高精度時統(tǒng)系統(tǒng)中固有時延溫度影響及其應對措施分析

張軍，袁媛，陳明

高精度時統(tǒng)系統(tǒng)中固有時延溫度影響及其應對措施分析

張軍1，袁媛2，陳明1

（1. 北京一樸時頻科技有限公司，北京 100086；2. 北京無線電計量測試研究所，北京 100854）

固有時延零值標校作為高精度時統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護中一個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其校準準確性和后續(xù)變化將直接影響時統(tǒng)系統(tǒng)精度。在長期高精度時統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護實踐中，發(fā)現(xiàn)溫度對固有時延變化影響達到百皮秒甚至納秒量級。本文以典型原子鐘組時間頻率系統(tǒng)為例，剖析時統(tǒng)系統(tǒng)中固有時延組成；以信號線纜溫度相位穩(wěn)定性數(shù)據(jù)和設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性相關(guān)實驗測試為依據(jù)，定量分析溫度固有時延變化對時統(tǒng)系統(tǒng)造成的精度影響；提出高精度時統(tǒng)系統(tǒng)固有時延溫度系數(shù)指標和分解的總體應對措施建議。

時統(tǒng)系統(tǒng)；固有時延; 固有時延溫度系數(shù)；皮秒

0 引言

高質(zhì)量時空系統(tǒng)作為國防和國民經(jīng)濟重要基礎(chǔ)設(shè)施，其作用越來越凸顯。當前，國內(nèi)正在建設(shè)的各種高質(zhì)量時空系統(tǒng)對時統(tǒng)系統(tǒng)的精度需求日益提高。北斗導航系統(tǒng)地面原子鐘鐘組系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度要求達到×10-15/d[1-2]，原子鐘鐘組至每個天線機房時間傳遞要求達到百皮秒量級精度；國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”，利用通信光纖網(wǎng)建設(shè)覆蓋主要城市和重要用戶的超高精度光纖時頻傳遞骨干網(wǎng)，時統(tǒng)傳遞精度要求達到百皮秒內(nèi)[3-4]。在這些高精度時統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護過程中，固有時延零值標校是一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)。工程建設(shè)中需對時統(tǒng)信號流經(jīng)部件和測量部件進行固有時延零值標校，維護過程中需維持這些固有時延不變。目前工程建設(shè)和維護以假設(shè)固有時延具有長期不變特性，采用開通前一次性固有時延零值標校措施或更換部件時對應部件固有時延零值重新標校。但在高精度時統(tǒng)建設(shè)和維護中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各種固有時延受溫度的直接影響較大。在工程建設(shè)和維護過程中均發(fā)生過空調(diào)故障機房溫度變化較大情況下系統(tǒng)內(nèi)固有時延發(fā)生納秒級變化，嚴重影響時統(tǒng)系統(tǒng)運行性能。為定量分析溫度固有時延變化影響程度，本文深入研究了信號傳輸線纜的溫度相位穩(wěn)定性性能，對設(shè)備固有時延溫度變化進行了高低溫箱測試與建模；以此為基礎(chǔ)，結(jié)合工程中實際溫度環(huán)境、設(shè)備級聯(lián)層數(shù)和線纜級聯(lián)長度，給出溫度對時統(tǒng)系統(tǒng)造成固有時延變化總量的定量分析；分析表明環(huán)境溫度固有時延變化是決定時統(tǒng)系統(tǒng)高精度的重要因素，本文著眼于技術(shù)體制角度，給出溫度固有時延變化在高質(zhì)量時統(tǒng)系統(tǒng)中的系統(tǒng)指標要求、指標分解和相關(guān)建議。

1 時統(tǒng)系統(tǒng)固有時延分類

固有時延類型分為時統(tǒng)信號線纜傳輸時延、時統(tǒng)信號流經(jīng)設(shè)備輸入輸出時延和時頻測量設(shè)備測量固有時延三類。以圖1中原子鐘組時間頻率系統(tǒng)為例，時統(tǒng)信號線纜傳輸時延為所有細線標記線纜；時統(tǒng)信號流經(jīng)設(shè)備包括原子鐘、脈沖信號分配器、頻率信號分配器、信號選擇器、微躍計、時碼發(fā)生器、時頻傳遞設(shè)備；時頻測量設(shè)備包括時間間隔測量儀/卡板、頻標比對儀/卡板和時頻測量儀/卡板。

