北斗時間頻率傳遞裝置

時間是準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣的物理量，時間“秒”是國際單位制7個基本單位中最準(zhǔn)確和最基礎(chǔ)的。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）目前包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），GPS和GLONASS是已經(jīng)建成的系統(tǒng)，Galileo和BDS目前處于完成全球布局階段。由于GNSS信號覆蓋范圍廣，設(shè)備運(yùn)行成本不高、測量精密度高、使用方便等特點，以GPS為代表的GNSS時間頻率傳遞成為了遠(yuǎn)程時間頻率傳遞和溯源的主要手段，同時GNSS時間頻率傳遞鏈路也是國際原子時（TAI）合作中最主要的時間傳遞鏈路，鏈路中包含基于不同GNSS測量信號進(jìn)行時間比對的多種方法，它們在比對不確定度和實時性等方面不盡相同。而隨著GLONASS星座狀態(tài)等的不斷改善，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高性能時間比對方面成為GPS系統(tǒng)的補(bǔ)充手段。國際計量局（BIPM）也已將GLONASS時間頻率傳遞納入TAI計算之中，2012年，BIPM用于發(fā)布TAI和協(xié)調(diào)世界時（UTC）的月際公報Circular T中已開始出版基于GLONASS時間頻率傳遞的時間比對結(jié)果和TAI計算結(jié)果。我國BDS的快速發(fā)展也使得北斗時間頻率傳遞成為可能，同時，由于多模導(dǎo)航系統(tǒng)研究的不斷深入，多種GNSS結(jié)合的時間頻率傳遞也成為熱點。

GNSS時間頻率傳遞使用的主要裝置就是高性能的GNSS時頻傳遞接收機(jī)。我們通常所說的GNSS接收機(jī)（如GPS接收機(jī)），是指普通GNSS接收機(jī)，其重點在于定位和導(dǎo)航，一般不會接入外部時間頻率參考；而GNSS時間頻率傳遞接收機(jī)的測量運(yùn)行則必須連接外部時間頻率參考信號，以外部時間頻率參考為基準(zhǔn)，通過對原始觀測信息進(jìn)行處理，測量外部參考與GNSS系統(tǒng)時間的差值，通過與不同接收機(jī)測量數(shù)據(jù)的結(jié)合，最終實現(xiàn)接入不同接收機(jī)的外部時間頻率參考的比對。隨著BDS系統(tǒng)的快速建設(shè)，我國政府高度重視北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)已將其納入“軍民融合”戰(zhàn)略推廣產(chǎn)業(yè)和國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)應(yīng)用市場有望在政策的指引下逐步放大?；贐DS的時間傳遞應(yīng)用需求越來越廣泛而緊迫。目前，市面上成熟的GNSS時間頻率傳遞產(chǎn)品大多還是基于GPS的，而且多由國外生產(chǎn)制造。開展基于BDS的自主高性能時間頻率傳遞技術(shù)研究，順應(yīng)國產(chǎn)化市場需求，研制BDS時間頻率傳遞裝置顯得尤為重要。

經(jīng)過近些年的努力，近期在BIPM的支持下，利用我們自主研發(fā)的北斗時間頻率傳遞裝置首次在歐亞鏈路進(jìn)行了北斗時間頻率傳遞實驗，驗證了相關(guān)傳遞性能。目前，在BIPM及TAI合作的主要實驗室——德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）、法國巴黎天文臺（OP）、美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST），安裝了中國計量科學(xué)研究院（NIM）開發(fā)的北斗時間頻率傳遞裝置，并與俄羅斯國家技術(shù)物理及無線電工程研究院（VNIIFTRI）等達(dá)成合作協(xié)議，組成北斗時間傳遞實驗網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)不同洲際鏈路的北斗時間頻率傳遞實驗。

TAI合作旨在產(chǎn)生國際標(biāo)準(zhǔn)時間——UTC，CCTF-K001.UTC是國際時間頻率領(lǐng)域唯一的關(guān)鍵比對，其中應(yīng)用最廣泛的比對鏈路即是GPS時間傳遞鏈路，北斗時間頻率傳遞加入到UTC計算中將加強(qiáng)中國的話語權(quán)，是北斗系統(tǒng)的重要國際應(yīng)用；同時通過北斗時間監(jiān)測數(shù)據(jù)使得北斗時間與UTC保持直接關(guān)聯(lián)，促進(jìn)北斗系統(tǒng)自身國際化。

當(dāng)前，國際國內(nèi)有部分機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行BDS時間頻率傳遞的研究，但都未有相關(guān)成熟穩(wěn)定產(chǎn)品及其實驗的相關(guān)文獻(xiàn)出版。

