CN108365905A - 一种基于卫星共视数据实时交换的国家标准时间恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于卫星共视数据实时交换的国家标准时间恢复方法，远程时间比对基准终端和远程时间复现终端通过在同一时刻观测同一颗卫星，分别测量基准终端的参考时间和复现终端的输出时间与该颗卫星时间的偏差，两终端通过数据传输交换网络交换测量数据，得到基准时钟源保持的标准时间与复现终端输出时间的偏差，复现终端进一步利用该钟差结果控制输出信号，使其与标准时间偏差趋近于零，实现与标准时间同步。本发明提升了系统的可用性，提高了比对数据的时效性，降低了用户获得高精度时间的成本。

Description

一种基于卫星共视数据实时交换的国家标准时间恢复方法
技术领域
本发明涉及时频高精度传递领域，具体涉及一种UTC(NTSC)时间恢复方法。
背景技术
GPS卫星共视技术是目前远距离时间比对的主要方法之一，比对不确定度可达几个纳秒。基本原理是任意两地以卫星钟作为公共参考源，在同一时刻观测同一颗导航卫星的信号，测量本地时间与卫星钟时间的偏差，然后两地互换数据后相减，可以抵消两条传播路径上包括卫星钟在内的共同误差，从而获得两地时间的相对偏差。
GPS共视有标准的数据处理流程为：每次跟踪高度角大于20°的一颗或多颗卫星16分钟，其中前两分钟准备，最后一分钟处理，中间连续跟踪记录13分钟，采集780个测距伪码观测数据(每秒一个)为一组共视点，选取该次观测的首观测时刻作为本时段时间；将780个数据分成52组，每组15个点，对52组数每组分别使用二次多项式拟合选取中点处的值，作为观测伪距值；使用电离层、对流层、相对论效应、多径时延改正参数等处理伪距值，获得本地参考时间和GPST之间的时差(REFGPS)或与共视卫星之间的时差(REFSV)，按标准文件格式生成比对文件，交换两地共视接收机输出的比对文件，提取其中的REFGPS或REFSV数据并相减，即可获得两地接入共视接收机时钟的钟差。
GPS共视法优点如下：
1.与GPS单向授时法相比，GPS共视法可消除卫星钟差的影响，削弱卫星轨道误差和大气延迟的影响，从而明显地提高远距离时间传递的精度；
2.具有比对精度高、覆盖范围广、可连续运行等特点。
GPS共视法缺点如下：
1.由于两地须同时观测相同GPS卫星，且高度角满足20°及以上，因此对两地的共视距离有一定要求，一般为保证性能，基线距离应不超过2000km，不能满足距离超过2000km的两地比对需求；
2.共视比对测量存在间隙，16分钟间隔只有13分钟的数据，有3分钟观测死时间；
3.共视比对设备需成对使用，即比对测量需要在两地安装两台输出数据格式相同的设备，成本较高；
4.现有GPS共视标准及数据处理规范是针对用于拥有高性能原子钟的实验室之间的时间比对需求，数据交换滞后获得，不满足对实时性要求比较高的场合，比如用于同步自身时间保持能力比较差的信号源，滞后12或是24小时可能已经时间偏移超过微秒甚至毫秒量级。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于卫星共视数据实时交换的UTC(NTSC)高精度时间异地恢复方法，利用GNSS卫星实现共视比对，实时产生测量结果，并进一步利用比对结果控制时间信号的输出，使其输出保持与标准时间同步；利用的共视卫星资源不仅是GPS，还包括北斗、GLONASS等所有其他卫星导航系统，不单独依赖某一卫星导航系统，提高可用性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，在国家授时中心，与基准时钟源UTC(NTSC)并址安装远程时间比对基准终端，通过电缆接入基准时钟源的信号；
步骤二，加电远程时间比对基准终端，使用精确测定过坐标位置信息的基准点安装室外接收天线，将基准点位置信息输入基准终端的位置参数项；
步骤三，在远程时间比对基准终端的共视比对间隔参数项中，选择共视比对间隔；