2 傳輸線纜固有時延溫度變化模型

信號線纜作為簡單兩端口器件，傳輸時延有成熟理論模型。

① 同軸線纜

同軸線纜傳輸時延等于線纜電長度乘以信號傳輸速度，其中線纜電長度和信號傳輸速度均與溫度密切相關(guān)，業(yè)界將同軸線纜傳輸時延與溫度相關(guān)性定義為同軸線纜溫度相位穩(wěn)定性，以PPM/℃為單位，表征溫度每變化1℃線纜總時延相對變化10-6[5-7]。

普通非穩(wěn)相同軸線纜采用聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）介質(zhì)，在圖2的非穩(wěn)相同軸線纜溫度相位關(guān)系圖上表現(xiàn)出一條很陡的斜率曲線，尤其在室溫區(qū)間內(nèi)更為陡峭。在15℃～25℃的室溫區(qū)間內(nèi)其相位溫度斜率大概是-130 PPM/℃，低于室溫時的電纜長度溫度系數(shù)是-30 PPM/℃。在機房環(huán)境下，本文將普通非穩(wěn)相線纜溫度相位性能取定為-100 PPM/℃。穩(wěn)相同軸線纜一般采用TF4（TeflonTM氟聚合物）介質(zhì)，見圖3所示穩(wěn)相同軸線纜溫度相位關(guān)系，其溫度相位穩(wěn)定性可以做到絕對值小于10 PPM/℃；國產(chǎn)萊爾微波公司PL系列高精密穩(wěn)幅穩(wěn)相測試電纜組件可實現(xiàn)-4.3 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性。在機房環(huán)境下，本文將高性能穩(wěn)相線纜溫度相位性能取定為-5 PPM/℃。

注：圖中空間小的地方以10 M代替10 MHz

同軸線纜每米傳輸時延約為4.0 ns，-100 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性普通同軸線纜對應固有時延變化為4.0 ns×（-100 PPM）= -0.4 ps/（℃·m），-5 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性穩(wěn)相同軸線纜對應著固有時延變化4.0 ns×（-5 PPM）=-20 fs/（℃·m）。

② 光纜

光纜作為時統(tǒng)信號傳輸媒介，依據(jù)相關(guān)理論模型和實測數(shù)據(jù)，其溫度相位穩(wěn)定性與穩(wěn)相同軸線纜性能相當。1 550 nm單模光纖傳輸時延溫度系數(shù)為38 ps/（℃·km）=38 fs/（℃·m）[8-11]；普通單模光纖溫度系數(shù)7.5 PPM/℃，光纖每米時延約為4.5 ns，7.5 PPM/℃相位溫度穩(wěn)定性對應固有時延變化4.5 ns×7.5 PPM =33.8 fs/（℃·m）。本文以單模光纖溫度固有時延變化為35 fs/（℃·m）進行后續(xù)計算。

注：橫軸單位℃，20℃/格，縱軸單位PPM，1 000 PPM/格

注：橫軸單位℃，20℃/格，縱軸單位PPM，5 000 PPM/格

3 設(shè)備固有時延溫度變化測試和建模

設(shè)備固有時延由兩部分組成：信號走線時延和電路時延。信號走線時延溫度系數(shù)與同軸線纜類似，可確定為≤0.1 ps/（℃·m）；設(shè)備內(nèi)部走線長度一般有限（小于0.5 m），因此設(shè)備內(nèi)部信號走線總體時延溫度系數(shù)應≤0.05 ps/℃。電路時延是信號經(jīng)過所有邏輯電路總時延；二極管和三極管時延與溫度密切相關(guān)，現(xiàn)在電路中二極管和三極管數(shù)量巨大，設(shè)備電路時延溫度性能取決于整機電路設(shè)計中固有時延溫度系數(shù)的設(shè)計、元器件選擇和具體電路實現(xiàn)。不同設(shè)備間固有時延溫度系數(shù)存在巨大差異，只能通過實際測試來研究和分析[12-14]。

