科普:全球导航卫星系统时间精度分析

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摘要:

全球导航卫星系统具有独立的时间参考系统，即 GNSS 时间，并溯源至 UTC 时间。GNSS 时间精度参数不仅影响定位和授时的精度，也影响不同 GNSS 系统之间时间偏差的计算和预报，进而对 GNSS 系统的互操作性产生影响。本文对 GNSS 时间标度的产生和维持进行了分析，并通过分析给出了其精度估计结果。



引 言

GNSS 时间标度是在地面站时钟或地面站和卫星时钟的基础上产生的数学或物理标度。GNSS 参考时间标度由授时实验室提供，并保持与 UTC 的偏差在规定范围内。GNSS 时间标度是在 GNSS 控制中心或主控站产生的，因此 GNSS 时间精度参数是无法从外部直接估计的，只能利用可获取的信息间接分析，包括 GNSS 时间与参考时间的 广 播 校 正 值 以 及 参 考 时 间 生成设备测算出的GNSS 时间与参考时间的偏差值［1］。本文对 GNSS 时间标度进行了分析，并用两种方法对 GNSS 时间精度参数进行估计。

一、 GNSS 时间的产生和维持
01.GPS 时间


GPS 时间( GPST) 是基于监测站频率标准和卫星时钟的复合时间标度，其计算过程是整个时钟和轨道估计过程的一部分。GPS 除了使用 NGA 运控的 6 个监测站外，还有分布于世界各地的 6 个监测站，各个监测站均采用铯原子钟作为时间频率参考，另有两个监测站同时使用了氢原子钟［2－3］。

GPS 时间由 GPS 地面控制段建立，并溯源至美国海军天文台( USNO) 保持的 UTC 时间。USNO 监测 GPS 时间与 UTC( USNO) 时间的偏差，并将这些数据报告给 GPS 操作系统，用于时间标度的维持和 UTC 广播校正。

GPS 时间与 UTC( USNO) 时间偏差应维持在 1 μs 内，系统时间通过两个线性参数计算秒内偏差，其校正精度为 40 ns( 95%概率) 。理论上来说，每颗卫星时钟至少每天更新一次。

GPS 时间不随 UTC 闰秒而进行整秒数的校正。因此，自 2017 年 1 月以来，GPS 时间超前 UTC 时间 18 s。

02.GLONASS 时间


GLONASS 时间( GLONASST) 基于 GLONASS 中央同步器( CS) 生成，该同步器分布于 2 个 GLONASS 地面控制段，包括一组日稳定性优于 2×10－15的氢钟，其中一个是主中央同步器，另一个是备用中央同步器。GLONASS 时间基于主中央同步器的时间标度而产生，备用中央同步器利用卫星信号全视算法与主中央同步器的时间标度进行同步［4］。

GLONASS 时间可溯源到由国家时间频率参考( STFＲ) 保持的 UTC( SU) 。GLONASSS 时间与 UTC( SU)的偏差保持在 1 ms 以内，其校正参数每天计算并上传一次，校正精度为 1 μs。

GLONASS 时 间 与 UTC 同时采用跳秒校正，因此GLONASS 时间与 UTC( SU) 之间不存在整秒数的时间偏差。但是，由于 GLONASS 地面控制段的操作规则，GLO- NASS 时间和 UTC 之间存在 3 h 的常数偏移量。

03.Galileo 时间


伽利略时间( GST) 基于精确时间设施( PTF) 的主时钟产生。Galileo 的两个 PTF 分别位于意大利和德国的Galileo 控制中心。每个 PTF 都配备了氢钟和铯钟，其中氢钟为主时钟。PTF 时钟、其他地面站时钟和卫星钟共同作用产生 Galileo 时间，并以 PTF 主时钟为主［5］。

