國產(chǎn)氫原子鐘移動守時性能測試與分析

李帥辰，武建鋒，崔海波，方 婧

國產(chǎn)氫原子鐘移動守時性能測試與分析

李帥辰1,2，武建鋒1,3，崔海波1,3，方 婧1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710699；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 集成電路學(xué)院，北京 101408；3. 中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101408）

國產(chǎn)氫原子鐘；頻率穩(wěn)定度；阿倫方差；移動守時；原子鐘噪聲類型

0 引言

在當(dāng)今高度信息化的時代，時間和頻率在軍用和民用領(lǐng)域的重要性與日俱增，已經(jīng)成為十分重要的資源[1]。原子鐘作為守時系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響著守時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著時代的發(fā)展和國際形勢的變化，人們對國產(chǎn)原子鐘的性能和適用環(huán)境的需求不斷提高，在某些特定的使用環(huán)境下，如部隊作戰(zhàn)時，對于移動守時有很高的需求。因此，移動狀態(tài)下原子鐘的守時性能值得研究與分析。

1 移動守時系統(tǒng)概述

移動守時系統(tǒng)由信號產(chǎn)生分系統(tǒng)、溯源分系統(tǒng)、綜合保障分系統(tǒng)以及車輛分系統(tǒng)4個分系統(tǒng)組成，為用戶提供1 MHz、5 MHz、10 MHz、1個秒脈沖（pulse per second，PPS）、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（network time protocol，NTP）、精確時間協(xié)議（precision time protocol，PTP）等多路時間頻率信號，為實驗驗證、測試應(yīng)用等提供信號。移動守時車內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動守時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中信號產(chǎn)生分系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生用戶所需的多種時頻信號，為實驗驗證、測試應(yīng)用等提供信號。其中，以高精度氫、銫原子鐘構(gòu)成守時鐘組系統(tǒng)，通過多通道比相儀（以下簡稱比相儀）、多通道時間間隔計數(shù)器（以下簡稱計數(shù)器）實現(xiàn)原子鐘組之間的鐘差和相差比對。采用綜合原子時算法計算得到紙面時，通過相位微躍器實現(xiàn)主鐘物理信號的產(chǎn)生和保持。

溯源分系統(tǒng)以原子時標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)輸入的時頻為參考，通過衛(wèi)星雙向、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）共視實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時間的溯源比對，并將比對數(shù)據(jù)提供給原子時標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)。原子時標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)根據(jù)溯源比對數(shù)據(jù)進行二次駕馭，確保系統(tǒng)時間與標(biāo)準(zhǔn)時間的時間偏差保持在一定精度之內(nèi)。

綜合保障分系統(tǒng)主要用于為系統(tǒng)運行提供良好的供電和溫濕度環(huán)境，為系統(tǒng)運行提供可靠的保障。其具備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能，對各分系統(tǒng)的關(guān)鍵信息進行采集并顯示，同時提供原子時控制駕馭軟件和時間比對數(shù)據(jù)處理軟件的工作平臺。

車輛分系統(tǒng)主要用于承載其他分系統(tǒng)設(shè)備及提供移動能力，是整個系統(tǒng)的承載平臺。移動守時系統(tǒng)信號傳輸如圖2所示。

圖2 移動守時系統(tǒng)信號傳輸示意

2 測試環(huán)境與測試方法

2.1 測試環(huán)境

本次測試在移動守時車上進行，守時車的部分設(shè)備如圖3所示，車上載有2臺氫鐘和3臺銫鐘。車內(nèi)溫度為（24±4）℃，氫鐘配備有恒溫箱，溫度為（22±0.1）℃，相對濕度為40%～60%。移動測試中，移動路徑為市區(qū)內(nèi)道路，勻速行駛時的速度約為40～60 km/h。守時車部分設(shè)備連接情況如圖3所示。

