時間頻率遠程校準的數(shù)據(jù)分析與算法設(shè)計

左建生,張樹生,董 蓮,陸福敏

(1.中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.上海市計量測試技術(shù)研究院,上海 201203)

計量校準是國家計量體系中的一項重要工作,計量校準的結(jié)果涉及國計民生的方方面面,其重要性不言而喻.時間頻率作為一個重要基本物理量在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和基礎(chǔ)科學(xué)研究中起著重要的作用；然而,時間頻率的計量標(biāo)準和量值傳遞,尤其是高精度頻率源在傳統(tǒng)的校準過程中還存在許多重要的問題需要解決,如氫鐘、銫鐘等大的設(shè)備運行環(huán)境的差異,不易搬運及不能斷電運行等因素給校準帶來了很大麻煩.因此,我們依據(jù)上海市計量測試技術(shù)研究院現(xiàn)有的硬件條件,通過軟件的數(shù)據(jù)分析和算法設(shè)計等方法,來實現(xiàn)對頻率源的遠程校準.

1 總體設(shè)計思路

目前對高精度的頻標(biāo),大都是通過GPS共視技術(shù)來校準的.GPS共視技術(shù)接收到的數(shù)據(jù)是國際計量局(BIPM)規(guī)定下的具有統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容,內(nèi)容格式為GGTTS.軟件的算法設(shè)計,必須具有自動導(dǎo)入,選擇有用的數(shù)據(jù),如跟蹤相同的衛(wèi)星,起始時間、仰角的選擇；如果為多通道的GPS共視接收機,還必須有相同的通道.最后對滿足相同條件下的兩參數(shù)相減(REFGPS1-REFGPS2),再對所得的結(jié)果進行擬合計算得出被測頻標(biāo)的頻率偏差,進而算出頻率準確度及頻率日漂移.結(jié)構(gòu)框圖如圖1.

圖1 軟件流程圖Figure 1 Software How chart

1.1 數(shù)據(jù)文件及軟件參數(shù)設(shè)定

由GGTTS數(shù)據(jù)格式可以知道,在BIPM對GPS共視法的數(shù)據(jù)格式做了統(tǒng)一規(guī)定,即為GGTTS GPS DATA FORMAT.其包含的參數(shù)有:PRN,CL,MJD,STTIME,T RKL,ELV,AZT H,REFSV,SRSV,REFGPS,SRGPS,DSG,IOE,MDT R,SMDT,MDIO,SMDI,CK.其中對我們計算有用的幾個參數(shù)如下.

REFSV:實際跟蹤長度中點處本地秒脈沖與所跟蹤的衛(wèi)星時間的差值,單位0.1 ns.

REFGPS:實際跟蹤長度中點處本地鐘與GPS時間之差,單位0.1 ns,其中已經(jīng)加了有廣播星歷表和天線坐標(biāo)采用值計算出的幾何時延改正、有電離層模型計算出的時延改正以及地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的時延改正.

MDT R:實際跟蹤長度中點處對流層引入的傳播延時.單位0.1 ns.

MDIO:實際跟蹤長度中點處電離層引入的傳播延時.

對計算有用的參數(shù)數(shù)據(jù),我們必須將共星共時條件下進行提取.由于GPS共視法將兩地的對流層,電離層的影響大大降低甚至抵消,所以我們要重點考慮的是REFGPS.在相同儒略日(Julian Day)條件下,將所得數(shù)據(jù)進行作差,得到一天的相對平均頻率差值.