伽利略参考时间是一种 UTC 预报时间，由伽利略时间服务供应商从多个欧洲 UTC 实验室获得。Galileo 时间服务供应商通过计算 GST－UTC 时间偏差和 GST－UTC 转换参数来计算 Galileo 时间和 UTC 之间的偏差量。

伽利略时间以 1 s 为模，与 UTC 之间的时间偏差小于50 ns( 95%) ，校正精度为 28 ns( 95%) ，伽利略时间与 UTC 的校正参数每天更新一次。

伽利略时间不随 UTC 闰秒而进行整秒数的校正，因 此，自 2017 年 1 月以来，伽利略时间超前 UTC 18 s。

04.北斗时


北斗时( BDT) 是由主控站生成和维护的复合时间标度，是根据主控站和监测站的氢钟计算得到的。BDT 的主时钟为高精度氢钟，为北斗时间系统和其他子系统提供时间信号。北斗时的日稳定性约为 2×10－14，周稳定性为 1×10－14［6－7］。

北斗时通过中国科学院国家授时中心( NTSC) 与国际 UTC 建立联系。BDT 与参考时间的时间偏差优于 100 ns，校正精度为 5 ns( 95%) ，时间偏差参数通过卫星导航广播电文每小时更新一次。

北斗时起始历元为 UTC 时间 2006 年 1 月 1 日 00 时 00 分 00 秒，不做闰秒改正，因此，从 2017 年 1 月开始，北斗时已超前 UTC 4 s。

05.QZSS 时间


QZSS 时间的计算过程纳入整个时钟和轨道的估计过程，是由位于日本小金井市的主时钟生成的。QZSS 主控站( MCS) 位于日本茨城县的 Tsukuba 航天中心，9 个监测站分布在亚洲和大洋洲地区，其中小金井和夏威夷的监测站使用氢钟，而其他监测站则采用铯钟［8］。

QZSS 时间可溯源至日本情报通信研究机构保持的UTC( NICT) 。通 过 UTC ( NICT) 时钟的物理连接实现QZSS 时间与参考时间标度的同步，但由于连接线路长度的影响，存在一定偏差。NICT 监控 QZSS 时间和 UTC ( NICT) 之间的时间偏差，并将这些数据传输到 QZSS 主控站( MCS) 。MCS 根据 NICT 数据和小金井主时钟与 GPS 时间的偏差来计算 UTC 参数。

QZSS 时间保持其与 UTC( NICT) 的偏差在 1 μs 内，至少每天更新一次，但校正精度并没有指定。QZSS 时间不进行闰秒改正，自 2017 年 1 月以来，QZSS 时间已超前UTC 18 s。

二、 GNSS 时间精度参数估计

GNSS 时间标度是由 GNSS 控制中心或主控站生成的数学或物理标度，其参数无法从外部直接估算。GPS 时间、伽利略时间、北斗时间和 QZSS 时间均为连续时间标度，并超前于 UTC 整闰秒数; GLONASS 时间与 UTC 同步进行闰秒，故 GLONASS 时间与 UTC 之间不存在整秒的时间偏差。根据以上分析，可以用与参考时间的偏差量、与参考时间的校正精度、GNSS 时间的稳定性以上 3 个参数来分析 GNSS 时间精度。GNSS 官方发布的参数值见表 1。

表 1 GNSS 时间精度参数



如上所述，GNSS 时间标度只能通过广播校正或测量出的与参考时间的偏差量进行间接估计。

第一种改正方式，GNSS 时间精度取决于广播校正的精度。第二种改正方式，其精度取决于时间偏差的测量值和广播校正的精度。由于广播校正的精度有限，相比较而言，时间偏差测量值的准确度较高。

三、 GNSS 时间偏差

本文基于广播校正获取了 2017 年 1 月至 2018 年 1 月期间的 GPS 时间、GLONASS 时间、伽利略时间、北斗时间和 QZSS 时间与参考时间的偏差量，结果如图 1 所示。