圖3 守時車部分設(shè)備連接情況

由于本次測試在移動狀態(tài)下沒有溯源條件，同時為了提高生成時頻信號的可靠性，使用2臺氫鐘和3臺銫鐘作為精密時頻信號生成的主要頻率源，共同生成時頻信號，作為時頻信號的比對參考。將2臺氫鐘和3臺銫鐘的10 MHz時鐘信號先接入主備鐘切換裝置，通過軟件選擇和切換主鐘；接下來信號進入相位微躍計產(chǎn)生1個秒脈沖信號和10 MHz信號；將10 MHz信號送入比相儀作為參考信號，將1個秒脈沖信號送入計數(shù)器作為參考信號。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，選擇頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最好的氫原子鐘為鐘組的工作主鐘；在移動狀態(tài)下，根據(jù)各鐘的穩(wěn)定度優(yōu)選主鐘（從測試實際情況來看，銫鐘通常被選為主鐘）。通過鐘組內(nèi)原子鐘的比對測量及原子時算法，通過相位微躍計實現(xiàn)原子鐘輸出頻率信號的駕馭，獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號；同時產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間，通過標(biāo)準(zhǔn)時間生成各種時間信號供用時設(shè)備使用。

2.2 測試方法

表征氫鐘性能的指標(biāo)中最常用的有頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率及頻率穩(wěn)定度等。原子鐘是否可以提供長期連續(xù)、穩(wěn)定的時頻信號是其能否用于守時系統(tǒng)的最重要的判斷條件，因此很多相關(guān)研究對原子鐘的性能評估主要考察頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。因此，本文以頻率穩(wěn)定度為指標(biāo)，對氫鐘在靜止和移動2種狀態(tài)下的性能進行測試與分析。

本文使用的氫鐘穩(wěn)定度的測試方法如圖4所示。

圖4 氫鐘穩(wěn)定度測試方法

將2臺氫鐘的10 MHz時鐘信號分別接入比相儀和計數(shù)器，以主鐘信號為參考，完成時差和相差測量。利用時差和相差數(shù)據(jù)分析阿倫方差，用以分析氫鐘的頻率穩(wěn)定度。

2.3 頻率穩(wěn)定度分析

原子鐘的頻率穩(wěn)定度是衡量信號頻率穩(wěn)定與否的標(biāo)準(zhǔn)，是衡量原子鐘性能的重要指標(biāo)之一[7]。分析頻率穩(wěn)定度最常用的方法之一是計算阿倫方差。阿倫（Allan）方差法是一種基于時域的分析方法[8]，其標(biāo)準(zhǔn)計算公式為

同時 Allan 方差公式也可使用相位測量值計算，計算公式為

氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度標(biāo)稱指標(biāo)如表1所示。

表1 氫原子鐘頻率穩(wěn)定度的標(biāo)稱指標(biāo)

2.4 原子鐘的噪聲類型

原子鐘的噪聲可以看成是5種噪聲的疊加，即白色調(diào)相噪聲（white phase modulation，WPM）、閃爍調(diào)相噪聲（flicker phase modulation，F(xiàn)PM）、白色調(diào)頻噪聲（white frequency modulation，WFM）、閃爍調(diào)頻噪聲（flicker frequency modulation，F(xiàn)FM）和隨機游走調(diào)頻噪聲（random walk frequency modulation，RWFM）[9]，其中，白色調(diào)相噪聲、白色調(diào)頻噪聲和隨機游走調(diào)頻噪聲對原子鐘頻率穩(wěn)定度的影響較大[10]。原子鐘的誤差分為確定性偏差和隨機噪聲2個部分。確定性偏差可以通過模型預(yù)測加以補償，隨機噪聲部分通常利用阿倫方差或噪聲的冪律譜模型估計噪聲的強度[11]。Allan方差法的主要特點是能非常容易地對各種誤差源及其對整個噪聲統(tǒng)計特性的貢獻進行細致的表征和辨識，而且便于計算，易于分離，能夠識別并量化存在于數(shù)據(jù)中的不同噪聲項。

阿倫方差和功率譜密度之間的關(guān)系為

3 測試結(jié)果與分析

經(jīng)過測試，對比分析比相儀和計數(shù)器分別連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，觀察二者在頻率穩(wěn)定度方面的差距；使用比相儀連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)對比分析氫原子鐘在靜止?fàn)顟B(tài)下和移動狀態(tài)下的頻率穩(wěn)定度的差距；測試分析氫原子鐘在結(jié)束移動之后，恢復(fù)為靜止?fàn)顟B(tài)后的一段時間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度；對靜止和移動狀態(tài)下氫原子鐘的3種主要噪聲進行測試與分析。結(jié)果分析過程如圖5所示。