工程實踐表明，時統(tǒng)系統(tǒng)中各種設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性在0.5 ps/℃～150 ps/℃間。本文按照溫度相位穩(wěn)定性高低將設(shè)備分類為高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（1 ps/℃左右）、普通相位穩(wěn)定性設(shè)備（10 ps/℃左右）和差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（100 ps/℃左右）。時統(tǒng)工程中常見高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備有德國TIMETECH公司MTIC 10409設(shè)備（2 ps/℃）和北京一樸時頻科技有限公司TIC712C_OEM卡板（1 ps/℃），普通溫度相位穩(wěn)定性有SR620通用計數(shù)器（8 ps/℃）和基于德國ACAM公司TDC芯片做時間間隔計數(shù)器（12 ps/℃），差溫度相位穩(wěn)定性有某型號脈沖信號分配器（120 ps/℃）。

3.1 設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性的高低溫箱測試和建模

2018年9月，在某高精度時統(tǒng)系統(tǒng)研制過程中，對若干脈沖信號分配器和脈沖信號分配卡板進行了溫度相位穩(wěn)定性測試。高低溫箱溫度設(shè)置為-20℃～+60℃區(qū)間周期變化，4臺設(shè)備同時進行測試。設(shè)備內(nèi)部溫度變化趨勢與高低溫箱參數(shù)設(shè)置一致，設(shè)備內(nèi)部溫度與高低溫箱環(huán)境溫度有一個固定溫差為+10℃～+25℃間。

1） 整體擬合分析

在-20℃～+60℃區(qū)間，將設(shè)備固有時延變化與設(shè)備內(nèi)部溫度變化進行整體擬合分析。擬合方法是設(shè)備時延變化平移后除以×（ps/℃）后與設(shè)備內(nèi)部溫度曲線變化的差值最小化。擬合分析表明：

① 設(shè)備固有時延變化與溫度曲線見圖4所示：在-20℃～+60℃多次周期溫度變化，4臺設(shè)備固有時延變化與溫度變化為準線性關(guān)系；固有時延變化曲線峰值點比溫度曲線峰值點時刻滯后了300 s；

② 4臺設(shè)備固有時延變化與溫度變化線性關(guān)系最佳擬合曲線對應固有時延溫度系數(shù)分別為+65、+38、+34和+25 ps/℃。

圖4 設(shè)備固有時延變化與溫度曲線

2） 建模分析

在高低溫箱下測試設(shè)備固有時延變化和設(shè)備溫度變化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，生成設(shè)備在每個溫度點上固有時延溫度系數(shù)曲線。選取卡板溫度線性上升段或下降段數(shù)據(jù)，針對每個溫度點，分析在該溫度點左右單位溫度Δ變化下固有時延變化量Δ，計算出該溫度下的溫度系數(shù)＝Δ/Δ，記錄為點（，）；以溫度為橫軸，以溫度系數(shù)為縱軸，畫出溫度與設(shè)備固有時延溫度系數(shù)的曲線（簡稱溫度-固有時延溫度系數(shù)曲線）。

某脈沖信號分配器設(shè)備固有時延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線見圖5所示。

該脈沖信號分配器為差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，其溫度固有時延系數(shù)在30（ps/℃）～120（ps/℃）間。工程中希望對該型號脈沖信號分配器固有時延溫度系數(shù)與溫度間關(guān)系建模后，以溫度補償方式降低其影響程度。建模結(jié)論為：同一臺設(shè)備相同溫度變化條件下固有時延溫度系數(shù)和溫度具有固定關(guān)系；但是不同設(shè)備間、不同溫度變化率下和正反向溫變間的設(shè)備固有時延溫度系數(shù)與溫度關(guān)系差別巨大，該型號設(shè)備不能統(tǒng)一建模，該型號設(shè)備每臺設(shè)備也難以獨立建模。

