GNSS授时与时间同步在基础设施行业的应用

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30567

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GNSS授时与时间同步在基础设施行业的应用

许龙霞¹^,²(), 刘娅¹^,², 李孝辉¹^,²

^1.中国科学院国家授时中心，西安 710600
^2.中国科学院时间基准及应用重点实验室，西安 710600

收稿日期:2024-04-22 修回日期:2024-06-01 接受日期:2024-06-16 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-06-25
通讯作者: 许龙霞 E-mail:xulongxia@ntsc.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12073033);中国科学院西部之光西部交叉团队(xbzg-zdsys-202308)

Applications of GNSS timing and time synchronization in infrastructures

Longxia XU¹^,²(), Ya LIU¹^,², Xiaohui LI¹^,²

^1.National Time Service Centre，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 710600，China
^2.Key Laboratory of Time Reference and Applications，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 710600，China

Received:2024-04-22 Revised:2024-06-01 Accepted:2024-06-16 Online:2024-12-25 Published:2024-06-25
Contact: Longxia XU E-mail:xulongxia@ntsc.ac.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12073033);Light of the West-West Cross Team of Chinese Academy of Sciences(xbzg-zdsys-202308)

摘要/Abstract

摘要：

准确可靠的时间是关键基础设施的重要组成部分。随着卫星导航系统的建成和广泛应用，越来越多的关键基础设施行业将GNSS作为获取时间的主要来源。美国国土安全部确定的16个关键行业中，通信、移动电话、电力、金融等11个行业均依赖精准的授时与时间同步技术。在综合研读国内外大量文献的基础上，本文分析了GNSS授时与时间同步在金融、电力、5G以及航空航天系统等重要关键基础设施的应用现状。首先，归纳了各关键基础设施行业常用的时间频率参数的含义，结合各关键基础设施行业的不同应用场景及相关行业标准，梳理了其对时间、时间同步性能的量化指标要求。其次，分析了GNSS授时与时间同步在各个关键基础设施中的应用方式，总结得出基于GNSS的分布式时间同步网络的典型架构。接着，介绍了目前各关键基础设施行业广泛使用的2类GNSS授时与时间同步终端。最后，对授时与时间同步技术发展趋势进行了展望。卫星导航系统作为一个国家的重要基础设施，其提供的GNSS授时与时间同步服务支撑了各行各业的运行，具有举足轻重的地位。考虑到卫星导航系统固有的脆弱性，以及目前各行各业对GNSS的依赖，势必成为威胁国家安全的重要隐患，因此在下一代导航定位授时体系建设中，不仅要提高GNSS的安全性与可靠性，还要发展不依赖于GNSS的授时与时间同步技术。

关键词: GNSS, 授时, 时间同步, 航天测控, 基础设施

Abstract:

Accurate and reliable timing is an important component of critical infrastructures. With the development and widespread application of satellite navigation systems， an increasing number of key infrastructures are using GNSS as the main source to access time. The US Department of Homeland Security issued that among the 16 key industries， 11 industries such as communication， mobile phones， electricity， and finance rely on precise timing and time synchronization. Based on a comprehensive study of a large number of literature， this article analyzes the current application status of GNSS timing and time synchronization in important infrastructures such as finance， power， 5G and aeronautics & astronautics. Firstly， the meanings of commonly used time and frequency parameters in various key infrastructures are summarized， and the quantitative requirements for time and time synchronization performance are sorted out based on different application scenarios and relevant standards of key infrastructures. Secondly， the application ways of GNSS timing and time synchronization in different key infrastructures are analyzed， and a typical architecture of a distributed time synchronization network based on GNSS is obtained. Then， two types of GNSS timing and time synchronization terminals widely used in various key infrastructures are introduced. Finally， the future development trends of timing and time synchronization technologies are discussed. As an important infrastructure of a country， satellite navigation systems play a crucial role in providing GNSS timing and time synchronization services to support the operation of various infrastructures. Considering the inherent fragility of satellite navigation systems and the dependence of various infrastructures on GNSS， it is bound to be an important threat to national security. Therefore， it is not only necessary to improve the safety and reliability of GNSS， but also to develop the timing and synchronization technology that does not rely on GNSS in the construction of the next generation navigation positioning and timing system.

Key words: GNSS, timing, time synchronization, aerospace TT&C, infrastructure

中图分类号:

V556.1

许龙霞, 刘娅, 李孝辉. GNSS授时与时间同步在基础设施行业的应用[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730567.

Longxia XU, Ya LIU, Xiaohui LI. Applications of GNSS timing and time synchronization in infrastructures[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(S1): 730567.

