關(guān)于遠(yuǎn)程時(shí)間頻率溯源的研究

馮理賢

摘要：隨著秒定義的量子化，“時(shí)間”成為準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣的物理量，諸多領(lǐng)域需要統(tǒng)一的時(shí)間頻率，對(duì)時(shí)間和頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度不斷提高要求廣東省計(jì)量科學(xué)研究院配備了兩臺(tái)5071A銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)著檢定下一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)，銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)不僅價(jià)值高，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格，恒溫恒濕且避免斷電因此必須找到一個(gè)安全穩(wěn)定的方法，使銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)通過頻率測量儀器溯源到原子時(shí)標(biāo)UTC（NIM）。綜上所述銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程溯源是一個(gè)急需解決的問題。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程時(shí)間;頻率溯源;系統(tǒng)搭建;共視原理

當(dāng)前，很多的省級(jí)計(jì)量部門或行業(yè)應(yīng)用部門不能實(shí)現(xiàn)與UTC（NIM）之間的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程溯源，而使用原子鐘或者GPS馴服后的原子鐘作為時(shí)間頻率的標(biāo)準(zhǔn)。用一種可被UTC（NIM）實(shí)時(shí)馴服、實(shí)時(shí)溯源的銣原子振蕩器結(jié)合衛(wèi)星共視技術(shù)，使區(qū)域時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)同步和溯源至原子時(shí)標(biāo)UTC（NIM），能夠有效的實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和溯源的需求。

一、遠(yuǎn)程溯源方法的選擇及系統(tǒng)搭建

時(shí)間頻率的遠(yuǎn)程溯源主要依賴于3種方法：衛(wèi)星雙向法、光纖傳遞、GNSS衛(wèi)星共視法，其中GNSS衛(wèi)星共視法是最經(jīng)濟(jì)便捷的時(shí)間頻率溯源方法。該方案設(shè)計(jì)的核心是通過GNSS衛(wèi)星共視實(shí)現(xiàn)時(shí)間頻率的遠(yuǎn)程傳遞。

鑒于廣東省計(jì)量科學(xué)研究院配備了兩臺(tái)銫鐘，可通過安裝GNSS時(shí)間頻率傳遞接收機(jī)實(shí)現(xiàn)與UTC時(shí)間頻率源（或其它原子時(shí)標(biāo)生成的共視數(shù)據(jù)）進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比后實(shí)現(xiàn)對(duì)本地原子時(shí)的相位準(zhǔn)確度、頻率準(zhǔn)確度的修正，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)別的時(shí)間頻率溯源。系統(tǒng)搭建如下圖。

納秒級(jí)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率溯源系統(tǒng)中各設(shè)備的連接關(guān)系圖

二、共視原理分析

GNSS共視法時(shí)間頻率傳遞技術(shù)是目前時(shí)間頻率遠(yuǎn)距離高精度量值傳遞的主要方法之一，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞，基本原理是在一顆GNSS衛(wèi)星的視角內(nèi)、地球上任意兩個(gè)地點(diǎn)的原子鐘可以利用同一時(shí)刻收到的同一顆衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)間頻率比對(duì)（見圖1）。

接收機(jī)內(nèi)置的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測量GNSS秒脈沖信號(hào)與本地原子鐘秒脈沖信號(hào)的時(shí)差△t_AGNSS、△t_BGNSS。兩地通過數(shù)據(jù)交互計(jì)算得到傳遞雙方參考時(shí)間及頻率之差。設(shè)地點(diǎn)A、B的原子鐘時(shí)間分別為t_A和t_B，GNSS時(shí)間為t_GNSS，則：

經(jīng)過多次測量后可得到一系列的△t_ABi，由此可算出兩臺(tái)原子鐘在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)平均頻率差：

式中：f_A、f_B一兩臺(tái)原子鐘的頻率;τ-平均時(shí)間間隔。

三、遠(yuǎn)程溯源由實(shí)現(xiàn)到改進(jìn)的策略

為了克服銫鐘不適宜搬運(yùn)所以無法送檢的困難，在該系統(tǒng)搭建以前，已經(jīng)配備了一臺(tái)單獨(dú)的接收機(jī)配合對(duì)應(yīng)的的軟件，基本可以實(shí)現(xiàn)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)版遠(yuǎn)程溯源。但是這個(gè)方法存在很多不是。首先，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，只是完成了頻率的溯源，并沒有完成時(shí)間的溯源。然后，完整的溯源過程還需要很多的人工輔助，把記錄的數(shù)據(jù)通過郵件發(fā)送給中國計(jì)量科學(xué)研究院，總體而言沒有實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化。最后，整個(gè)流程會(huì)受到較大的外部環(huán)境因素影響。