图1 基于广播校正的 GNSS－参考时间偏差

基于广播校正的 GNSS－UTC 时间偏差和国际计量局提供的 UTC－UTC( k) 偏差量值如图 2 所示。



图 2 基于广播校正和 BIPM 数据的GNSS－UTC 时间偏差

基于广播校正的 GPST－UTC( USNO) 和 GLONASST－ UTC( SU) 时间偏差以及 USNO 和 STFＲ 测量偏差量分别如图 3 和图 4 所示。



图 3 基于广播校正和 USNO 测量数据的GPST－UTC( USNO) 时间偏差



图 4 基于广播校正和 STFＲ 测量数据的GLONASST－ UTC( SU) 时间偏差

通过对 GNSS 时间与参考时间的偏差量分析可以看出:

1) GPST－UTC( USNO) 时间偏差保持在±10 ns 以内。

2) 除 2017 年 12 月 8—23 日期间外，GLONASST－UTC ( SU) 时间偏差保持在±20 ns 范围内。在 2017 年 12 月 8日至 23 日期间内，GLONASS 广播时间存在约 20 ns 的系统误差。

3) GST－UTC 时间偏差保持在±10 ns 以内。

4) BDT－UTC ( NTSC) 时间偏差保持在±20 ns 以内。

5) QZSST－UTC ( NICT) 时间偏差保持在±20 ns 内。

四、 结束语

GNSS 时间标度是由 GNSS 控制中心或主控站生成的数学或物理标度，只能通过 GNSS 时间与参考时间的广播校正值以及参考时间生成设备测算出的 GNSS 时间与参考时间的偏差值来进行间接分析。

通过对 GNSS 时间与参考时间的偏差量分析可以看出:

1) GPST－UTC( USNO) 时间偏差保持在±10 ns 以内;

2) 除 2017 年 12 月 8—23 日期间外，GLONASST－UTC ( SU) 时间偏差保持在±20 ns 范围内; 在 2017 年 12 月 8— 23 日期间内，GLONASS 广播时间存在约 20 ns 的系统误差;

3) GST－UTC 时间偏差保持在±10 ns 以内;

4) BDT－UTC ( NTSC) 时间偏差保持在±20 ns 以内;

5) QZSST－UTC ( NICT) 时间偏差保持在±20 ns 内。

参考文献:
［1］ 姜卫平，王锴华，李昭，等．GNSS 坐标时间序列分析理论

与方法及展望［J］．武汉大学学报( 信息科学版) ，2018， 43( 12) : 2 112－2 123．

［2］ GIOIA C ，PISONI F ，Fortuny J ． Estimation of the GPS to Galileo time offset and its validation on a mass market re- ceiver［C］/ /Satellite Navigation Technologies ＆ European Workshop on GNSS Signals ＆ Signal Processing．Noordwijk: ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies， 2015．

［3］ 赵学军．GNSS 系统时间及星载钟研究［J］．现代导航， 2018，9( 6) : 399－404．

［4］ 刘志强，岳东杰，王虎，等．顾及码频间偏差的 GPS /GLO- NASS 实时卫星钟差估计［J］．武汉大学学报( 信息科学版) ，2017，42( 9) : 1 209－1 215．

［5］ 张琳，曾子芳． 伽利略卫星导航系统的初步性能评估［J］．中国惯性技术学报，2017，25( 1) : 91－96．

［6］ 杨元喜，李金龙，王爱兵，等．北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评 估［J］． 中 国 科 学: 地 球 科 学， 2014，44( 1) : 72－81．

［7］ 陈向东，郑瑞锋，陈洪卿，等． 北斗授时终端及其检测技术［M］．北京: 电子工业出版社，2016．

［8］ 楼益栋，郑福，龚晓鹏，等．QZSS 系统在中国区域增强服务性能评估与分析［J］．武汉大学学报( 信息科学版) ，2016，41( 3) : 298－303．

来源：测绘与空间地理信息、 卫星与网络



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