒”是国际单位制7个基本单位中最准确和最基础的。

全球导航卫星系统(GNSS)目前包括美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo)及中国的北斗卫星导航系统(BDS),GPS和GLONASS是已经建成的系统,Galileo和BDS目前处于完成全球布局阶段。由于GNSS信号覆盖范围广,设备运行成本不高、测量精密度高、使用方便等特点,以GPS为代表的GNSS时间频率传递成为了远程时间频率传递和溯源的主要手段,同时GNSS 时间频率传递链路也是国际原子时(TAI)合作中最主要的时间传递链路,链路中包含基于不同GNSS测量信号进行时间比对的多种方法,它们在比对不确定度和实时性等方面不尽相同。而随着GLONASS星座状态等的不断改善,GLONASS卫星导航系统在高性能时间比对方面成为GPS系统的补充手段。国际计量局(BIPM)也已将GLONASS时间频率传递纳入TAI计算之中,2012年,BIPM用于发布TAI和协调世界时(UTC)的月际公报Circular T中已开始出版基于GLONASS时间频率传递的时间比对结果和TAI计算结果。我国BDS的快速发展也使得北斗时间频率传递成为可能,同时,由于多模导航系统研究的不断深入,多种GNSS结合的时间频率传递也成为热点。

GNSS时间频率传递使用的主要装置就是高性能的GNSS时频传递接收机。我们通常所说的GNSS接收机(如GPS接收机),是指普通GNSS接收机,其重点在于定位和导航,一般不会接入外部时间频率参考;而GNSS时间频率传递接收机的测量运行则必须连接外部时间频率参考信号,以外部时间频率参考为基准,通过对原始观测信息进行处理,测量外部参考与GNSS系统时间的差值,通过与不同接收机测量数据的结合,最终实现接入不同接收机的外部时间频率参考的比对。随着BDS系统的快速建设,我国政府高度重视北斗卫星导航产业的发展,现已将其纳入“军民融合”战略推广产业和国家战略新兴产业,国内应用市场有望在政策的指引下逐步放大。基于BDS的时间传递应用需求越来越广泛而紧迫。目前,市面上成熟的GNSS时间频率传递产品大多还是基于GPS的,而且多由国外生产制造。开展基于BDS的自主高性能时间频率传递技术研究,顺应国产化市场需求,研制BDS时间频率传递装置显得尤为重要。

北斗时间频率传递装置02.jpg

经过近些年的努力,近期在BIPM的支持下,利用我们自主研发的北斗时间频率传递装置首次在欧亚链路进行了北斗时间频率传递实验,验证了相关传递性能。目前,在BIPM及TAI合作的主要实验室——德国联邦物理技术研究院(PTB)、法国巴黎天文台(OP)、美国标准技术研究院(NIST),安装了中国计量科学研究院(NIM)开发的北斗时间频率传递装置,并与俄罗斯国家技术物理及无线电工程研究院(VNIIFTRI)等达成合作协议,组成北斗时间传递实验网络,实现不同洲际链路的北斗时间频率传递实验。

TAI合作旨在产生国际标准时间——UTC,CCTF- K001.UTC是国际时间频率领域唯一的关键比对,其中应用最广泛的比对链路即是GPS时间传递链路,北斗时间频率传递加入到UTC计算中将加强中国的话语权,是北斗系统的重要国际应用;同时通过北斗时间监测数据使得北斗时间与UTC保持直接关联,促进北斗系统自身国际化。

当前,国际国内有部分机构开始进行BDS时间频率传递的研究,但都未有相关成熟稳定产品及其实验的相关文献出版。

中国计量科学研究院自主研制的GNSS(含BDS)时频传递装置,支持BDS、GPS、GLONASS等导航系统,支持伪随机码和载波相位测量。运行时需要注入秒脉冲(PPS)和10 兆赫频率信号,可提供1 PPS和10兆赫频率信号输出,能够生成国际时间频率咨询委员会GNSS时间传递标准格式(CGGTTS)、与接收机无关的交换格式(Rinex)等国际标准格式的数据,其中包括实时CGGTTS数据(每16分钟一个)生成和显示,可实现测量数据的自动化传输,并与其他观测站进行实时比对。装置本身可作为一台服务器,用户可通过网络远程登录查看实时时差曲线(最小时间间隔30秒)、实时及历史CGGTTS数据曲线、与参考时标的实时及历史比对曲线,以及各GNSS卫星解析情况、定位和UTC时间信息等,通过远程登录还可对装置的各项参数进行设置、实现内部参考延迟自动校准等。同时该装置也具备了扩展形成实时溯源到国家原子时标基准的精密时间频率源功能。

