GNSS時頻檢測系統(tǒng)時間直接溯源及評定

孫海燕，王豐，馬煦，李齡

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京　100094）

GNSS時頻檢測系統(tǒng)時間直接溯源及評定

孫海燕，王豐，馬煦，李齡

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094）

本文基于直接溯源方法，實(shí)現(xiàn)GNSS時頻檢測系統(tǒng)向GNSS時間基準(zhǔn)溯源，并對時間溯源不確定度評定方法進(jìn)行了理論分析。該方法具有溯源精度高、可行性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?yàn)楸ＷCGNSS時統(tǒng)終端的時頻參數(shù)測量精度提供前提條件。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；時頻檢測；時間溯源

1　引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)日趨成熟，接收GNSS衛(wèi)星信號的終端日益多樣化和批量化。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除定位功能外，授時能力也是其重要的能力，且定位精度依賴于系統(tǒng)定時精度。為了保證接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時統(tǒng)終端輸出準(zhǔn)確可靠的時間和頻率信息，需要建立GNSS高精度時間頻率檢測系統(tǒng)，對終端輸出時間和頻率信號進(jìn)行功能和性能檢測。由于時間頻率是國際計(jì)量局（BIPM）規(guī)定的法定計(jì)量參數(shù)之一，時間頻率檢測系統(tǒng)需要向上級時間頻率源即GNSS時間基準(zhǔn)進(jìn)行溯源，并對溯源的結(jié)果進(jìn)行不確定度評定［1-3］。

傳統(tǒng)的時間頻率計(jì)量主要通過頻率溯源建立溯源鏈路。時間溯源往往通過間接接收衛(wèi)星信號的方法實(shí)現(xiàn)，時間間接溯源方法受環(huán)境條件限制，空間無線信號容易受到電磁干擾，穩(wěn)定性和可靠性低。此外，引入衛(wèi)星接收設(shè)備誤差，精度受限［3-4］。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)建設(shè)，在GNSS時間基準(zhǔn)并址建設(shè)時間頻率檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)時頻檢測系統(tǒng)向時間基準(zhǔn)的直接溯源。直接溯源法通過時頻線纜這種有線方式傳遞標(biāo)準(zhǔn)頻率和脈沖信號，能縮短溯源距離，減少電磁干擾，提高時間和頻率溯源的可靠性和精度。

本文針對GNSS高精度時間頻率檢測系統(tǒng)直接溯源的方法進(jìn)行詳細(xì)探討，論述了系統(tǒng)時間溯源精度即溯源不確定度評定方法。該方法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)溯源操作，溯源不確定度控制在納秒量級。

2　時頻檢測系統(tǒng)直接溯源方法

2.1GNSS時頻檢測系統(tǒng)工作原理

為了測試接收GNSS衛(wèi)星信號的時統(tǒng)終端輸出定時信息與GNSS時間基準(zhǔn)的定時偏差，需要建立GNSS高精度時頻檢測系統(tǒng)，且該系統(tǒng)必須向GNSS時間基準(zhǔn)直接溯源，即系統(tǒng)時頻信號線纜通過有線的方式與GNSS時間基準(zhǔn)設(shè)備直接連接，以保證溯源不確定度達(dá)到納秒量級。如圖1所示。

圖1　GNSS高精度時頻檢測系統(tǒng)溯源圖

GNSS時間基準(zhǔn)由多臺氫原子鐘和銫原子鐘組成的原子鐘組和配套時頻設(shè)備組成。原子鐘組產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間為UTC（k），即GNSS時間基準(zhǔn)，k表示建立和保持標(biāo)準(zhǔn)時間的守時實(shí)驗(yàn)室。配套時頻設(shè)備包括相位微調(diào)器、分頻鐘、秒信號分配器等組成。秒信號分配器輸出1分多路的標(biāo)準(zhǔn)1pps脈沖信號，其中1路1pps信號輸出至GNSS時頻檢測系統(tǒng)。

GNSS時頻檢測系統(tǒng)由信號源輸入設(shè)備、時頻信號測量設(shè)備和測試數(shù)據(jù)處理設(shè)備等組成。完成對接收GNSS衛(wèi)星信號的時統(tǒng)終端輸出的時間和頻率信號進(jìn)行檢測。檢測指標(biāo)包括：與GNSS標(biāo)準(zhǔn)時間源的定時偏差、輸出網(wǎng)絡(luò)信號授時精度、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、相位噪聲等。其中，采用時差法時，可以通過測量定時偏差計(jì)算求得頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度。因此，GNSS時統(tǒng)終端輸出的標(biāo)準(zhǔn)1pps脈沖信號與GNSS標(biāo)準(zhǔn)時間源的定時偏差是核心測量指標(biāo)，并代表了GNSS時頻檢測系統(tǒng)的核心檢測能力。為了準(zhǔn)確測量時統(tǒng)終端的定時偏差，需要GNSS時頻檢測系統(tǒng)向GNSS時間基準(zhǔn)溯源，時間溯源精度水平直接影響定時偏差的測量精度。