图/表 4

表1

表2

表3

图1

参考文献 46

1	Presidential Policy Directive 21/PPD-21［EB/OL］.2013. .
2	BANERJEE P. Timing in GNSS-ts importance and challenges［C］∥2015 International Conference on Microwave and Photonics （ICMAP）. Piscataway： IEEE Press， 2015： 1-2.
3	HENG L， GAO G X， WALTER T， et al. GPS signal-in-space anomalies in the last decade［C］∥Proceedings of the 2010 International Technical Meeting of The Institute of Navigation （ION GNSS+ 2010）， 2010： 3115-3122.
4	EUSPA User Consultation Platform. Report on time & synchronization user needs and requirements： DE19922601A1［R］. 2021.
5	Government Office for Science. Satellite-derived time and position： A study of critical dependencies［R］. 2018.
6	National timing centre programme—Resilient time for the future［EB/OL］. .
7	OCONNOR A C， GALLAHER M P， CLARK-SUTTON K. Economic benefits of the global positioning system（GPS）： 0215471［R］. RTI International， 2019.
8	LOMBARDI M A. An evaluation of dependencies of critical infrastructure timing systems on the global positioning system （GPS）： TN 2189 ［S］. Gaithersburg： National Institute of Standards and Technology （NIST），2021.
9	XU L X， ZHU F， LI X H. Analysis and suggestions on the resilience of GNSS timing［M］∥Lecture Notes in Electrical Engineering. Singapore： Springer， 2021： 656-665.
10	许龙霞，任烨，何雷，等. EGNSS授时服务安全性发展综述［J］. 时间频率学报， 2021， 44（2）： 102-112.
	XU L X， REN Y， HE L， et al. Review of safety analysis of EGNSS time service［J］. Journal of Time and Frequency， 2021， 44（2）： 102-112 （in Chinese）.
11	李孝辉. 时间频率信号的精密测量［M］. 北京：科学出版社， 2010.
	LI X H. Precise measurement of time-frequency signal［M］. Beijing： Science Press， 2010 （in Chinese）.
12	ASSOCIATION J S. International vocabulary of metrology -basic and general concepts and associated terms［J］. Chemistry International， 2008， 30（6）： 1-23.
13	TP-GSTR-GNSS considerations on the use of GNSS as a primary time reference in telecommunications ［S］. Piscataway： IEEE Press， 2020.
14	RILEY W. Handbook of frequency stability analysis［EB/OL］. 2008. .
15	METROLOGY T. IEEE standard definitions of physical quantities for fundamental frequency and time metrology： 1139-1988 ［S］. Piscataway： IEEE Press， 1989.
16	Report pursuant to section 21（a） of the securities exchange act of 1934 regarding the NASD and the NASDAQ market［EB/OL］. 1996. .
17	United States Securities and Exchange Commission. Joint industry plan： Order approving the national market system plan governing the consolidated audit： 34-97193［R］. 2023.
18	Union European. Commission Delegated Regulation （EU） 2017/574 of 7 June 2016 supplementing Directive 2014/65/EU of the European Parliament and of the Council with regard to regulatory technical standards for the level of accuracy of business clocks［J］. Official Journal of the European Union， 2017： 148-151.
19	Australian Securities & Investments Commission. Financial markets： Domestic and overseas operators［EB/OL］. 2022. .
20	Investment Industry Regulatory Organization of Canada （IIROC）. Guidance on time synchronization［EB/OL］. 2016. .
21	LOMBARDI M A. Synchronizing stock market clocks to UTC（NIST）［C］∥2020 XXXIIIrd general assembly and scientific symposium of the international union of radio science. Piscataway： IEEE Press， 2020： 1-4.
22	Timing challenges in the smart grid［EB/OL］. 2017. .
23	JONES T， SILVERSTEIN A， ACHANTA S， et al. Time synchronization in the electric power system： NASPI-2017-TR-001［R］. NASPI Time Synchronization Task Force. 2017.
24	North American Electric Reliability Corporation. Disturbance monitoring equipment installation and data recording： NERC Standard PRC-018-1 ［S］. 2006.
25	IEEE standard for synchrophasor measurements for power systems： C37.118.1-2011 ［S］. Piscataway： IEEE Press， 2011.
26	量度继电器和保护装置第118部分：电力系统同步相量测量：［S］. 北京：中国标准出版社， 2021.
	Measuring relays and protection equipment Part 118： Synchrophasor for power systems measurements：［S］. Beijing： Standard Press of China， 2021.
27	5G-NR-Physical layer procedures for control： ETSI TS 138213 V 15.14.0，3GPP TS 38.213 Version 15 ［S］. 2021.
28	MAHMOOD A， ASHRAF M I， GIDLUND M， et al. Time synchronization in 5G wireless edge： Requirements and solutions for critical-MTC［J］. IEEE Communications Magazine， 2019， 57（12）： 45-51.