某時間間隔測量儀設(shè)備固有時延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線見圖6所示，該時間間隔測量儀為高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，其溫度固有時延系數(shù)在0.3（ps/℃）～1.5（ps/℃）間。建模結(jié)論為：同一臺設(shè)備相同溫度變化條件下固有時延溫度系數(shù)和溫度具有固定關(guān)系；但是不同設(shè)備間、不同溫度變化率下設(shè)備固有時延溫度系數(shù)與溫度關(guān)系有些差別，該型號設(shè)備不能統(tǒng)一建模；該型號設(shè)備每臺設(shè)備可獨立建模，建模后采用溫度補償方式可以在20℃溫度變化范圍內(nèi)實現(xiàn)0.5 ps/℃內(nèi)溫度固有時延系數(shù)。

3.2 冷啟動方法測試時間間隔測量設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性

設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性與溫度間建模困難，考慮工程實際情況，為節(jié)省測試時間和成本，我們使用冷啟動方法測量每個設(shè)備固有時延溫度系數(shù)。方法為在室溫環(huán)境下設(shè)備冷啟動加電30 min，在外參考信號和被測信號間為同源和被測信號間同相情況下測量每個通道時間間隔變化與設(shè)備內(nèi)部溫度變化的比值。該方法利用冷啟動情況設(shè)備內(nèi)部溫度自然升溫10℃～20℃現(xiàn)象，等效測量設(shè)備在該環(huán)境溫度點溫度固有時延系數(shù)；與高低溫箱測試方法測量結(jié)果具備基本一致性。

圖6 某時間間隔測量儀設(shè)備固有時延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線

2019年4月，在某高精度時統(tǒng)系統(tǒng)工程高精度時間間隔測量儀現(xiàn)場驗收測量中，對1臺MTIM_712時間間隔測量儀、1臺SR620通用計數(shù)器和1臺該單位自研時間間隔測量儀（使用德國ACAM公司TDC-GP21芯片構(gòu)建，簡稱TDC_GP21時間間隔測量儀）同時測量[15]。測試中使用設(shè)備冷啟動方法測量了設(shè)備固有時延溫度系數(shù)性能，測試結(jié)果見表1。

表1 多臺設(shè)備固有時延溫度系數(shù)冷啟動法測量結(jié)果表 單位：ps/℃

4 固有時延溫度變化對時統(tǒng)系統(tǒng)精度的影響分析

本文以圖1原子鐘組時間頻率系統(tǒng)為例，詳細分析溫度固有時延變化對時統(tǒng)系統(tǒng)精度的定量影響。

時統(tǒng)系統(tǒng)所用設(shè)備和部件（含線纜）一般不在一個機房內(nèi)，首先需要將設(shè)備和部件按照溫度環(huán)境分成三類：室外環(huán)境（-20℃～+40℃，60℃溫度變化）、普通機房環(huán)境（+23℃±5℃）和恒溫機房環(huán)境（+23℃±1℃）；參見《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-93。恒溫機房環(huán)境放置時統(tǒng)系統(tǒng)全局性關(guān)鍵設(shè)備和部件，例如鐘組系統(tǒng)中原子鐘、信號分配器、時間頻率測量設(shè)備、微躍計、信號選擇器及其信號線纜等放置在恒溫機房環(huán)境；普通機房環(huán)境放置非全局性關(guān)鍵設(shè)備和部件，例如遠端時統(tǒng)分配系統(tǒng)和時統(tǒng)比對系統(tǒng)設(shè)備；室外環(huán)境放置必不可免的室外設(shè)備和部件，例如天線、天饋線和遠端時統(tǒng)分配系統(tǒng)中收發(fā)設(shè)備間光纜等。

