本地標準時間頻率的產生與保持

楊 帆 楊 軍,2 張 然

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.計量與校準技術重點實驗室，北京 100039)

1 引 言

隨著科技的發展，國防領域對時間頻率的要求越來越高，為了滿足各部門的使用需求，地方協調時UTC(BIRM)的性能也隨之不斷提升。本文對原有的UTC(BIRM)守時系統進行升級，對原子時算法、頻率駕馭控制算法、主備同步技術、GNSS遠程時間比對數據處理算法等方面進行了深入研究，使得UTC(BIRM)相對協調世界時UTC的頻率偏差和時間偏差逐步減小。系統升級后持續穩定運行，UTC(BIRM)與UTC的時差保持在±20ns以內，優于國際電聯要求的各守時實驗室所保持的地方協調時UTC(k)與UTC的偏差控制在±100ns以內的要求[1]。UTC(BIRM)與UTC的相對頻率偏差優于3E-14，較之前的5E-13提高了一個多數量級。本文對當前BIRM守時系統的組成、守時算法、UTC(BIRM)的駕馭控制算法，以及UTC(BIRM)保持情況等進行簡要介紹。

2 BIRM守時系統組成與工作原理

BIRM的守時系統主要由守時鐘組、內部時間比對單元、外部時間比對單元、UTC(BIRM)控制單元、UTC(BIRM)信號分配單元，以及守時算法單元6部分組成，如圖1所示。

圖1 BIRM守時系統框圖Fig.1 Time-keeping system of BIRM

守時鐘組是守時系統的核心，負責輸出原始脈沖信號和頻率信號，為系統提供頻率源。內部時間比對單元和外部時間比對單元分別實時采集本地原子鐘和遠程站的時差數據，兩種時差數據經過預處理之后參與原子時計算后得到本地綜合原子時TA(BIRM)。UTC(BIRM)控制單元以TA(BIRM)為參考，對主鐘信號進行駕馭控制，得到本地時間頻率標準UTC(BIRM)；為了提供守時系統的可靠性，UTC(BIRM)控制單元進行了主備同步設計，使得主備路的1PPS信號和5MHz頻率信號時刻保持同步。UTC(BIRM)信號分配單元負責將本地標準信號分配為多路，供其他系統或用戶使用。

3 關鍵技術

3.1 時間比對和數據處理技術

時間比對包含鐘組內部時間比對和遠程時間比對。

3.1.1 內部時間比對

在鐘組內部，利用程控開關+計數器的方式循環采集主鐘信號UTC(BIRM)與各原子鐘的時差，采集周期為1h，為原子時計算提供原始時差數據。眾多周知，由于受到環境、人為等因素影響，原始鐘差數據存在跳頻、跳相等異常情況，在進行原子時計算之前需要進行數據預處理。本文結合中位數探測法，提出了一種精準高效的異常鐘差探測與修正算法，可準確定位鐘差數據的異常位置、分析異常類型并修正[2]。

中位數探測法表達式如下

(1)

式中：m——序列{yi}的中位數，當觀測量|yi|>(m+n×MAD)時(n為正整數，針對不同原子鐘，n的取值不同)，認為其為異常值，進行修正。

修正算法包括相位補償法、線性插值法、最小二乘擬合法、雙向最小二乘組合法，根據異常值類型的不同，選用的修正算法也不同。以2017年10月31日11點至2017年11月4日23點，2號鐘(Clock2)與主鐘之間的鐘差實測值為例，修正效果如圖2所示。

圖2 時差數據修正結果曲線圖Fig.2 Correction result of the time difference data

內部時間比對的所有原始鐘差數據全部上報給國際計量局BIPM，參與國際原子時歸算。預處理后的鐘差數據用于本地綜合原子時TA(BIRM)的計算。

3.1.2 外部時間比對

外部時間比對主要是采用GNSS共視與GNSS載波相位時間傳遞兩種方式將本地時間UTC(BIRM)溯源至UTC。

BIRM的外部時間比對由兩臺熱備份的多通道時間傳遞接收機完成。為了減小遠程比對不確定度，利用國際計量局(BIPM)的旅行接收機采用相對校準法對BIRM與BIPM之間的遠程時間比對鏈路進行了校準[3,4]，將遠程時間傳遞不確定度由20ns減小到3ns。相對校準法如圖3所示。

圖3 相對校準法框圖Fig.3 Relative calibration

GNSS共視與GNSS載波相位時間傳遞產生的數據文件每天定時自動上傳至BIPM的FTP，參與協調世界時UTC和快速協調世界時UTCr比對；同時，本地定時下載BIPM公布的T公報和快速T公報，根據UTC與UTC(BIRM)的偏差及時對本地鐘速進行調整。

3.2 原子時算法技術

當前，UTC(BIRM)守時系統共有6臺原子鐘，主鐘和備份主鐘分別選用1臺主動型氫原子鐘[5]。BIRM的綜合時間尺度TA(BIRM)是利用6臺原子鐘與主鐘的時差數據綜合產生，對本地原子時算法，本文做了大量研究與試驗。