中國計量科學(xué)研究院自主研制的GNSS（含BDS）時頻傳遞裝置，支持BDS、GPS、GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)，支持偽隨機(jī)碼和載波相位測量。運(yùn)行時需要注入秒脈沖（PPS）和10兆赫頻率信號，可提供1PPS和10兆赫頻率信號輸出，能夠生成國際時間頻率咨詢委員會GNSS時間傳遞標(biāo)準(zhǔn)格式（CGGTTS）、與接收機(jī)無關(guān)的交換格式（Rinex）等國際標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，其中包括實時CGGTTS數(shù)據(jù)（每16分鐘一個）生成和顯示，可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動化傳輸，并與其他觀測站進(jìn)行實時比對。裝置本身可作為一臺服務(wù)器，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄查看實時時差曲線（最小時間間隔30秒）、實時及歷史CGGTTS數(shù)據(jù)曲線、與參考時標(biāo)的實時及歷史比對曲線，以及各GNSS衛(wèi)星解析情況、定位和UTC時間信息等，通過遠(yuǎn)程登錄還可對裝置的各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、實現(xiàn)內(nèi)部參考延遲自動校準(zhǔn)等。同時該裝置也具備了擴(kuò)展形成實時溯源到國家原子時標(biāo)基準(zhǔn)的精密時間頻率源功能。

項目實施過程中，項目組攻克了許多難題。主要有基于北斗的單站時間傳遞結(jié)果解算，包括BDS信號電離層延遲、BDS模型電離層延遲計算與補(bǔ)償、衛(wèi)星位置和鐘差計算與補(bǔ)償?shù)鹊?；北斗時間頻率傳遞裝置的各項延遲的測量，包括內(nèi)參考延遲測量、裝置內(nèi)部延遲測量等；裝置測量過程中，對于碼測量多徑效應(yīng)的影響分析、消除方法研究；北斗全/共視比對方法效果分析及其選擇應(yīng)用等。項目組實現(xiàn)了多項技術(shù)創(chuàng)新，如基于自主研發(fā)的北斗時間頻率傳遞裝置進(jìn)行北斗時間頻率傳遞，測量得到BDS時間頻率傳遞數(shù)據(jù)，生成基于BDS的最新v2E版本的CGGTTS各項參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)了優(yōu)于1納秒穩(wěn)定度的北斗時間頻率全視（All-in-View）和共視（Common-View）傳遞。

北斗時間頻率傳遞裝置在完成了北斗時間傳遞鏈路校準(zhǔn)后，首次在超8200公里的歐亞鏈路和1000公里的歐洲內(nèi)部鏈路實現(xiàn)了全視和共視兩種方法的時間頻率傳遞，穩(wěn)定度達(dá)1納秒，與GPS時間傳遞結(jié)果的吻合度優(yōu)于2納秒。通過實驗，中國計量科學(xué)研究院首次獲得了歐亞鏈路、歐洲鏈路基于北斗系統(tǒng)的全視、共視時間頻率傳遞性能指標(biāo)，為基于北斗系統(tǒng)在歐亞之間、歐洲區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行高水平時間傳遞提供了重要理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考，為北斗系統(tǒng)走出國門、服務(wù)全球奠定了堅實基礎(chǔ)。同時，此項研究工作在2017年的歐洲時間頻率論壇暨IEEE頻控年會（EFTF&IFCS）上，受到了國際同行的高度肯定與認(rèn)可。

以北斗為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正服務(wù)于全球越來越多的用戶，成為我國繼高鐵、核電后的又一項擁有世界核心技術(shù)的高端產(chǎn)品。隨著北斗衛(wèi)星發(fā)射、運(yùn)行數(shù)量的增加，同時得益于“一帶一路”政策的影響，北斗時間頻率傳遞裝置將會在時間頻率、通信、電力、航天等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在未來，BDS時間頻率傳遞裝置會有更廣泛和深入的應(yīng)用，基于其實現(xiàn)國產(chǎn)自主的實時馴服到國家原子時標(biāo)基準(zhǔn)UTC(NIM)的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)建立省一級時間標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)我國在檢定系統(tǒng)表的時間標(biāo)準(zhǔn)這個層級上的空白，在較多省份和行業(yè)建立遠(yuǎn)程溯源站，形成遠(yuǎn)程時間溯源示范體系；其在遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和遠(yuǎn)程實時溯源到國家原子時標(biāo)基準(zhǔn)——UTC(NIM)的精密時間標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)，使得大量存在的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的擁有單位既節(jié)省設(shè)備運(yùn)輸所需的人力、時間和費(fèi)用，而且能避免設(shè)備在運(yùn)輸途中所可能遭受的額外損失和風(fēng)險，大大提高校準(zhǔn)效率。

BDS全球系統(tǒng)預(yù)計將會在2020年完成，在此期間將利用此裝置繼續(xù)對全球范圍內(nèi)其他區(qū)域進(jìn)行北斗時間頻率傳遞的性能評估實驗，使北斗系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)精密時間頻率廣泛深入應(yīng)用。

國家計量院研發(fā)能力還挺強(qiáng)?。。。?！