29	吴学颖，张迪，张吉先，等. 集群编队条件下通导一体高精度时间同步方法［J］. 导航定位与授时， 2023， 10（3）： 72-79.
	WU X Y， ZHANG D， ZHANG J X， et al. A high precision time synchronization method for integrated navigation under the condition of cluster formation［J］. Navigation Positioning and Timing， 2023， 10（3）： 72-79 （in Chinese）.
30	段求辉. 航电系统高精度时间同步方案［J］. 电讯技术， 2014， 54（6）： 830-834.
	DUAN Q H. A high precision time synchronization scheme for avionics system［J］. Telecommunication Engineering， 2014， 54（6）： 830-834 （in Chinese）.
31	于志坚. 我国航天测控系统的现状与发展［J］. 中国工程科学， 2006， 8（10）： 42-46.
	YU Z J. Status and development of spaceflight TT & C systems［J］. Strategic Study of CAE， 2006， 8（10）： 42-46 （in Chinese）.
32	杨安洪，卜鲍强，姜忠武. 双模授时技术在航天测控设备中的应用［J］. 导航定位学报， 2015， 3（1）： 88-91.
	YANG A H， BU B Q， JIANG Z W. Application of dual-mode timing technology in aerospace TT & C equipment［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2015， 3（1）： 88-91 （in Chinese）.
33	刘娅，李孝辉，赵志雄，等. 基于北斗卫星的纳秒级全球授时系统［J］. 导航定位与授时， 2022， 9（3）： 14-22.
	LIU Y， LI X H， ZHAO Z X， et al. Nanoseconds deviation timing service system for global users based on BDS［J］. Navigation Positioning and Timing， 2022， 9（3）： 14-22 （in Chinese）.
34	武美芳，孙保琪，杨旭海，等. 基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统［J］. 导航定位与授时， 2021， 8（5）： 111-117.
	WU M F， SUN B Q， YANG X H， et al. National time standard precise time service system based on iGMAS［J］. Navigation Positioning and Timing， 2021， 8（5）： 111-117 （in Chinese）.
35	杨旭海，李孝辉，华宇，等. 卫星授时与时间传递技术进展［J］. 导航定位与授时， 2021， 8（4）： 1-10.
	YANG X H， LI X H， HUA Y， et al. Technical progress of satellite time service and time transfer［J］. Navigation Positioning and Timing， 2021， 8（4）： 1-10 （in Chinese）.
36	邹润，刘阳，臧晴，等. 国外天基空间目标监视系统发展综述［J］. 航天器工程， 2023， 32（5）： 110-118.
	ZOU R， LIU Y， ZANG Q， et al. Overview of development of foreign space-based space target surveillance system［J］. Spacecraft Engineering， 2023， 32（5）： 110-118 （in Chinese）.
37	侯鹏荣，王哲龙，武强，等. 空间环境态势感知技术研究进展［J］. 空间碎片研究， 2023， 23（4）： 11-21.
	HOU P R， WANG ZH R， WU Q. A progress of situation awareness technology in space environments［J］. Space Debris Research， 2023， 23（4）： 11-21 （in Chinese）.
38	高欣，赵志远，银鸿，等. 空间目标态势感知及多源数据融合技术发展与应用［J］. 真空与低温， 2023， 29（6）： 543-554.
	GAO X， ZHAO Z Y， YIN H， et al. Development and application of space target situation awareness and multi-source data fusion［J］. Vacuum and Cryogenics， 2023， 29（6）： 543-554 （in Chinese）.
39	LOMBARDI M A. Evaluating the frequency and time uncertainty of GPS disciplined oscillators and clocks［J］. NCSLI Measure， 2016， 11（3-4）： 30-44.
40	PIESTER D， BAUCH A， POLEWKA T， et al. Disciplined oscillators for traceable frequency and time in metrology and financial sectors［J］. Navigation， 2019， 66（3）： 661-672.
41	LOMBARDI M A， NOVICK A. The NIST time measurement and analysis service［C］∥2006 NCSLI Conference， 2006.
42	DAVIS J A， STEVENS M， WHIBBERLEY P B， et al. Commissioning and validation of a GPS common-view time transfer service at NPL［C］∥IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum. Piscataway： IEEE Press， 2003： 1025-1031.
43	刘娅，陈瑞琼，赵志雄，等. UTC（NTSC）远程高精度复现方法研究及工程实现［J］. 时间频率学报， 2016， 39（3）： 178-192.
	LIU Y， CHEN R Q， ZHAO Z X， et al. Research on high precision method for remotely reproducing UTC（NTSC） and its realization［J］. Journal of time and frequency， 2016， 39（3）： 178-192 （in Chinese）.
44	陈瑞琼，刘娅，李孝辉. 一种基于高精度国家标准时间远程复现方法［J］. 武汉大学学报， 2018， 43（2）： 188-192.
	CHEN R Q， LIU Y， LI X H. A method of national standard time high precision remote reproduction［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2018， 43（2）： 188-192 （in Chinese）.
45	梁坤，方维，顾杨义，等. 远程时间传递与溯源方法，装置及体系［J］.计量科学与技术， 2021， 65（4）： 3-13.
	LIANG K， FANG W， GU Y Y， et al. Remote time transfer and traceability method， device and system［J］.Metrology Science and Technology， 2021， 65（4）： 3-13 （in Chinese）.
46	施闯，郑福，楼益栋，等. 北斗高精度时频服务理论方法与应用［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2023， 48（7）： 1010-1018.
	SHI C， ZHENG F， LOU Y D， et al. BDS high-precision time and frequency service theorical method and application［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2023， 48（7）： 1010-1018 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