1.2 頻率偏差兩種算法的比較

軟件中涉及到日頻率漂移率與頻率偏差的算法,這兩種算法,我們在軟件進行了比較.

a)兩點時差法

設(shè)被校準源于參考源的平均頻率偏差分別為:

fA(τ)和 fB(τ)分別是τ內(nèi)的平均值,取 fA0=fB0=f0為源的頻率標(biāo)稱值,則有:

由于在GPS共視接收機中,時差是每16 min一個,設(shè)τ0=16 min,則 τ0內(nèi)平均頻率差為:

在一天內(nèi)共有(M+1)個 TAB,可得到M個yAB(τ0),其平均值為 :

其中τ=M?τ0,可取τ=1d(M=90),2d(M=180)或更長.這樣就可以求出B的相對頻率偏差.

b)直線擬合法

所以將kAB值的分子和分母都用同一時間單位表示,kAB值就變成無量綱的值,用k表示,則yAB(τ)=k

我們采用上述不同的算法,用本地數(shù)據(jù)和中國計量科學(xué)研究院的數(shù)據(jù)進行計算,得到兩個不同的結(jié)果如表1所示.結(jié)果表明b)算法更接近科學(xué).

對于日頻率漂移來說,當(dāng)偏差為10 ns/d時,日頻率漂移為1.1574×10-13.從上面的兩個算法計算結(jié)果我們可以看出被校準頻率標(biāo)準的日頻率偏差,在數(shù)量級上可以得出兩個算法都是正確的,都能滿足要求.但是,由于接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)受衛(wèi)星運行、電離層、對流層以及鐘運行環(huán)境等影響,數(shù)據(jù)有些波動,如果僅按照a)算法中的最后測量值減去第一個測量值的話,容易造成較大誤差.

表1 計算結(jié)果Table 1 Calculated results

1.3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

由于GPS接收機接收下來的數(shù)據(jù)比較大,如果存儲在文本之中,會需要很大的硬盤空間.數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是采用LabVIEW公司提供的免費訪問數(shù)據(jù)庫工具包來實現(xiàn)的,總體包括數(shù)據(jù)的存儲與數(shù)據(jù)的訪問兩部分.LabSQL的開發(fā)是在 Lab-VIEW中利用ActiveX功能,通過調(diào)用Microsoft ALO控件,結(jié)合SOL語言,并通過ODBC接口函數(shù)庫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問.

2 實 例

用2009年11月20到12月20的數(shù)據(jù),上海市計量測試技術(shù)研究院時間頻率科室的氫原子頻標(biāo)與中國計量科學(xué)研究院進行了校準比對,并與參考頻標(biāo)給出的校準結(jié)果做了比較,如表2.結(jié)果符合要求,軟件性能可靠.圖2為一個月數(shù)據(jù)擬合的圖表.

表2 結(jié)果比對Table 2 Result comparison

圖2 數(shù)據(jù)擬合Figure 2 Data fitting

3 結(jié) 語

在目前對于大型原子頻率源校準比較困難的情況下,我們基于上海市計量測試技術(shù)研究院時間頻率科室現(xiàn)有的硬件設(shè)備,結(jié)合國家計量校準規(guī)范JJF 1206-2008《頻率標(biāo)準與數(shù)字時鐘的遠程校準規(guī)范》和氫原子頻率標(biāo)準檢定規(guī)程JJG 1004-2005《氫原子頻率標(biāo)準》等法規(guī)的要求,借助GPS共視技術(shù)并通過軟件設(shè)計和編程,實現(xiàn)了對大型頻標(biāo)進行遠程校準.測量給出的校準結(jié)果,經(jīng)驗證比對,數(shù)據(jù)可靠.試驗與驗證結(jié)果顯示,由該數(shù)據(jù)分析與算法設(shè)計支持的軟件系統(tǒng)符合國家相關(guān)標(biāo)準和計量技術(shù)規(guī)范的要求,方便實用,可以實現(xiàn)大型頻標(biāo)的遠距離校準.如何對其他電參數(shù)轉(zhuǎn)化為時間頻率參數(shù)進行校準也是時下的一個計量熱點問題,我們將繼續(xù)探索如何將電壓,電流參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率信號進行校準,以便為推進該領(lǐng)域的科技進步,為國家經(jīng)濟建設(shè)做好服務(wù).

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