GNSS時頻檢測系統(tǒng)時間溯源的原理是將GNSS時間基準(zhǔn)的秒信號分配器1輸出的標(biāo)準(zhǔn)1pps脈沖信號輸入至GNSS時頻檢測系統(tǒng)的秒信號分配器2，再由秒信號分配器2設(shè)備1分多路1pps脈沖信號輸入至多個時頻測量設(shè)備，作為標(biāo)準(zhǔn)時間參考輸入信號。時頻測量設(shè)備能夠測量出GNSS時統(tǒng)終端輸出的1pps秒脈沖信號與標(biāo)準(zhǔn)時間參考1pps信號的偏差，即時統(tǒng)終端輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（k）的定時偏差。作為該過程的逆過程，就實(shí)現(xiàn)了時頻測量設(shè)備輸入的標(biāo)準(zhǔn)時間參考1pps信號向GNSS時間基準(zhǔn)保持的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（k）溯源，且溯源精度越高越好。溯源過程會產(chǎn)生時間延遲，因此需要精確測定該時間延遲，以保證時頻測量設(shè)備輸入的1pps秒脈沖信號在扣除溯源時延后最大限度地接近于標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（k）輸出的標(biāo)準(zhǔn)1pps秒脈沖信號。

GNSS時頻檢測系統(tǒng)向GNSS時間基準(zhǔn)溯源的信號鏈路如圖2所示。

圖2　時間檢測系統(tǒng)時間源信號鏈路圖

GNSS時間基準(zhǔn)的原子鐘組建立和保持的標(biāo)準(zhǔn)時間為UTC（k）。原子鐘組輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，通過分頻鐘后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)1pps秒脈沖信號，并由秒信號分配器1設(shè)備1分多路后輸出。秒信號分配器1輸出點(diǎn)（A點(diǎn)）的時間為UTC（k）+R1，R1為秒信號分配器1輸出點(diǎn)（A點(diǎn)）的時間延遲，并認(rèn)為R1為已知的精確標(biāo)定值。A點(diǎn)輸出的1pps信號輸入至秒信號分配器2，由秒信號分配器2設(shè)備1分多路后輸出多路1pps信號。即GNSS時頻檢測系統(tǒng)的時頻測量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入信號。在秒信號分配器2的輸出點(diǎn)（B點(diǎn)）標(biāo)注時間為UTC（k）+R2，R2為秒信號分配器2輸出點(diǎn)（B點(diǎn)）的時間延遲。因此，R2為GNSS時頻檢測系統(tǒng)參考信號與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（k）的偏差，即需要精確標(biāo)定的溯源值。

2.2系統(tǒng)時間直接溯源方法

GNSS時頻檢測系統(tǒng)直接溯源的時延精確標(biāo)定方法如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)時間直接溯源方法原理圖

時頻檢測系統(tǒng)向GNSS時間基準(zhǔn)溯源引入的時間延遲由秒信號分配器1和分配器2中間的連接線纜時延D1和秒分2設(shè)備時延DS組成，即

因此，

式中，R1為已知值；D1和DS是待測定值。因此，GNSS時頻檢測系統(tǒng)直接溯源時延標(biāo)定采用分段標(biāo)定、整體合成的方法。先分別標(biāo)定時頻線纜時延D1和秒分2設(shè)備時延Ds，然后再按公式（1）合成計(jì)算后得到溯源值R2。

2.3系統(tǒng)時間直接溯源步驟

2.3.1信號線纜時延標(biāo)定

由于秒信號分配器1的輸出時頻線纜D1已埋入時頻檢測系統(tǒng)機(jī)房地下，固定不動。不能采用計(jì)數(shù)器對線纜D1直接標(biāo)定時延的方法，因此采用與已知時延的線纜D3比對測量的方法進(jìn)行時延標(biāo)定。測量連接如圖4所示。

圖4　D1線纜時延測量圖

秒信號分配器1輸出的1pps信號經(jīng)由線纜D1末端接入時間間隔計(jì)數(shù)器作為開門信號，并從分配器1另接出一路1pps信號經(jīng)由線纜D3接入時間間隔計(jì)數(shù)器作為關(guān)門信號。時間間隔計(jì)數(shù)器測量值為y1。因此，y1=D3-D1，推導(dǎo)得到：

