Galileo系统时间保持与溯源技术分析

蔺玉亭，谢彦民，张健铤

（1．北京卫星导航中心，北京 100094）

1 Galileo系统的基本结构

Galileo系统由空间段、地面段和用户段3部分组成。

空间段由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星构成，每个轨道面10颗卫星，其中1颗备用。每颗卫星上装载的原子钟为氢钟和铷钟各2台，1台启用1台备用，可自动切换。用户部分主要是各类用户接收机及其扩展应用的集成产品，包括单模接收机、多模兼容GNSS接收机和各类增强型接收机等。

地面段由Galileo控制中心（GCC）、Galileo监测站（GSS）、上行站（TT&C， ULS）和地面网组成。GCC是系统的核心设施，互为备份的2个GCC负责卫星控制、时间同步以及定轨、完好性等数据处理工作[1-3]。

伽利略系统时间（GST）的保持和溯源工作主要由PTF完成。作为系统守时工作的核心，PTF不但承担着GST纸面时间的处理任务，同时也要完成GST(MC)信号的驾驭和生成，为系统内的各个功能单元提供精确同步时频信号。

2 GST的保持系统设计与分析

GST是伽利略系统的基准时间，是一个连续的原子时，初始历元为1999-08-22 00：00：00，与国际原子时（TAI）有一个标称常数偏差（即整数秒），不闰秒。GST的保持主要依靠PTF实现，如图1所示。

PTF的主要功能有[4,5]：①维持在温度、湿度和磁场等环境良好条件下的稳定原子钟组；②测量内部钟组的时差，用于计算GST；③进行GST计算；④根据TSP提供的数据，驾驭GST向TAI靠拢；⑤Galileo和其他系统、实验室、备份PTF之间的外部时间比对，处理得到GGTO和PPTO；⑥GST(MC)信号的频率驾驭与生成；⑦时钟监测和监视。

GST的短期和中期稳定度依靠系统氢钟和铯钟保持。氢钟具有较高的短期频率稳定度，因此GST的短期频率稳定度基本与系统所采用的氢钟相当，秒频率稳定度在10-12～10-13量级。而对于GST的长期频率稳定度尤其是d以上的稳定度则主要取决于综合原子时的计算方法，因为GST是依靠钟组的自身性能和综合原子时计算方法的策略设计实现加权平均。具体来讲，综合原子时的性能与2类因素密切相关：①加权算法：权重如何确定，是否采用限权，氢钟和铯钟的取权如何统筹；②频率预报算法：如何实现成员钟的准确频率预报和频率异常探测，并及时给出降权处理。

从图1中还可看出，系统时间的长期稳定度、频率准确度和时刻偏差的保持与时间溯源能力相关。数据处理中心的计算纸面时还要进行不断的频率驾驭，保持纸面时的长期性能，而驾驭的依据则是GST的溯源时差结果。

3 GST向UTC的溯源

时间溯源，即某一时间尺度以特定标准时间作为源头，通过时间比对、频率驾驭等手段向其保持一致性的行为。协调UTC为目前的国际通用时间尺度，GST向UTC的溯源一方面可提高GST的频率准确度、频率稳定度等性能，同时也是GNSS系统兼容互操作的客观需求。GST的溯源设计指标如表1所示。

表1 GST时间溯源指标要求表

PTF通过与独立于系统外的时间服务供应商（TSP）合作，实现GST与UTC（k）、GPST等其他时间系统的监测与比对以及GST(MC)溯源[6]。TSP与GST之间的关系如图2所示。

TSP的主要功能如下：①获取卫星双向比对、卫星共视比对数据，得到GST与UTC、UTC（k）之间的时差；②对TAI进行预测，给出GST相对于TAI的长期趋势，并对GST相对于TAI的校正量进行计算；③计算GST与GPST之间的时差；④与国际计量局（BIPM）相连接。

TSP将获得来自各个守时实验室（PTB、INRiM、NPL和LNE-SYRTE）的时间比对数据，以及来自PTF的时间比对数据，BIPM定期计算的UTCUTC(k)时差也将以公报的形式向外发布，TSP可从网络下载。综合以上各类数据，TSP计算生成自由时间尺度CTSP，并给出GST向UTC的频率驾驭量值，该量值将传送到PTF进行相应的驾驭操作。

4 GST的发播监测

在PTB、INRiM等实验室内都配备有Galileo定时接收机，TSP每日获取上述实验室的观测时差：UTC(k)-GST(User)[7]。以这些数据为基础，每日计算一次GST-GST(User)时差结果，这一端对端的测试可为Galileo系统时间发播的质量提供独立的监测手段。TSP或UTC(k)实验室会每月向BIPM提供一次UTC(k)-GST(User)观测结果，在将来UTC-GST(User)可通过BIPM的时间公报Circular T向外发布。

[1]程鹏飞，景宾，赵静. 伽利略系统及其地面段的设计[J].海洋测绘，2003，23(4)：49-53

[2]岳冬梅，罗巧梅，李强.伽利略时间系统介绍与分析[C]. 第二届中国卫星导航学术年会，上海，2011

[3]程鹏飞.伽利略卫星导航定位系统最新进展[C]. 地理空间信息技术与应用论文集，成都， 2002

[4]Hahn J H， Achkar J，Tuckey P. Galileo’s Timekeeping Infrastructure: Where Do We Go With The External Time Service Provider[J]. IEEE，2007：452-457

[5]Hlaváč R，Lösch M，Luongo F, et al. Timing Infrastructure for Galileo System[C]. Braunschweig: 20th EFTF， 2006

[6]Baines D， Davis J A，Parkin G，et al. Development of Algorithms for Use in The Galileo Time Service Provider[R].

[7]Busso A，Detoma E. Time Transfer with The Galileo Precise Timing Facility[C]. 39th Annual Precise Time and Time Interval(PTTI) Meeting，2007