彭鈺瑩

（北京衛星導航中心 北京市 100094）

時間是國家體系七個基本單位中精度最高、應用最廣的物理量，而其關于精度的測量要求也越來越高。由于計時工具的不斷改進，對時間的準確度也在不斷提升，現今已經提升至10-4數量級，甚至更高。而高精度的時間頻率標準及傳遞比對和時間同步，能用于研究基本的物理常數是否會時間而發生變化，并且在深空探測、衛星導航等前沿的科技領域中得到廣泛的應用。

衛星共視法是目前地球上遠距離時間對比的主要方法之一，同時也是國際原子時合作的主要技術，其傳遞不確定度可精確到幾納秒。基本原理指的是地球上任意兩地，在同一時刻接收到同一顆導航衛星，可以消除兩條傳播路徑上的共同誤差，從而能夠對兩地之間的時間進行對比。

時間頻率的傳遞和發播是基準鐘之間、守時鐘組之間以及守時鐘組和終端用戶之間量值溯源、傳遞和比對的橋梁。而原子頻率其具有自身的特點，能夠有效的避免地理的限制，將電磁波作為載波從而進行遠距離傳輸。隨著衛星定位的廣泛應用以及計算機技術的發展，從而為遠程校準奠定良好的條件。

1 遠程校準主要項目的國內外比對現狀

時間頻率遠程校準服務主要是將衛星作為中間載體，從而對時間頻率進行計量的一種方法，此種方法能夠通過導航、通信以及電視直播等方式來傳遞，此種方法具有方便快捷、準確度高的特點。在運用此方法的時候，通常都是將衛星作為中間的轉發器，將標準時間頻率信號與待校準的用戶相連接，從而使得在各自的實驗室中就可以完成校準服務。例如：美國和俄羅斯之間就可以通過此種方法來實現時間的傳遞。通常應用較廣的時間頻率校準技術共包括三種，第一種是單向傳遞法，此種方法主要是待校準方能夠直接從衛星信號中提取其所需要的關鍵信息；第二種方法為衛星共視法，此種方法主要是通過利用衛星，將衛星時間作為中間量，從而對兩地之間的鐘差進行準確的計算；第三種是衛星雙向時間頻率對比法，此種方法主要是通過對地球同步軌道中的通信衛星進行利用，將接收和發送的時鐘信號進行相應的處理，從而得到兩地的鐘差[1]。另外，隨著信息技術的不斷發展，現今還有一種較為先進的時頻對比技術，也就是光纖時頻對比技術，此種方法主要是通過利用光纖直接將時間頻率信號輸送到異地，從而對兩地之間的鐘差進行計算。現今，我國在進行計量的時候，中國計量科學研究院通過利用GPS時頻傳遞技術，從而實現了遠程校準，并且此種方法已經有一定的固定用戶，使用此種方法進行遠程校準。在國際計量的領域中，美國、英國、日本和德國等國家也紛紛對遠程校準技術進行了研究與推廣，尤其是在美國、歐洲和日本等地對GPS 遠程校準技術的應用范圍較廣，而由此也可以看出GPS 時頻量傳接收機的遠程校準服務應用范圍較廣。

日本的遠程校準技術的發展速度較廣，此種技術不僅在本土得到了廣泛的應用，同時對于日本在其他國家的企業也廣泛應用遠程校準技術。

美國的NIST 通過對GPS 進行利用，已經建設了一套完整的共視校準系統，在這套系統中能夠銣原子鐘、頻率標準以及銫原子鐘等進行遠距離的校準，此系統主要是通過對GPS 進行利用從而對數據進行校準，所以應用可技術的用戶可以分布在全國各地，但是隨著用戶與校準實驗室之間的距離越來越遠，所以會對校準的準確性造成一定的影響[2]。

相對于其他國家而言，我國關于遠程校準的研究起步相對而言較晚，現今關于網絡校準這方面的內容，較多的高校已經展開了相關的研究。中國工程物理研究所也開始對遠程校準技術進行了相關的研究，其在進行研究的時候側重點主要在校準測試系統和相關軟件的設計上，但是關于時間頻率遠程校準的研究與應用較少，現今推廣的重點主要在計量技術上。

2 衛星遠程時間頻率校準不確定度的比較

將衛星作為轉發器從而對遠程時間頻率進行校準的時候，主要可包括三種校準方法，分別是單向傳遞法、雙向對比法以及共視法這三種。而其中的共視法又可以分成單通道共視法、多通道共視法以及載波相位共視法。運用單項比對法主要是通過接收機直接讀取信號，從而得到時頻信息，但是由于中間量為運動的衛星，所以在采用此方法進行校準的時候將會受到傳播路徑時間上的延遲以及多普勒頻移等方面的影響，并且不確定度也較大[3]。相對而言雙向對比法不僅準確度較高同時不確定度也較小。此種方法只要是通過通信衛星來對頻率信號進行傳遞，從而實現雙向時間傳遞，而此種方法也是國際計量局使用較多的一種方法，但是這種方法對設備有著較高的要求，同時也會占用衛星通信時間，另外還需要衛星地面站進行配合，所以此標準的綜合成本較高，導致使用此方法的機構較少。相對而言，共視法的準確度較高，同時成本相對而言較少，其只是對同一顆衛星進行跟蹤，接收時間數據，對時間偏差進行計算，從而能夠消除同種環境所帶來的誤差，而量傳的精度也得到了明顯的提高。