由于時間間隔計(jì)數(shù)器的測量不確定度約為0.1ns，D1線纜和D3線纜的時延差值應(yīng)在0.1ns以上。因此，需選擇與D1線纜長度不一致的D3線纜進(jìn)行測量標(biāo)定。

2.3.2設(shè)備時延標(biāo)定

秒信號分配器2的設(shè)備時延標(biāo)定如圖5所示。

圖5　秒信號分配器設(shè)備時延測試圖

在時間間隔計(jì)數(shù)器的輸入端C點(diǎn)，即時頻線纜D1的末端連接一個三通器件，三通同時連接線纜D4。秒信號分配器2的輸出信號通過線纜D5輸出至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器。采用D5輸入為計(jì)數(shù)器關(guān)門信號，D1輸入為計(jì)數(shù)器開門信號，設(shè)時間間隔計(jì)數(shù)器測量值為y2。三通引入時延Dt約為0.1ns，則

推導(dǎo)得到：

式中，線纜D4和D5可以采用計(jì)數(shù)器對線纜直接標(biāo)定時延的方法得到。

2.3.3 設(shè)備輸出端口時延標(biāo)定

如圖3所示，秒信號分配器2端口輸出的1pps信號與標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（k）的定時偏差為R2。R1為已知值，根據(jù)上述步驟精確標(biāo)定D1和DS后，根據(jù)公式（1），可以計(jì)算得到R2。

2.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

為了用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算得到的R2的正確性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖3所示。秒信號分配器2輸出信號通過線纜D2輸入至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器作為關(guān)門信號。從秒信號分配器1輸出信號通過線纜D3輸入至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器作為開門信號。將時間間隔計(jì)數(shù)器的采樣頻率設(shè)置為1s，測量次數(shù)為n次，時間間隔計(jì)數(shù)器測量值為y3i，（i=1，2，…n）。將采集數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，，則

推導(dǎo)得到

式中，線纜D2和D3可以采用計(jì)數(shù)器對線纜直接標(biāo)定時延的方法得到。

通過該實(shí)驗(yàn)得到的R2可以作為公式（1）的驗(yàn)證方法，驗(yàn)證理論計(jì)算R2的正確性。

3　系統(tǒng)時間直接溯源不確定度分析

通過詳細(xì)分析［5］，GNSS時頻檢測系統(tǒng)時間直接溯源方法的不確定度分量如下：

（1）測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量uA，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果取n次測量（每次測量數(shù)據(jù)R2i（i=1，2，…n）取3次測量結(jié)果的平均值）算術(shù)平均值為

則實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

測量重復(fù)性引入的A類不確定度為

（2）時間基準(zhǔn)作為參考源引入的不確定度分量為uB1（取樣時間為1s），即R1引入的不確度分量為uB1。

（3）時間間隔計(jì)數(shù)器作為測量儀器引入的不確定度為uB2。

（4）環(huán)境條件變化引起的不確定度uB3，可以忽略不計(jì)。

（5）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC（取樣時間為1s）：

（6）擴(kuò)展不確定度U（取樣時間為1s）：

通常，k=3。

4　結(jié)束語

本文對GNSS時頻檢測系統(tǒng)向GNSS時間基準(zhǔn)直接溯源的方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，探討了系統(tǒng)時間直接溯源的必要性和可行性，并對系統(tǒng)時間直接溯源方法的詳細(xì)時延標(biāo)定步驟進(jìn)行了論述，給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。最后，對該溯源方法的不確定度進(jìn)行了分析評定。依據(jù)該方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多次對時頻檢測系統(tǒng)進(jìn)行溯源標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足溯源要求，說明對該方法的分析論證是合理可行的。時頻檢測系統(tǒng)的直接溯源方法提高了系統(tǒng)時間溯源的可靠性和精度，并為GNSS時統(tǒng)終端的時間頻率參數(shù)精確測量提供了前提保障。

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Time Traceability Directly and Evaluating of GNSS Time & Frequency Measurement System

Sun Haiyan，Wang Feng，Ma Xu，Li Ling
（Beijing satellite navigation center，Beijing，100094）

It has been discussed this paper that the time of time & frequency measurement system is traceable directly to Global Navigation Satellite Systems （GNSS） time standard. The uncertainty evaluating method of time traceability has been analyzed in theory. This way can guarantee the measuring level of GNSS time & frequency terminals with high precision and feasibility.

Global Navigation Satellite Systems （GNSS）； time & frequency measuring； time traceability

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.004

TN96

A

1672-7274（2015）04-0016-04