恒溫機房溫度范圍為+23℃±1℃，但因設(shè)備內(nèi)熱環(huán)境微小變化，內(nèi)部電路溫度存在±1℃范圍非受控變化；因此確定恒溫機房設(shè)備內(nèi)部不可控溫度變化為±2℃。以原子鐘組時統(tǒng)系統(tǒng)為例，恒溫機房設(shè)備包括原子鐘、信號分配器、時頻測量設(shè)備、信號選擇器、微躍計和時碼發(fā)生器，設(shè)備級聯(lián)為4～6級，按照5級設(shè)備級聯(lián)進行計算；設(shè)備級聯(lián)間線纜長度按照200 m考慮。普通機房溫度控制在+23℃±5℃間，因設(shè)備內(nèi)部熱環(huán)境變化，內(nèi)部電路溫度存在±1℃范圍非受控變化。確定高質(zhì)量恒溫機房內(nèi)設(shè)備內(nèi)部長期工作不可控溫度變化為±6℃。以原子鐘組時統(tǒng)系統(tǒng)為例，在普通恒溫機房設(shè)備內(nèi)包括遠端時頻分配系統(tǒng)設(shè)備和時統(tǒng)比對系統(tǒng)設(shè)備，級聯(lián)設(shè)備為2～3級，按照2級進行計算；級聯(lián)設(shè)備間線纜長度按照30 m考慮。固有時延溫度性能對時統(tǒng)系統(tǒng)精度影響的詳細計算見圖7。

圖7 機房環(huán)境固有時延溫度性能對時統(tǒng)系統(tǒng)精度影響

以圖1原子鐘組時間頻率系統(tǒng)為例，原子鐘組系統(tǒng)放置在恒溫機房。目前時統(tǒng)工程中大部分尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，采用線纜為普通同軸線纜，設(shè)備大部分為普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備；原子鐘組系統(tǒng)中因溫度造成總體時延變化為360 ps，這對原子鐘性能測量和整個鐘組輸出造成4.2×10-15/d頻率穩(wěn)定度影響；附加考慮原子鐘房獨立建設(shè)，原子鐘至鐘組控制系統(tǒng)機房間信號傳輸線纜并不完全在恒溫機房環(huán)境下，該部分線纜環(huán)境溫度遠不止±1℃變化，溫度造成鐘組系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度影響將會更大。若鐘組系統(tǒng)采用穩(wěn)相同軸線纜與高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，溫度造成總體時延變化將大幅縮小為28 ps（原來1/13），對原子鐘性能測量和整個鐘組輸出穩(wěn)定度影響降為3.2×10-16/d。同時從圖7中可分析出，若鐘組系統(tǒng)中存在差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，鐘組系統(tǒng)溫度時延變化影響大幅惡化至360 ps的6倍。

以圖1原子鐘組時間頻率系統(tǒng)為例，時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)放置在普通機房。目前時統(tǒng)工程大部分尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，線纜為普通同軸線纜，設(shè)備大部分為普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備；各普通機房內(nèi)時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)因溫度造成總體時延變化為360 ps，對于100 ps量級時統(tǒng)傳遞精度要求是嚴重性能影響。若普通機房內(nèi)采用穩(wěn)相同軸線纜與高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，溫度造成時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)總體時延變化會大幅縮小為30 ps（原來的1/12）。同時從圖7中可分析出，差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備的存在，會造成時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)溫度時延變化影響大幅惡化至360 ps的7倍。

對于圖1所示原子鐘組時間頻率系統(tǒng)，室外環(huán)境包括鐘組子系統(tǒng)、時頻分配子系統(tǒng)和時統(tǒng)比對子系統(tǒng)中的天線和天饋線。依據(jù)表2，室外10 m普通同軸天饋線將造成240 ps溫度固有時延變化；百米普通同軸天饋線將造成2.4 ns溫度固有時延變化。240 ps～2.4 ns時延變化影響對于高性能GNSS（global navigation satellite system）共視時間傳遞接收設(shè)備是不可忽略的。衛(wèi)星雙向時頻傳遞設(shè)備雖然采用了雙向時間比對技術(shù)，但是因普通同軸天饋線溫度相位穩(wěn)定性差別很大，非同廠家同型號同批次線纜抵消后殘余誤差依然會較大；這個影響對于高性能衛(wèi)星雙向時頻傳遞系統(tǒng)是不可忽略的。若采用穩(wěn)相同軸天饋線該性能影響可降到原來1/20，百米天饋線溫度固有時延變化120 ps內(nèi)。