北斗时间频率传递装置-01.jpg

项目实施过程中,项目组攻克了许多难题。主要有基于北斗的单站时间传递结果解算,包括BDS信号电离层延迟、BDS模型电离层延迟计算与补偿、卫星位置和钟差计算与补偿等等;北斗时间频率传递装置的各项延迟的测量,包括内参考延迟测量、装置内部延迟测量等;装置测量过程中,对于码测量多径效应的影响分析、消除方法研究;北斗全/共视比对方法效果分析及其选择应用等。项目组实现了多项技术创新,如基于自主研发的北斗时间频率传递装置进行北斗时间频率传递,测量得到BDS时间频率传递数据,生成基于BDS的最新v2E版本的CGGTTS 各项参数数据,进而实现了优于1纳秒稳定度的北斗时间频率全视(All-in-View)和共视(Common-View)传递。

北斗时间频率传递装置在完成了北斗时间传递链路校准后,首次在超8200公里的欧亚链路和1000公里的欧洲内部链路实现了全视和共视两种方法的时间频率传递,稳定度达1纳秒,与GPS时间传递结果的吻合度优于2纳秒。通过实验,中国计量科学研究院首次获得了欧亚链路、欧洲链路基于北斗系统的全视、共视时间频率传递性能指标,为基于北斗系统在欧亚之间、欧洲区域范围内进行高水平时间传递提供了重要理论依据和数据参考,为北斗系统走出国门、服务全球奠定了坚实基础。同时,此项研究工作在2017年的欧洲时间频率论坛暨IEEE频控年会(EFTF&IFCS)上,受到了国际同行的高度肯定与认可。

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以北斗为核心的卫星导航产业是战略性新兴产业,正服务于全球越来越多的用户,成为我国继高铁、核电后的又一项拥有世界核心技术的高端产品。随着北斗卫星发射、运行数量的增加,同时得益于“一带一路”政策的影响,北斗时间频率传递装置将会在时间频率、通信、电力、航天等关键领域发挥重要作用。

在未来,BDS时间频率传递装置会有更广泛和深入的应用,基于其实现国产自主的实时驯服到国家原子时标基准UTC(NIM)的时间频率标准源系统,在全国范围内实现建立省一级时间标准,弥补我国在检定系统表的时间标准这个层级上的空白,在较多省份和行业建立远程溯源站,形成远程时间溯源示范体系;其在远程校准和远程实时溯源到国家原子时标基准——UTC(NIM)的精密时间标准的应用服务,使得大量存在的时间频率标准设备的拥有单位既节省设备运输所需的人力、时间和费用,而且能避免设备在运输途中所可能遭受的额外损失和风险,大大提高校准效率。

BDS全球系统预计将会在2020年完成,在此期间将利用此装置继续对全球范围内其他区域进行北斗时间频率传递的性能评估实验,使北斗系统在全球范围内实现精密时间频率广泛深入应用。

致谢:感谢国家质检总局量值传递项目“远程时间溯源体系研究”(项目编号:2015QK221)、国家重点研发计划重点专项项目“空间导航与定位NQI技术集成及应用示范”(项目编号:2017YFF0212000)的支持。

作者:梁坤

(梁坤,博士,中国计量科学研究院副研究员,守时实验室副主任。担任国际时间频率咨询委员会GNSS-TT(全球导航卫星系统时间传递)和ATFT(先进时间频率传递技术)工作组成员,中国计量测试学会时间频率专业委员会委员。主要研究领域为时间频率传递、守时及GNSS(尤其北斗)相关技术与应用等。主持国家重点研发计划项目、国家自然基金青年基金项目、质检总局计划项目、中国计量科学研究院项目、军队横向科研课题、国家计量技术法规项目等多项科研项目。获国家科技进步一等奖一项,省部级一等奖两项、二等奖两项。)

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