北斗時間頻率傳遞裝置

時間是準確度最高、應用最廣的物理量，時間“秒”是國際單位制7個基本單位中最準確和最基礎的。

全球導航衛星系統（GNSS）目前包括美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo）及中國的北斗衛星導航系統（BDS），GPS和GLONASS是已經建成的系統，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，設備運行成本不高、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星座狀態等的不斷改善，GLONASS衛星導航系統在高性能時間比對方面成為GPS系統的補充手段。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用于發布TAI和協調世界時（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果和TAI計算結果。我國BDS的快速發展也使得北斗時間頻率傳遞成為可能，同時，由于多模導航系統研究的不斷深入，多種GNSS結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。我們通常所說的GNSS接收機（如GPS接收機），是指普通GNSS接收機，其重點在于定位和導航，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的測量運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，通過對原始觀測信息進行處理，測量外部參考與GNSS系統時間的差值，通過與不同接收機測量數據的結合，最終實現接入不同接收機的外部時間頻率參考的比對。隨著BDS系統的快速建設，我國政府高度重視北斗衛星導航產業的發展，現已將其納入“軍民融合”戰略推廣產業和國家戰略新興產業，國內應用市場有望在政策的指引下逐步放大?；贐DS的時間傳遞應用需求越來越廣泛而緊迫。目前，市面上成熟的GNSS時間頻率傳遞產品大多還是基于GPS的，而且多由國外生產制造。開展基于BDS的自主高性能時間頻率傳遞技術研究，順應國產化市場需求，研制BDS時間頻率傳遞裝置顯得尤為重要。

經過近些年的努力，近期在BIPM的支持下，利用我們自主研發的北斗時間頻率傳遞裝置首次在歐亞鏈路進行了北斗時間頻率傳遞實驗，驗證了相關傳遞性能。目前，在BIPM及TAI合作的主要實驗室——德國聯邦物理技術研究院（PTB）、法國巴黎天文臺（OP）、美國標準技術研究院（NIST），安裝了中國計量科學研究院（NIM）開發的北斗時間頻率傳遞裝置，并與俄羅斯國家技術物理及無線電工程研究院（VNIIFTRI）等達成合作協議，組成北斗時間傳遞實驗網絡，實現不同洲際鏈路的北斗時間頻率傳遞實驗。

TAI合作旨在產生國際標準時間——UTC，CCTF-K001.UTC是國際時間頻率領域唯一的關鍵比對，其中應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計算中將加強中國的話語權，是北斗系統的重要國際應用；同時通過北斗時間監測數據使得北斗時間與UTC保持直接關聯，促進北斗系統自身國際化。

當前，國際國內有部分機構開始進行BDS時間頻率傳遞的研究，但都未有相關成熟穩定產品及其實驗的相關文獻出版。

中國計量科學研究院自主研制的GNSS（含BDS）時頻傳遞裝置，支持BDS、GPS、GLONASS等導航系統，支持偽隨機碼和載波相位測量。運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時間傳遞標準格式（CGGTTS）、與接收機無關的交換格式（Rinex）等國際標準格式的數據，其中包括實時CGGTTS數據（每16分鐘一個）生成和顯示，可實現測量數據的自動化傳輸，并與其他觀測站進行實時比對。裝置本身可作為一臺服務器，用戶可通過網絡遠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數據曲線、與參考時標的實時及歷史比對曲線，以及各GNSS衛星解析情況、定位和UTC時間信息等，通過遠程登錄還可對裝置的各項參數進行設置、實現內部參考延遲自動校準等。同時該裝置也具備了擴展形成實時溯源到國家原子時標基準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償、衛星位置和鐘差計算與補償等等；北斗時間頻率傳遞裝置的各項延遲的測量，包括內參考延遲測量、裝置內部延遲測量等；裝置測量過程中，對于碼測量多徑效應的影響分析、消除方法研究；北斗全/共視比對方法效果分析及其選擇應用等。項目組實現了多項技術創新，如基于自主研發的北斗時間頻率傳遞裝置進行北斗時間頻率傳遞，測量得到BDS時間頻率傳遞數據，生成基于BDS的最新v2E版本的CGGTTS各項參數數據，進而實現了優于1納秒穩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后，首次在超8200公里的歐亞鏈路和1000公里的歐洲內部鏈路實現了全視和共視兩種方法的時間頻率傳遞，穩定度達1納秒，與GPS時間傳遞結果的吻合度優于2納秒。通過實驗，中國計量科學研究院首次獲得了歐亞鏈路、歐洲鏈路基于北斗系統的全視、共視時間頻率傳遞性能指標，為基于北斗系統在歐亞之間、歐洲區域范圍內進行高水平時間傳遞提供了重要理論依據和數據參考，為北斗系統走出國門、服務全球奠定了堅實基礎。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可。

以北斗為核心的衛星導航產業是戰略性新興產業，正服務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的高端產品。隨著北斗衛星發射、運行數量的增加，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、航天等關鍵領域發揮重要作用。

在未來，BDS時間頻率傳遞裝置會有更廣泛和深入的應用，基于其實現國產自主的實時馴服到國家原子時標基準UTC(NIM)的時間頻率標準源系統，在全國范圍內實現建立省一級時間標準，彌補我國在檢定系統表的時間標準這個層級上的空白，在較多省份和行業建立遠程溯源站，形成遠程時間溯源示范體系；其在遠程校準和遠程實時溯源到國家原子時標基準——UTC(NIM)的精密時間標準的應用服務，使得大量存在的時間頻率標準設備的擁有單位既節省設備運輸所需的人力、時間和費用，而且能避免設備在運輸途中所可能遭受的額外損失和風險，大大提高校準效率。

BDS全球系統預計將會在2020年完成，在此期間將利用此裝置繼續對全球范圍內其他區域進行北斗時間頻率傳遞的性能評估實驗，使北斗系統在全球范圍內實現精密時間頻率廣泛深入應用。

國家計量院研發能力還挺強?。。。?！