關(guān)于遠程時間頻率溯源的研究

馮理賢

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

關(guān)鍵詞：遠程時間;頻率溯源;系統(tǒng)搭建;共視原理

當前，很多的省級計量部門或行業(yè)應(yīng)用部門不能實現(xiàn)與UTC（NIM）之間的實時遠程溯源，而使用原子鐘或者GPS馴服后的原子鐘作為時間頻率的標準。用一種可被UTC（NIM）實時馴服、實時溯源的銣原子振蕩器結(jié)合衛(wèi)星共視技術(shù)，使區(qū)域時間標準實時同步和溯源至原子時標UTC（NIM），能夠有效的實現(xiàn)時間同步和溯源的需求。

一、遠程溯源方法的選擇及系統(tǒng)搭建

時間頻率的遠程溯源主要依賴于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)濟便捷的時間頻率溯源方法。該方案設(shè)計的核心是通過GNSS衛(wèi)星共視實現(xiàn)時間頻率的遠程傳遞。

鑒于廣東省計量科學(xué)研究院配備了兩臺銫鐘，可通過安裝GNSS時間頻率傳遞接收機實現(xiàn)與UTC時間頻率源（或其它原子時標生成的共視數(shù)據(jù)）進行對比，對比后實現(xiàn)對本地原子時的相位準確度、頻率準確度的修正，實現(xiàn)納秒級別的時間頻率溯源。系統(tǒng)搭建如下圖。

納秒級遠程時間頻率溯源系統(tǒng)中各設(shè)備的連接關(guān)系圖

二、共視原理分析

GNSS共視法時間頻率傳遞技術(shù)是目前時間頻率遠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）進行時間頻率傳遞，基本原理是在一顆GNSS衛(wèi)星的視角內(nèi)、地球上任意兩個地點的原子鐘可以利用同一時刻收到的同一顆衛(wèi)星的時間信號進行時間頻率比對（見圖1）。

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

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

式中：f_A、f_B一兩臺原子鐘的頻率;τ-平均時間間隔。

三、遠程溯源由實現(xiàn)到改進的策略

為了克服銫鐘不適宜搬運所以無法送檢的困難，在該系統(tǒng)搭建以前，已經(jīng)配備了一臺單獨的接收機配合對應(yīng)的的軟件，基本可以實現(xiàn)銫原子頻率標準的基礎(chǔ)版遠程溯源。但是這個方法存在很多不是。首先，最關(guān)鍵的一點是，只是完成了頻率的溯源，并沒有完成時間的溯源。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)送給中國計量科學(xué)研究院，總體而言沒有實現(xiàn)較高的自動化。最后，整個流程會受到較大的外部環(huán)境因素影響。

該時間頻率遠程溯源系統(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)下載中國計量科學(xué)研究院的國家授時實驗室的標準時間UTC（NIM）的共視數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對本地時鐘的校準，解決高精度的時間與頻率的遠程溯源的問題。該系統(tǒng)也可作為GNSS時間頻率傳遞接收機使用，連接原子鐘的時間和頻率信號，通過接收6PS、GLONASS、北斗、Galileo等多個導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，生成Rinex、CGGTTS等格式的數(shù)據(jù)，采用“GNSS共視法”實現(xiàn)兩臺原子鐘之間的時間頻率的遠程比對。由此可知系統(tǒng)能全自動完成時間與頻率的遠程溯源。

四、遠程溯源應(yīng)用探究

1）構(gòu)建區(qū)域時間頻率標準

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

2）遠程時間頻率校準

遠程校準是現(xiàn)代時間頻率計量校準技術(shù)發(fā)展的趨勢。遠程時間頻率校準可對頻率標準的頻率偏差、頻率穩(wěn)定度及日漂移率和時間標準的時間偏差及時間穩(wěn)定度進行校準。

進行遠程時間頻率校準中，參考端和被校端配置GNSS時間頻率傳遞裝置，同時記錄GNSS觀測數(shù)據(jù)，通過計算，分別得到兩端時間頻率標準與GNSS系統(tǒng)時間的差，它們的差即為兩站時間頻率標準的比對（傳遞）結(jié)果。該套裝置包括了GNSS時間頻率傳遞裝置，可進行衛(wèi)星信號的接收、時間和頻率差值的測量計算、CGGTTS共視數(shù)據(jù)的生成等，在遠程校準過程中，可將其作為參考站，其計算的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GNSS時間頻率傳遞裝置放置于待校準端，連接有10MHz和1PPS輸出的待校準的時間頻率源，該接收機通過自身生成的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)，利用共視法計算客戶端和參考站之間的時差，16分針一組數(shù)據(jù)。輸出兩臺接收機比對之后的數(shù)據(jù)記為針差，從而計算相對頻率偏差、頻率穩(wěn)定度和時間穩(wěn)定度等。

3）網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)是利用網(wǎng)絡(luò)進行時間同步的時間頻率傳遞手段，主要用于校準網(wǎng)絡(luò)中客戶端的本地時間，以UDP協(xié)議為接入Internet網(wǎng)絡(luò)上的客戶端提供授時服務(wù)。采用TOD（時間戳）和1PPS對NTP Server時間服務(wù)器進行同步，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)系統(tǒng)以高準確度和高速率面向網(wǎng)絡(luò)用戶免費提供優(yōu)質(zhì)的時間同步信息，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的時間同步服務(wù)。

五、結(jié)束語

本文基于廣東省計量科學(xué)研究院無線電室銫原子頻率標準的遠程溯源問題等待解決與完善，探討了時間頻率遠程溯源的方法與原理。實現(xiàn)了銫針溯源問題的改進，最后討論了設(shè)想的時間頻率遠程傳遞的應(yīng)用。