該時(shí)間頻率遠(yuǎn)程溯源系統(tǒng)的成功搭建解決了以上的問題。該系統(tǒng)通過Internet網(wǎng)絡(luò)下載中國計(jì)量科學(xué)研究院的國家授時(shí)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NIM）的共視數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本地時(shí)鐘的校準(zhǔn)，解決高精度的時(shí)間與頻率的遠(yuǎn)程溯源的問題。該系統(tǒng)也可作為GNSS時(shí)間頻率傳遞接收機(jī)使用，連接原子鐘的時(shí)間和頻率信號(hào)，通過接收6PS、GLONASS、北斗、Galileo等多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，生成Rinex、CGGTTS等格式的數(shù)據(jù)，采用“GNSS共視法”實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)原子鐘之間的時(shí)間頻率的遠(yuǎn)程比對(duì)。由此可知系統(tǒng)能全自動(dòng)完成時(shí)間與頻率的遠(yuǎn)程溯源。

四、遠(yuǎn)程溯源應(yīng)用探究

1）構(gòu)建區(qū)域時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)

時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)需要通過頻率測量儀器溯源至國家原子時(shí)標(biāo)UTC（NIM），該套裝置利用衛(wèi)星共視法可實(shí)時(shí)溯源到UTC（NIM），采用實(shí)時(shí)通信，從參考站和本地站獲得GNSS共視數(shù)據(jù)，通過來源于兩個(gè)站之間的共視結(jié)果計(jì)算時(shí)間差值和頻率差值，來控制可馴服的振蕩器，使其具有高精度性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)幾乎實(shí)時(shí)、短延時(shí)、長穩(wěn)的UTC（NIM）駕馭。通過與UTC（NIM）的實(shí)時(shí)比對(duì)，以此構(gòu)建準(zhǔn)確可靠、可溯源的區(qū)域時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，向下一級(jí)有需求的應(yīng)用部門傳遞，從而開展高精度的時(shí)間頻率計(jì)量服務(wù)。

2）遠(yuǎn)程時(shí)間頻率校準(zhǔn)

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)是現(xiàn)代時(shí)間頻率計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的趨勢。遠(yuǎn)程時(shí)間頻率校準(zhǔn)可對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率偏差、頻率穩(wěn)定度及日漂移率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間偏差及時(shí)間穩(wěn)定度進(jìn)行校準(zhǔn)。

進(jìn)行遠(yuǎn)程時(shí)間頻率校準(zhǔn)中，參考端和被校端配置GNSS時(shí)間頻率傳遞裝置，同時(shí)記錄GNSS觀測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算，分別得到兩端時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)與GNSS系統(tǒng)時(shí)間的差，它們的差即為兩站時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)（傳遞）結(jié)果。該套裝置包括了GNSS時(shí)間頻率傳遞裝置，可進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的接收、時(shí)間和頻率差值的測量計(jì)算、CGGTTS共視數(shù)據(jù)的生成等，在遠(yuǎn)程校準(zhǔn)過程中，可將其作為參考站，其計(jì)算的CGGTTS數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到指定的FTP服務(wù)器目錄。另外一臺(tái)GNSS時(shí)間頻率傳遞裝置放置于待校準(zhǔn)端，連接有10MHz和1PPS輸出的待校準(zhǔn)的時(shí)間頻率源，該接收機(jī)通過自身生成的CGGTTS數(shù)據(jù)和從FTP服務(wù)器下載參考站上傳的CGGTTS數(shù)據(jù)，利用共視法計(jì)算客戶端和參考站之間的時(shí)差，16分針一組數(shù)據(jù)。輸出兩臺(tái)接收機(jī)比對(duì)之后的數(shù)據(jù)記為針差，從而計(jì)算相對(duì)頻率偏差、頻率穩(wěn)定度和時(shí)間穩(wěn)定度等。

3）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)是利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步的時(shí)間頻率傳遞手段，主要用于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中客戶端的本地時(shí)間，以UDP協(xié)議為接入Internet網(wǎng)絡(luò)上的客戶端提供授時(shí)服務(wù)。采用TOD（時(shí)間戳）和1PPS對(duì)NTP Server時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行同步，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)以高準(zhǔn)確度和高速率面向網(wǎng)絡(luò)用戶免費(fèi)提供優(yōu)質(zhì)的時(shí)間同步信息，在非擁堵網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)用戶端可以獲得毫秒級(jí)的時(shí)間同步服務(wù)。

五、結(jié)束語

本文基于廣東省計(jì)量科學(xué)研究院無線電室銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程溯源問題等待解決與完善，探討了時(shí)間頻率遠(yuǎn)程溯源的方法與原理。實(shí)現(xiàn)了銫針?biāo)菰磫栴}的改進(jìn)，最后討論了設(shè)想的時(shí)間頻率遠(yuǎn)程傳遞的應(yīng)用。