表2 室外環(huán)境固有時延溫度性能對時統(tǒng)系統(tǒng)精度的影響

對于圖1所示原子鐘組時間頻率系統(tǒng)，室外環(huán)境下還有時頻傳遞系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備間光纜。光纜溫度相位穩(wěn)定性具備高度一致性，光纜在室外環(huán)境下單向固有時延溫度變化約為2.1 ns/km；百皮秒量級時頻傳遞系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備室外線纜長度大于100 m時，采用雙向時間比對方法進行時統(tǒng)傳遞，其機理包含了對室外光纜單向固有時延變化的實時測量和校正[16]。

5 時統(tǒng)系統(tǒng)的溫度固有時延變化總體指標和指標分解

根據(jù)第4節(jié)分析，4×10-15/d內(nèi)頻率穩(wěn)定度要求鐘組系統(tǒng)和百皮秒量級時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)需考慮環(huán)境溫度對固有時延變化影響，應在時統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計時進行溫度固有時延變化指標設(shè)計和指標分解。

頻率穩(wěn)定度和絕對時刻傳遞誤差是時統(tǒng)系統(tǒng)整體性能的兩個關(guān)鍵指標。鑒于環(huán)境溫度天變化規(guī)律，將時統(tǒng)系統(tǒng)天頻率穩(wěn)定度指標按照一定比例（如30%）作為時統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標；鑒于環(huán)境溫度年變化規(guī)律，將時統(tǒng)系統(tǒng)絕對時刻傳遞誤差按照一定比例（如30%）作為時統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標。具體指標分配是時統(tǒng)系統(tǒng)總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)任務(wù)，需依據(jù)工程可行性和性價比進行綜合權(quán)衡；本文為后續(xù)計算，設(shè)定如下：時統(tǒng)系統(tǒng)的天頻率穩(wěn)定度和絕對時刻傳遞誤差的30%作為系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標、系統(tǒng)溫度固有時延變化50%為線纜溫度固有時延變化總體指標、系統(tǒng)溫度固有時延變化50%為設(shè)備溫度固有時延變化總體指標。

具體思路為：① 以時統(tǒng)系統(tǒng)天頻率穩(wěn)定度和絕對時刻傳遞誤差兩個關(guān)鍵指標為基礎(chǔ)，將其按照一定比例分解為該時統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標；② 落實每個部件（包括線纜及其長度）溫度環(huán)境后，將溫度固有時延變化總體指標在恒溫機房、普通機房和室外三部分進行分解，分解為恒溫機房溫度固有時延變化指標、普通機房溫度固有時延變化指標和室外溫度固有時延變化指標；③ 每部分溫度固有時延變化指標進一步分解為線纜溫度固有時延變化指標和設(shè)備溫度固有時延變化指標；④ 線纜溫度固有時延變化指標依據(jù)線纜級聯(lián)長度和所處溫度環(huán)境落實為線纜溫度相位穩(wěn)定性技術(shù)要求，設(shè)備溫度固有時延變化指標依據(jù)設(shè)備級聯(lián)級數(shù)和所處溫度環(huán)境落實為設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性技術(shù)要求。

時統(tǒng)系統(tǒng)中每個設(shè)備安裝環(huán)境屬于系統(tǒng)總體方案設(shè)計指標分解的工作環(huán)節(jié)，需依據(jù)工程可行性和性價比進行綜合權(quán)衡，本文為了后續(xù)定量計算分析，設(shè)定原子鐘組時間頻率系統(tǒng)的鐘組系統(tǒng)所有部件在恒溫機房環(huán)境和時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)所有部件在普通機房環(huán)境。