步骤四，启动远程时间比对基准终端，基准终端按设置的共视比对间隔生产UTC(NTSC)时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤五，对于任意某地，需要获得与标准时间UTC(NTSC)同步偏差小于10ns的标准时间信号的应用需求，为其配置内置铷原子模块的远程时间复现终端，提供正常信号前配置参数如下：
(1)安装远程时间复现终端，初次运行或是室外天线移动后，持续24小时采集终端室外天线坐标；
(2)设置共视比对间隔为300s，基于卫星共视获得本复现终端时间信号与UTC(NTSC)标准时间的偏差数据；
步骤六，远程时间复现终端启动测试，输出本终端时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤七，远程状态运行监控中心在接收到远程时间比对基准终端的信息后，开始启动运算与状态判断机制，每收到一组远程时间复现终端数据，首先与历史数据对比，利用不少于5组历史数据采用中值法得到基准值，若收到的数据超过基准值的3倍，并且数据之间的偏差超过历史数据的3倍，则判断该终端可能异常；其次，若在共视间隔时间30秒内，未收到复现终端数据，同样判断该终端可能异常，实施状态监视；
步骤八，远程时间复现终端通过数据通信传输交换网络在系统状态运行监控中心获取远程时间比对基准终端的比对数据；
步骤九，远程时间复现终端根据所获比对数据内的时间标记信息，判断是否与本终端生成的偏差数据为同一时刻，若是则计算得到本终端时间与UTC(NTSC)的偏差，若时间标记信息不一致则重新发起数据查询，直至超时或获得符合要求的数据；
步骤十，远程时间复现终端计算得到本终端与UTC(NTSC)时间偏差后，生成对本终端内置铷原子模块的控制量，并通过与铷原子模块的通信端口控制铷原子模块的输出，使其输出信号与UTC(NTSC)同步；
步骤十一，远程时间复现终端积累符合300s间隔的数据，再次生成本终端时间与GNSS各颗卫星钟的偏差，通过数据传输交换网络发送数据，重复步骤八到步骤十。
本发明的有益效果是：
本发明采用GNSS卫星实现共视，较现有的GPS共视技术，覆盖了包括北斗、GPS、GLONASS等在内的卫星资源，扩展了可用的共视卫星资源，可用卫星数量从24颗增加到近百颗，提升了系统的可用性，扩展了卫星共视比对的基线长度；
本发明通过互联网络实时交换比对数据，较传统卫星共视事后获取并处理数据的模式，提高了比对数据的时效性；
本发明提出卫星共视和实时数据传输交换网络结合信号源控制手段，利用普通性能信号源(包括高稳晶振、铷钟等)就可以实现与基准时钟源纳秒级的同步，并且系统可支持不受数量限制的用户同时使用，实现纳秒级的高精度时间异地恢复，大大降低了用户获得高精度时间的成本。
附图说明
图1是本发明的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明基于全球卫星导航系统的卫星共视技术，将国家授时中心保持的国家标准时间UTC(NTSC)高精度传递到用户所在地，为用户提供与UTC(NTSC)同步的时间频率信号。
本发明提高了可用性，较传统GPS共视方法，GNSS共视方法扩展了卫星共视资源，提高共视的可用性，延长共视比对基线长度；本发明建立了一种支持实时比对数据产生、广播的工作机制和通信结构，解决共视比对数据滞后产生，点对点数据交换难以满足批量用户需求等问题；本发明将卫星共视技术与时钟驾驭技术结合，实现一种优于10ns的高精度时间异地恢复方法，提高用户获得时间的精度，填补10ns以内授时服务需求。
本发明主要由基准时钟源单元、远程时间比对基准终端、系统状态运行监控中心、远程时间复现终端和数据传输交换网络五部分组成。另外还需要有可视的GNSS卫星，作为共视源。方案框图参考图1。
远程时间比对基准终端和远程时间复现终端通过在同一时刻观测同一颗卫星，分别测量基准终端的参考时间和复现终端的输出时间与该颗卫星时间的偏差，两终端通过数据传输交换网络交换测量数据，互减即可抵消卫星钟的影响，同时明显削弱相关性误差(卫星轨道误差、电离层及对流层误差等)的影响，实现几个纳秒的两地时间比对不确定度。从而得到基准时钟源保持的标准时间与复现终端输出时间的偏差，复现终端进一步利用该钟差结果控制输出信号，使其与标准时间偏差趋近于零，实现与标准时间同步，完成将标准时间远程传递并恢复的过程。其中的系统状态运行监控中心主要负责通过数据传输交换网络获取各远程时间复现终端的状态信息，实现对各复现终端的在线状态监控。