区域	参考钟	时间准确度与分辨率要求
区域	参考钟	交易类型	准确度	分辨率
美国	UTC（NIST）	自动交易	50 ms	1 ms
美国	UTC（NIST）	手动交易	1 s	1 s
欧洲	参与UTC的任一时间尺度	手动交易	1 s	1 s
		高频交易	100 μs	1 μs
		其它类型交易	1 ms	1 ms
澳大利亚	UTC（AUS）^*	所有交易	20 ms
加拿大	UTC（NRC）^**或参与UTC的任一时间尺度	自动交易	50 ms
加拿大	UTC（NRC）^**或参与UTC的任一时间尺度	手动交易	1 ms

电力应用	相对UTC的时间同步要求
事件顺序记录器	50 μs~2 ms
数字故障记录器	50 μs~2 ms
继电器保护	优于1~2 ms
相位测量单元	2.6 μs，1 μs分辨率
行波故障检测	100 ns

基站类型	协同增强类型	时间同步偏差最低要求
BS type1-O BS type1-C BS type1-H	MIMO^***发射分集	65 ns
	带内连续载波聚合	260 ns
	带内非连续载波聚合	3 μs
	带间载波聚合	3 μs
BS type2-O	MIMO发射分集	65 ns
	带内连续载波聚合	130 ns
	带内非连续载波聚合	260 ns
	带间载波聚合	3 μs

[1]	徐兵兵, 韩凯, 董日昌, 龚文斌, 任前义. 面向下一代GNSS的高速激光骨干节点部署方法[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 331124-331124.
[2]	施闯, 王智新, 张昊, 李团, 王志鹏. 基于抗差方差分量估计的多系统GNSS定位因子图优化算法[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531623-531623.
[3]	宋远, 李锐, 黄智刚. RTK完好性指标分配方法[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 331655-331655.
[4]	丁纪昕, 白雪, 姜军, 孟德闯, 王盛玺, 秦嘉豪, 周游, 赵磊, 徐明. 航天测运指控系统关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 31529-031529.
[5]	南子寒, 刘大禹, 董明, 梁文宁, 赵雪薇, 马伊琳, 关瑶. GNSS拒止下多源自主导航鲁棒滤波方法[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730782-730782.
[6]	李家祥, 程建华, 李亮, 那志博, 贾春. GBAS对流层异常完好性监测参数研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328817-328817.
[7]	苏继东, 徐伟琳, 翟盛华, 王伟, 何亚婷. 航天器自组网技术实践与展望[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529912-529912.
[8]	周泽波, 张泽亮, 彭鑫, 李滚, 陶洋, 王亮权, 罗鑫. 基于记忆融合模式的多无人机分散式协同导航方法[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628440-628440.
[9]	郎燕, 梁鹤, 袁利, 张锦江, 郭朝礼, 张国琪, 尹涛. 航天器太阳翼在轨挠性振动测量中的无依托敏感技术[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327644-327644.
[10]	刘士明, 李四海, 郑江涛, 付强文, 陶渊博. 基于预滤波器和两级AIME的GNSS/INS超紧组合慢变故障检测[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 325168-325168.
[11]	王峰, 杨东凯, 张国栋, 张波. 机载导航卫星反射信号海面高度测量[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 324852-324852.
[12]	何华锋, 王依繁, 何耀民, 苏敬, 韩晓斐. 导弹武器系统时间同步网的综合性能评估方法[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 324564-324564.
[13]	许睿, 岳帅, 唐瑞琪, 曾庆化, 刘建业. 欺骗环境下GNSS信号估计与定位修正技术[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 323930-323930.
[14]	于雪晖, 王盾, 李周, 赵鸿娟. 双向比对高精度物理时间同步方法[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 322507-322507.
[15]	喻思琪, 张小红, 郭斐, 李昕, 潘林, 马福建. 卫星导航进近技术进展[J]. 航空学报, 2019, 40(3): 22200-022200.

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