原子時算法的目的是利用統計學方法，充分發揮鐘組中每臺鐘的優勢，使得產生的綜合時間尺度的穩定度大大高于單臺鐘的穩定度，可見原子時算法在守時系統中處于舉足輕重的位置[6]。鐘組、原子時算法和綜合時間尺度的關系如圖4所示。

圖4 鐘組、原子時算法和綜合時間尺度的關系框圖Fig.4 Relation among clock group,atomic time algorithm and time scale

國際上使用最多的原子時算法及經典加權平均算法，其算法為[7]

(2)

本文以經典加權平均算法為指導，建立了兩套時間尺度算法體系，分別為實時時間尺度算法和滯后時間尺度算法。實時時間尺度算法每小時計算一次，用于實時調整UTC(BIRM)；滯后時間尺度算法分別每周計算一次和每月計算一次，利用快速T公報和T公報的時差值對算法中的鐘速進行調整。

3.3 UTC(BIRM)駕馭技術

UTC(BIRM)是守時系統最終輸出的時間頻率標準信號，由1臺相位微調儀對主鐘的5MHz頻率信號調整后產生。UTC(BIRM)駕馭子系統結構如圖5所示。

圖5 UTC(BIRM)駕馭子系統結構圖Fig.5 The Structure of UTC(BIRM) Steering System

原子時算法獲得紙面的綜合時間尺度TA(BIRM)，利用TA(BIRM)對UTC(BIRM)的頻率信號實時控制，使得UTC(BIRM)跟蹤于TA(BIRM)。UTC(BIRM)的控制過程主要分為三個階段：數據積累階段、粗調階段和微調階段[8]。

第一階段：數據積累。新系統運行初始階段，需要積累數據，用于分析主鐘特性。在這一過程中不對相位微調儀進行任何控制操作。第二階段：粗調。待數據積累一個月后，根據UTC(BIRM)與TA(BIRM)之間的時差計算主鐘的相位調整量和頻率調整量，并將其通過串口送入主鐘的相位微躍計完成粗調。經過粗調，UTC(BIRM)與TA(BIRM)的時差可調至納秒量級，相對頻率偏差可調至E-14量級。第三階段：微調。粗調完成后，為了保證相位連續性，不再對主鐘相位進行調整，而是實時監測UTC(BIRM)與TA(BIRM)之間的時差并計算相對頻率偏差，根據運行情況判斷是否需要進行微調。在微調階段，頻率調整量一般在E-15量級。

3.4 主備同步技術

為了保證UTC(BIRM)的持續穩定可靠運行，本文進行了主備同步設計。主備同步調整過程分為兩個階段：初始脈沖同步和微調頻率同步[9]。

第一階段：初始脈沖同步。利用相位微調器的PPS同步功能，將主備鐘輸出的脈沖信號同步到一個較小的范圍內(該范圍由相位微調器決定)，實現主備信號的粗同步。第二階段：微調頻率同步。設置時間間隔計數器的采樣周期為1s，利用計數器實時采集主備鐘差，根據該時差實時計算備份鐘相對于主鐘的相對頻率偏差和相位偏差。若偏差超出閾值，則計算備份鐘的頻率調整量，并利用相位微調器對備份鐘的頻率進行駕馭；若偏差在允許范圍以內，則不采取任何動作，待倒計時進入本次調整時刻，則利用本調整周期內的主備鐘差計算備份鐘的頻率調整量，并對備鐘進行駕馭。至此，一個調整周期結束，進入下一個調整周期，重復以上采集、計算與調整操作。

通過主備同步技術，可使兩路信號的時差時刻保持在1ns以內，相對頻率偏差保持在E-15量級。如圖6所示。

圖6 主備同步結果示意圖Fig.6 Consistency result of master-backup system

4 UTC(BIRM)的保持情況

統計BIPM的T公報數據[4]，BIRM守時系統運行一年間，UTC(BIRM)與UTC的時差始終控制在20ns以內，即，|UTC-UTC(BIRM)|<20ns，優于國際電聯ITU要求的各守時實驗室所保持的協調世界時UTC(k)與國際協調時UTC的差小于100ns的要求；相對頻率偏差優于3E-14。UTC-UTC(BIRM)時差曲線如圖7所示，頻差曲線如圖8所示。

圖7 UTC-UTC(BIRM)時差曲線圖Fig.7 Time difference between UTC(BIRM) and UTC

圖8 UTC-UTC(BIRM)相對頻率偏差曲線圖Fig.8 Relative frequency deviation between UTC(BIRM)and UTC

5 結束語

近年來，通過改善UTC(BIRM)守時系統的硬件組成，開展守時理論和方法、原子時算法研究等，使得時間頻率標準信號UTC(BIRM)性能得到長足提升。不過，相較于國際先進守時實驗室的守時指標，UTC(BIRM)仍有很大提升空間。當前，BIRM還在不斷深入研究守時技術，研制守時相關設備，改善守時環境，增強守時系統穩定性，UTC(BIRM)性能將會得到進一步提升。