3 時間頻率計量的校準方法

傳統在對時間頻率進行校準的時候通常是參考原子頻標的方法，將待校準的原子頻標放置在實驗室內進行面對面的校準。此種校準方法在操作起來較為簡單，但是由于原子頻標尤其是高精度的原子頻標，其對溫度、穩定供電環境及振動等方面都存在很大的要求、例如：對于廣泛使用的氫鐘，在對其進行校準的時候，其對環境有著較高的要求，其要求測量環境的溫度變化不超過±0.25℃，要求傾斜角應小于5°，并且在進行校準的時候應該長期不間斷的對其進行供電，已經斷電則很難將其調整至原來的相位。上述的傳統方法在進行計量校準的時候對高精度的原子頻標而存在很大的風險，并且在運輸的過程中也需要投入較大的經費，而且無法進行面對面校準，而由于這樣極高的要求，使得較多的用戶放棄了定期校準，從而導致原子頻標的最大效用無法真正的發揮出來[4]。

圖1：共視法原理圖

為了避免傳統計量的風險，使原子頻標的使用效率得到提升。本文采用一種行之有效的遠程校準技術。除了具備傳統的計量方法之外，遠程校準技術還可以分為單向法、共視法以及衛星雙向法這幾種校準方法。單向法主要是通過授時接收機接收到衛星新高，并通過利用衛星授時的原理將接收到的衛星信號時間與待校原子頻標進行對比從而實現遠程校準技術。而衛星共視法主要是將衛星作為轉發器，兩地同時觀測同一顆衛星，將得到的數據進行對比，從而實現遠程校準。尾箱雙向法主要是通過完全對稱的信號傳輸路徑來實現遠程校準。本文主要講述的為基于衛星共視法的時間頻率遠程校準，并對校準原理進行分析。

4 共視法校準比對原理分析

衛星共視法主要是指的是不同的地點的兩站，將其分為校準方和待校準方，采用同一種衛星接收機對數據進行測量，例如：北斗接收機、GPS 接收機等，接收機將同一顆衛星作為跟蹤對象，接收機能夠對某個時間段所接收到兩站的信號數據進行分析與提取，并對提取到的數據進行分析處理，在此基礎上算出時間偏差，從而使得兩個不同地點的時間達到同步。運用此種方法進行時間校準，能夠消除在接收信號的過程中大氣層折射所帶來的影響，此種方法使得測量的結果更加準確，其測量的原理如圖1 所示。

在清楚兩站地坐標的前提下，假如在A 地和B 地的觀測站中分別安裝兩個共視接收機，在同一時刻兩站觀測同一顆衛星，設衛星為io。其中將A、B 兩側的時鐘數值用tA、tB來表示，將衛星的系統時間用ti來表示，通過運用單向時間傳遞的原理，從而可得到公式（1）和公式（2）。

通過對上述公式（1）和公式（2）中可以得出，上述的公式（1）所表示的為A 地共視接收機和衛星i 之間的鐘差，上述公式（2）所表示的為B 地共視接收機和衛星i 之間的鐘差，而將公式（1）和公式（2）之間做差，則能夠求解出AB 兩地之間的鐘差，用來表示，詳見公式（3）。

多通道共視接收機的使用原理與單通道共視接收機的原理相同，但是其能夠接收到更多的數據。

5 實驗驗證

將衛星公式法遠程校準原理作為基準，在校準實驗室與被校準實驗室之間選擇一顆可視GPS 衛星，將其作為中間載體，在其中可輸入基準信號的原子頻標、接收衛星信號的天線以及分析數據的衛星共視機和衛星數據處理的工控計算機，從而形成遠程校準硬件平臺，將單臺主動型氫鐘作為本地參考原子頻率標準對銣原子的頻率標準進行遠程校準，并通過利用數據處理和校準數據對比分析軟件從而對數據進行分析，根據選取的約化儒略日，收集保存30 天以上的實驗室數據，然后的A、B 兩組數據進行分析。根據相關的公式進行分析后得到A 組的頻率準確度為8.3×10-3，頻率的日漂移為6.2×10-3，頻率的穩定度為2.4×10-3，根據相關公式進行分析后可得到B 組的頻率準確度為9.2×10-3，頻率的日漂移為3.2×10-3，頻率的穩定度為1.1×10-3，通過對上述兩組數據結果進行分析可發現，A 組實驗中所得到的銣原子頻率標準的頻率偏差、準確度和漂移度以及日穩定度在數值上基本維持一致。而天頻率度指數與相關產品說明書上的指數也基本保持一致。

共視法比對過程中存在的不確定度去主要是由于信號傳播中的誤差、衛星的誤差以及接收機偏差這三方面而造成的，其中還包括有衛星星歷而引起的偏差、電離層延遲而出現的偏差、接收機通道延遲而出現的誤差、對流程延遲而出現的誤差以及天線相位中心出現的誤差和星載時鐘出現的誤差等方面，另外在使用共視法對時間頻率進行校準的時候，還需要考慮信號傳播的路徑、接收機接收的時間、接收機的誤差等方面引起的誤差，經過對多方面因素進行考慮之后得到的不確定數值為11ns。

通過對實驗結果進行分析以及對影響不確定度的原因進行分析后，得出相關的結論：運用衛星共視法進行時間頻率遠程校準的時候，其具備穩定性、正確性等可靠性，此方法能夠為銣原子頻率標準提供可行的遠程量值溯源服務，在進行時間頻率遠程校準的時候可使用此方法。

6 總結

時間和頻率之間的傳授主要是依靠電磁波為載體從而進行傳輸和發播，其能夠有效的打破低的限制，同時也能夠打破量值傳遞原有的逐級傳遞方式，通過校準對比的方式使得時頻傳遞的準確性得到提升。基于衛星共視法的遠程校準技術研究對現代先進的頻率和時間校準有著重要的意義，同時也能夠為研究其余的物理參量打下良好的基礎。