GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間直接溯源及評(píng)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(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間直接溯源及評(píng)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(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)向GNSS時(shí)間基準(zhǔn)溯源，并對(duì)時(shí)間溯源不確定度評(píng)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(shí)統(tǒng)終端的時(shí)頻參數(shù)測(cè)量精度提供前提條件。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；時(shí)頻檢測(cè)；時(shí)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(hào)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(shí)能力也是其重要的能力，且定位精度依賴于系統(tǒng)定時(shí)精度。為了保證接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)統(tǒng)終端輸出準(zhǔn)確可靠的時(shí)間和頻率信息，需要建立GNSS高精度時(shí)間頻率檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)終端輸出時(shí)間和頻率信號(hào)進(jìn)行功能和性能檢測(cè)。由于時(shí)間頻率是國(guó)際計(jì)量局（BIPM）規(guī)定的法定計(jì)量參數(shù)之一，時(shí)間頻率檢測(cè)系統(tǒng)需要向上級(jí)時(shí)間頻率源即GNSS時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行溯源，并對(duì)溯源的結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定［1-3］。

傳統(tǒng)的時(shí)間頻率計(jì)量主要通過(guò)頻率溯源建立溯源鏈路。時(shí)間溯源往往通過(guò)間接接收衛(wèi)星信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)，時(shí)間間接溯源方法受環(huán)境條件限制，空間無(wú)線信號(hào)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(shí)間基準(zhǔn)并址建設(shè)時(shí)間頻率檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)向時(shí)間基準(zhǔn)的直接溯源。直接溯源法通過(guò)時(shí)頻線纜這種有線方式傳遞標(biāo)準(zhǔn)頻率和脈沖信號(hào)，能縮短溯源距離，減少電磁干擾，提高時(shí)間和頻率溯源的可靠性和精度。

本文針對(duì)GNSS高精度時(shí)間頻率檢測(cè)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(shí)間溯源精度即溯源不確定度評(píng)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(jí)。

2　時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)直接溯源方法

2.1GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

為了測(cè)試接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)統(tǒng)終端輸出定時(shí)信息與GNSS時(shí)間基準(zhǔn)的定時(shí)偏差，需要建立GNSS高精度時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)，且該系統(tǒng)必須向GNSS時(shí)間基準(zhǔn)直接溯源，即系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)線纜通過(guò)有線的方式與GNSS時(shí)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(jí)。如圖1所示。

圖1　GNSS高精度時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)溯源圖

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

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

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

GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)向GNSS時(shí)間基準(zhǔn)溯源的信號(hào)鏈路如圖2所示。

圖2　時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間源信號(hào)鏈路圖

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

2.2系統(tǒng)時(shí)間直接溯源方法

GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)直接溯源的時(shí)延精確標(biāo)定方法如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)時(shí)間直接溯源方法原理圖

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

因此，

式中，R1為已知值；D1和DS是待測(cè)定值。因此，GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)直接溯源時(shí)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(shí)頻線纜時(shí)延D1和秒分2設(shè)備時(shí)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(shí)間直接溯源步驟

2.3.1信號(hào)線纜時(shí)延標(biāo)定

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

圖4　D1線纜時(shí)延測(cè)量圖

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

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

2.3.2設(shè)備時(shí)延標(biāo)定

秒信號(hào)分配器2的設(shè)備時(shí)延標(biāo)定如圖5所示。

圖5　秒信號(hào)分配器設(shè)備時(shí)延測(cè)試圖

在時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的輸入端C點(diǎn)，即時(shí)頻線纜D1的末端連接一個(gè)三通器件，三通同時(shí)連接線纜D4。秒信號(hào)分配器2的輸出信號(hào)通過(guò)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(hào)，D1輸入為計(jì)數(shù)器開門信號(hào)，設(shè)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量值為y2。三通引入時(shí)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(duì)線纜直接標(biāo)定時(shí)延的方法得到。

2.3.3 設(shè)備輸出端口時(shí)延標(biāo)定

如圖3所示，秒信號(hào)分配器2端口輸出的1pps信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（k）的定時(shí)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(hào)分配器2輸出信號(hào)通過(guò)線纜D2輸入至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器作為關(guān)門信號(hào)。從秒信號(hào)分配器1輸出信號(hào)通過(guò)線纜D3輸入至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器作為開門信號(hào)。將時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的采樣頻率設(shè)置為1s，測(cè)量次數(shù)為n次，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)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(duì)線纜直接標(biāo)定時(shí)延的方法得到。

通過(guò)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(shí)間直接溯源不確定度分析

通過(guò)詳細(xì)分析［5］，GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間直接溯源方法的不確定度分量如下：

（1）測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量uA，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果取n次測(cè)量（每次測(cè)量數(shù)據(jù)R2i（i=1，2，…n）取3次測(cè)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(cè)量重復(fù)性引入的A類不確定度為

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

（3）時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器作為測(cè)量?jī)x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(shí)間為1s）：

（6）擴(kuò)展不確定度U（取樣時(shí)間為1s）：

通常，k=3。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)GNSS時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)向GNSS時(shí)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(shí)間直接溯源的必要性和可行性，并對(duì)系統(tǒng)時(shí)間直接溯源方法的詳細(xì)時(shí)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(duì)該溯源方法的不確定度進(jìn)行了分析評(píng)定。依據(jù)該方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多次對(duì)時(shí)頻檢測(cè)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(shuō)明對(duì)該方法的分析論證是合理可行的。時(shí)頻檢測(cè)系統(tǒng)的直接溯源方法提高了系統(tǒng)時(shí)間溯源的可靠性和精度，并為GNSS時(shí)統(tǒng)終端的時(shí)間頻率參數(shù)精確測(cè)量提供了前提保障。

［1］和濤，張慧君，李孝輝，趙志雄.基于UTC（NTSC）的時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與溯源研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2013，05，P15-20

［2］倪廣仁，許錄平，和康元.時(shí)間頻率溯源鏈的重要性及其應(yīng)用［J］.天文研究與技術(shù)，2006，01，P13-20

［3］陳瑞瓊，劉婭，李孝輝.基于SR620的遠(yuǎn)程時(shí)間頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2013，03，P134-140

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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