基于GNSS卫星共视数据实时交换的UTC(NTSC)高精度时间异地恢复方法涉及的主要技术方案如下：
1.GNSS卫星共视实现方案
采用多频段接收天线和多通道接收机，可以同时接收并行处理GPS、北斗和GLONASS的卫星信号，为在共视比对数据中区分不同系统的卫星，需为不同导航系统的卫星在系统内部重新编号，便于数据交换时区分身份；系统内部统一以无闰秒的国际原子时TAI为驱动时钟，将各卫星的广播数据统一到一个时钟下，确保各卫星共视时刻一致性；将共视接收机针对不同卫星系统的信号，分别校准设备延迟，修正设备内部通道偏差延迟。
2.基于共视比对数据广播的时间恢复方案
建立数据交换传输网络，用于实时交换远程时间比对基准终端和复现终端的观测数据，复现终端利用接收到的来自基准终端的观测数据，计算本终端输出时间与基准时钟源的偏差，从而控制本终端的输出，使该偏差量趋近于零值附近。因为基准终端的数据可以通过数据交换网络广播给各个复现终端，因此较传统的点对点共视比对方案需要成对使用共视终端，本方案可以实现点对多的广播式比对、时间恢复，支持无限数量获得授权的复现终端获取基准终端的比对数据用于实现与标准时间同步的操作。
由于各复现终端之间没有直接联系，加入或退出不影响系统运行，系统没有容量限制，便于满足更多用户的高精度时间获取需求。
3.基于数据实时交换的时间保持方案
传统的卫星共视技术将共视比对数据按标准格式保存，定期交换数据，计算两地钟差，通常用于拥有铯钟或是氢原子钟等高性能原子钟的守时实验室之间，满足两地高精度时间的比对需求。因为原子钟自身的稳定性，两地钟差24小时的变化可能也在纳秒级，因此即使比对数据反馈滞后24小时也能满足要求。
而对于需要纳秒级同步精度大多数普通用户，维持百万甚至千万经费量级的原子钟守时钟组系统较难实现。通常是希望依托某个标准时钟源，用较少的投入，能获得与标准时间同步到纳秒级的信号，为满足这类需求，本发明提出一种支持实时交换共视比对数据结果的工作机制，数据反馈滞后时间可根据用户信号源的稳定度性能，可自由配置，根据配置的比对间隔，利用数据通信网络，实时交换测量数据并生成比对结果通过网络反馈到用户的复现终端，终端内置的软件根据比对结果控制内部信号源的频率或是相位量，使其输出信号保持与基准时钟源同步，能获得近似基准时钟源的频率准确度、长期稳定度性能，实现时间的保持。
该方法通过建立实时数据传输交换网络，大大缩短了比对数据反馈滞后时间，实时反应，主要解决在保证时间同步性能需求前提下，降低对复现终端内置时钟源稳定度、准确度性能要求，从而降低设备维护难度和显著降低成本。
本发明的实施例包括以下步骤：
步骤一，启动远程时间比对基准终端，按设置的共视比对间隔生产UTC(NTSC)时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤二，远程时间比对基准终端与基准时钟源UTC(NTSC)并址安装，通过电缆接入基准时钟信号，配置兼容300s在内的多种的共视比对间隔，使用精确测定过坐标位置信息的基准点安装室外接收天线，为远程时间比对基准终端输入位置参数；
步骤三，对于任意某地，需要获得与标准时间UTC(NTSC)同步偏差小于10ns的标准时间信号的应用需求，可以为其配置内置铷原子模块的远程时间复现终端，提供正常信号前需要配置参数如下：
(1)安装远程时间复现终端，采集终端室外天线坐标，设置采集时长24小时；
(2)根据铷钟性能，设置共视比对间隔为300s，即每5分钟交换一次比对数据，基于卫星共视获得本复现终端时间信号与UTC(NTSC)标准时间的偏差数据；