以圖1中原子鐘組系統(tǒng)為例，設(shè)定鐘組系統(tǒng)要求頻率穩(wěn)定度≤3×10-15/d，對應天相位漂移≤259 ps；設(shè)計時考慮將259 ps×30% = 78 ps作為原子鐘鐘組系統(tǒng)的溫度固有時延變化總體指標。原子鐘組系統(tǒng)所有部件在恒溫機房環(huán)境下，具體指標分解見表3和4。

表3 原子鐘組系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標和指標分解表（舉例）

以圖1中時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)為例，設(shè)定鐘組時頻傳遞系統(tǒng)要求±100 ps，設(shè)計時考慮將其200 ps×30% = 60 ps作為鐘組時頻傳遞系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標。鐘組時頻傳遞系統(tǒng)部件在普通機房環(huán)境下，具體指標分解見表4。

表4 時頻傳遞系統(tǒng)溫度固有時延變化總體指標和指標分解表（舉例）

對于已建時統(tǒng)系統(tǒng)溫度相位性能逐步改善，建議措施如下：① 鑒于線纜在工程成本中比例很小，新增或更換同軸線纜時應采用穩(wěn)相同軸線纜；② 鑒于差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備對系統(tǒng)溫度固有時延變化的大幅惡化影響，建議進行設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性篩查，找出系統(tǒng)中差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（≥30 ps/℃），合適時進行替換。

6 結(jié)語

綜上所述：目前時統(tǒng)工程中大多數(shù)尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，采用非穩(wěn)相同軸線纜和普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，恒溫機房原子鐘組系統(tǒng)溫度固有時延變化會造成4×10-15/d以上頻率穩(wěn)定度影響，普通機房時統(tǒng)傳遞系統(tǒng)溫度固有時延變化會造成幾百皮秒時刻同步影響，50 m室外天饋線溫度固有時延變化會造成GNSS共視時間傳遞系統(tǒng)和衛(wèi)星雙向時間傳遞系統(tǒng)近納秒時刻同步影響。建立時統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時延變化指標，進行指標分解，落實為設(shè)備和線纜溫度相位穩(wěn)定性要求，將成為高質(zhì)量時統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)、優(yōu)化完善和維護的必要措施。

致謝：本文是相關(guān)單位和技術(shù)人員長期高精度時統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護實踐中的集體智慧結(jié)晶。感謝國防科技大學電子科學學院導航與時空技術(shù)工程研究中心龔航在設(shè)備固有時延溫度變化測試和建模上的具體貢獻，感謝北京衛(wèi)星導航中心蔡志武、中國科學院國家授時中心時間頻率基準實驗室袁海波、時間頻率測量與控制研究室劉婭和量子頻標研究室劉濤、中國電子科技集團公司第五十四研究所導航專業(yè)部劉鐵強對文章的指導和高價值意見反饋。

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Analysis and countermeasures temperature effect of fixed time delay in high precision time system

ZHANG Jun1, YUAN Yuan2, CHEN Ming1

(1. Beijing Yipu Time Frequency Technology Company Limited, Beijing 100086, China;2. Beijing Institute of Radio Metrology, Beijing 100854, China)

As a key technology in the construction and maintenance of the high-precision time integration system, the calibration accuracy and subsequent changes of the fixed time delay zero scale will directly affect the accuracy of the time system. In the long-term practice of construction and maintenance of the high-precision time integration system, it is found that the influence of the temperature on the fixed time delay can reach an order of 100 picoseconds or even nanoseconds. Taking the typical atomic clock group and its distribution system as an example, this paper analyzes the composition of fixed time delay in the time system; quantitatively analyzes the influence of the temperature fixed time delay upon the accuracy of the time system based on the temperature phase stability data of various signal cables and the experimental test of the temperature phase stability of the equipment; puts forward the relevant suggestions for the index of the fixed time delay temperature coefficient, the index decomposition and the calculation method for the high-precision time system.

time system; fixed delay; fixed delay temperature coefficient; picosecond

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-03-0172-11

張軍, 袁媛, 陳明. 高精度時統(tǒng)系統(tǒng)中固有時延溫度影響及其應對措施分析[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(3): 172-182.

2021-04-21；

2021-06-19