NTSC國際時間比對鏈路狀態(tài)監(jiān)測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

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 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，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計算協(xié)調(diào)世界時(UTC)和國際原子時(TAI)采用的時間傳遞手段主要有TWSTFT和GNSS PPP(precise point positioning)時間傳遞。中國科學(xué)院國家授時中心(NTSC)時頻基準(zhǔn)實驗室自從2009年P(guān)PP時間傳遞鏈路建成以來，擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)共視時間傳遞、衛(wèi)星雙向時間傳遞、GNSS PPP時間傳遞三類比對鏈路可用于UTC、TAI計算[1]，它們互為熱備份，共同保障NTSC國際時間比對鏈路的穩(wěn)定可靠。為了提高工作效率，我們設(shè)計并完成了守時國際時間比對鏈路的自動化軟件，通過VB平臺，基于FTP通信協(xié)議實現(xiàn)實驗室本地與國際權(quán)度局(BIPM)的數(shù)據(jù)交互,每日定時下載BIPM公布的全球主要守時實驗室的鏈路相關(guān)數(shù)據(jù)和國際GPS服務(wù)機構(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時間傳遞方法獲得UTC(NTSC)與其他守時實驗室保持的UTC(k)的偏差，并在可視化界面上以鐘差曲線的形式實時顯示。在試運行的6個多月時間里，通過多次升級完善，該軟件已經(jīng)完全能夠滿足國際時間比對鏈路狀態(tài)監(jiān)控的需要。

1 時間傳遞的基本原理

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

1.1 GNSS共視時間傳遞

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)的兩地實驗室同時觀測同一顆衛(wèi)星，以衛(wèi)星鐘作為中間變量，間接來確定兩地實驗室的相對時間偏差。例如A、B兩觀測站連續(xù)測量本地時間與可視衛(wèi)星發(fā)布的GNSS系統(tǒng)時的時差，在每個交換周期結(jié)束時，對本周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑后，取均值作為本周期測量數(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、對流層殘留、接收機天線相位中心坐標(biāo)誤差、接收機本身的噪聲等誤差源后，A、B兩站鐘差TAB=TA-TB[2]。

圖1 GNSS共視時間比對原理

1.2 衛(wèi)星雙向時間傳遞

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

1.3 GNSS PPP時間傳遞

PPP時間比對原理如圖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]，將雙頻定時接收機獲得的雙頻載波相位和偽距觀測值通過觀測模型計算得到的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]。通常使用的觀測模型包括無電離層模型、UofC模型、組合觀測值模型等，本文使用組合觀測值模型完成數(shù)據(jù)處理[12-13]。

圖3 PPP時間比對原理

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

為了滿足國際比對鏈路日常監(jiān)測工作的需要，在VB環(huán)境下設(shè)計開發(fā)了國際時間比對鏈路自動化計算及監(jiān)測軟件，能夠自動下載最新的鏈路數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星共視、衛(wèi)星雙向、PPP時間傳遞方法計算NTSC與全球主要守時實驗室的時差；并在界面圖形化顯示UTC(PTB)與UTC(NTSC)的偏差(由于長基線衛(wèi)星共視時間比對A類不確定度是1.5 ns，衛(wèi)星雙向與PPP時間比對A類不確定度是0.5 ns，因此基于共視原理的時差分析結(jié)果，用于粗略監(jiān)測當(dāng)前鏈路狀態(tài)；基于TWSTFT&PPP原理的時差分析結(jié)果，用于監(jiān)測兩條主鏈路的狀態(tài))和UTC(USNO/OP)與UTC(NTSC)的偏差(作用同上)；最后將時差分析結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)共享平臺通過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、動態(tài)監(jiān)測3個模塊。程序流程如圖4所示，開始運行后，手動進(jìn)行參數(shù)配置(包括數(shù)據(jù)下載時間、需下載數(shù)據(jù)臺站、下載數(shù)據(jù)類型)，當(dāng)本地時間與設(shè)置的數(shù)據(jù)下載時間一致時，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與全球主要守時實驗室的時間差，同時分析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)下載時間依據(jù)各實驗室數(shù)據(jù)上傳時間不同，統(tǒng)一設(shè)置為全部數(shù)據(jù)上傳完成后的任意時刻，為了保證時效性，針對各類數(shù)據(jù)分別設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)下載時間。

圖4 程序流程

2.1 數(shù)據(jù)下載模塊

在指定時刻，軟件自動下載NTSC、俄羅斯時間與空間計量研究院(SU)、德國技術(shù)物理研究院(PTB)、美國海軍天文臺(USNO)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)等全球主要守時實驗室的比對鏈路數(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，對應(yīng)AA.AAA是58.037 ；BBB表示年積日；CC是年份的后兩位，2017年對應(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)下載路徑與實驗室所在地域有關(guān)，會有所不同；RENIX格式數(shù)據(jù)文件名與實驗室提供的數(shù)據(jù)文件格式有關(guān)，可以是D文件或O文件。

圖5 國際時間比對鏈路自動化計算及監(jiān)測軟件文件下載實例

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與其他實驗室的鐘差，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Sagnac效應(yīng)引起的時延、對流層時延、電離層時延等誤差源進(jìn)行了修正，因此NTSC與PTB的衛(wèi)星雙向時間比對的數(shù)據(jù)處理流程是先進(jìn)行時標(biāo)匹配，之后利用式(2)計算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延差異，REFDELAY是參考時延，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 自動監(jiān)測模塊

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

3 實驗結(jié)果與分析

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

圖8 衛(wèi)星雙向與PPP時差監(jiān)測結(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)自動化、手動計算(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鏈路的手動計算與自動化計算能夠互為參考，使用它的計算結(jié)果能夠有效監(jiān)測鏈路狀態(tài)。

圖9 多方式PPP鏈路時差監(jiān)測結(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)星雙向時間比對數(shù)據(jù)計算得到的UTC(PTB)-UTC(NTSC)在約化儒略日57 869～57 905的比較圖，可以看出軟件自動化計算結(jié)果與BIPM的結(jié)果基本一致，除了由于數(shù)據(jù)處理時奇異值剔除方案不同導(dǎo)致的個別跳點外，不確定度在0.5 ns之內(nèi)，因此衛(wèi)星雙向鏈路的自動化計算結(jié)果也能夠有效監(jiān)測鏈路狀態(tài)。

圖10 多方式衛(wèi)星雙向鏈路時差監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

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