步骤四，远程时间复现终端正常启动测试，可以输出本终端时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤五，远程状态运行监控中心在接收到远程时间比对基准终端的信息后，开始启动运算与状态判断机制，每收到一组远程时间复现终端数据，则使用数据依据预设决策机制判断该终端工作状态，以及生成该复现终端与UTC(NTSC)的偏差结果，用于状态监视；
步骤六，远程时间复现终端通过数据通信传输交换网络在系统状态运行监控中心获取远程时间比对基准终端的比对数据；
步骤七，远程时间复现终端根据所获数据内的时间标记信息，判断是否与本终端生成的偏差数据为同一时刻，若是则计算，得到本终端时间与UTC(NTSC)的偏差，若时间标记信息不一致则重新发起数据查询，直至超时或是获得符合要求的数据；
步骤八，远程时间复现终端计算得到本终端与UTC(NTSC)时间偏差后，生成对本终端内置铷原子模块的控制量，并通过与铷原子模块的通信端口控制铷原子模块的输出，使其输出信号与UTC(NTSC)同步；
步骤九，远程时间复现终端积累符合300s间隔的数据，再次生成本终端时间与GNSS各颗卫星钟的偏差，通过数据传输交换网络发送数据，重复步骤六到八。
该实施例能为用户提供一个与标准时间同步的时间信号，同步偏差小于10ns，且可以保持该时间信号输出的持续稳定，若各地用户均使用远程时间复现终端实现与标准时间同步，那么任意用户之间也能实现高精度的时间同步。

Claims (1)

1.一种基于卫星共视数据实时交换的国家标准时间恢复方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一，在国家授时中心，与基准时钟源UTC(NTSC)并址安装远程时间比对基准终端，通过电缆接入基准时钟源的信号；
步骤二，加电远程时间比对基准终端，使用精确测定过坐标位置信息的基准点安装室外接收天线，将基准点位置信息输入基准终端的位置参数项；
步骤三，在远程时间比对基准终端的共视比对间隔参数项中，选择共视比对间隔；
步骤四，启动远程时间比对基准终端，基准终端按设置的共视比对间隔生产UTC(NTSC)时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤五，对于任意某地，需要获得与标准时间UTC(NTSC)同步偏差小于10ns的标准时间信号的应用需求，为其配置内置铷原子模块的远程时间复现终端，提供正常信号前配置参数如下：
(1)安装远程时间复现终端，初次运行或是室外天线移动后，持续24小时采集终端室外天线坐标；
(2)设置共视比对间隔为300s，基于卫星共视获得本复现终端时间信号与UTC(NTSC)标准时间的偏差数据；
步骤六，远程时间复现终端启动测试，输出本终端时间与GNSS各颗卫星钟时间的偏差，通过数据通信传输交换网络发送到系统状态运行监控中心；
步骤七，远程状态运行监控中心在接收到远程时间比对基准终端的信息后，开始启动运算与状态判断机制，每收到一组远程时间复现终端数据，首先与历史数据对比，利用不少于5组历史数据采用中值法得到基准值，若收到的数据超过基准值的3倍，并且数据之间的偏差超过历史数据的3倍，则判断该终端可能异常；其次，若在共视间隔时间30秒内，未收到复现终端数据，同样判断该终端可能异常，实施状态监视；
步骤八，远程时间复现终端通过数据通信传输交换网络在系统状态运行监控中心获取远程时间比对基准终端的比对数据；
步骤九，远程时间复现终端根据所获比对数据内的时间标记信息，判断是否与本终端生成的偏差数据为同一时刻，若是则计算得到本终端时间与UTC(NTSC)的偏差，若时间标记信息不一致则重新发起数据查询，直至超时或获得符合要求的数据；
步骤十，远程时间复现终端计算得到本终端与UTC(NTSC)时间偏差后，生成对本终端内置铷原子模块的控制量，并通过与铷原子模块的通信端口控制铷原子模块的输出，使其输出信号与UTC(NTSC)同步；
步骤十一，远程时间复现终端积累符合300s间隔的数据，再次生成本终端时间与GNSS各颗卫星钟的偏差，通过数据传输交换网络发送数据，重复步骤八到步骤十。
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