圖5 本文測試數(shù)據(jù)的對比分析

3.1 比相儀和計數(shù)器采集數(shù)據(jù)的對比

在本次測量中，分別使用比相儀和計數(shù)器對處于靜止?fàn)顟B(tài)下的2臺氫鐘的鐘差數(shù)據(jù)進行采集，采集的數(shù)據(jù)計算得到的阿倫方差如表2所示，表2中的數(shù)據(jù)為鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差。

表2 使用比相儀和計數(shù)器的采集數(shù)據(jù) s

圖6所示為2臺儀器測量數(shù)據(jù)阿倫方差的對比。

圖6 比相儀和計數(shù)器采集數(shù)據(jù)的比較

由表2和圖6可知，在短期穩(wěn)定度方面，計數(shù)器采集的氫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差遠大于比相儀采集的鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差。（1～10）s阿倫方差相差約3個量級，（0.1～10）×103s阿倫方差相差1～2個量級。查閱資料可知：本文使用的計數(shù)器的標(biāo)稱分辨率約為10 ps，且自身的噪聲較大；在測量短期穩(wěn)定度時自身較大的噪聲會淹沒測量的鐘差數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對數(shù)據(jù)的影響較大；在測量長期穩(wěn)定度時影響較小，且計數(shù)器采集數(shù)據(jù)的抖動明顯大于比相儀采集數(shù)據(jù)的抖動。雖然比相儀采集數(shù)據(jù)的精度更高，但為了增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，依然同時使用比相儀和計數(shù)器進行數(shù)據(jù)的采集，二者采集到的數(shù)據(jù)互為備份。

由于比相儀采集數(shù)據(jù)的效果較好，本文后面章節(jié)采用的數(shù)據(jù)均為多通道比相儀采集的鐘差數(shù)據(jù)。

3.2 靜止?fàn)顟B(tài)下頻率穩(wěn)定度

首先分別測試靜止?fàn)顟B(tài)下2臺氫鐘的頻率穩(wěn)定度。計算由多通道比相儀連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差，可以得到如表3所示的氫鐘的頻率穩(wěn)定度。

表3 靜止?fàn)顟B(tài)下氫鐘頻率穩(wěn)定度計算結(jié)果 s

3.3 移動狀態(tài)下頻率穩(wěn)定度

本節(jié)測試并分析移動狀態(tài)下氫鐘的頻率穩(wěn)定度。計算由多通道比相儀連續(xù)采集的約9 h的2臺原子鐘的鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差，得到如表4所示的頻率穩(wěn)定度計算結(jié)果。

表4 移動狀態(tài)下各氫鐘的頻率穩(wěn)定度計算結(jié)果 s

圖7所示為氫鐘1靜止和移動狀態(tài)下數(shù)據(jù)阿倫方差的比較。

圖7 氫鐘1靜止?fàn)顟B(tài)和移動狀態(tài)數(shù)據(jù)的比較

靜止?fàn)顟B(tài)下，2臺氫鐘的頻率穩(wěn)定度幾乎相同；而在移動狀態(tài)下，氫鐘1的頻率穩(wěn)定度略優(yōu)于氫鐘2。2臺氫原子鐘測試環(huán)境相同，分析2臺氫原子鐘移動性能存在差異的原因包括原子鐘抗震性能存在差異，以及2臺鐘配備的減震設(shè)備和恒溫箱控溫效果存在差異等。

3.4 從移動狀態(tài)恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)的頻率穩(wěn)定度

在守時車結(jié)束移動狀態(tài)，切換為靜止?fàn)顟B(tài)后采集了約16 h的氫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，這部分工作旨在測試和分析原子鐘由移動狀態(tài)進入靜止?fàn)顟B(tài)初期的過程中氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度。計算結(jié)果如表5所示。

表5 轉(zhuǎn)換過程中各氫鐘的頻率穩(wěn)定度計算結(jié)果 s

圖8為氫鐘1三種狀態(tài)下鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差的對比。

圖8 靜止?fàn)顟B(tài)、移動狀態(tài)和恢復(fù)過程數(shù)據(jù)的比較

4 原子鐘不同類型噪聲的影響

分析氫原子鐘3種主要噪聲對頻率穩(wěn)定性的影響，需要測試和分析氫原子鐘在靜止?fàn)顟B(tài)和移動狀態(tài)下的3種主要噪聲，觀察哪一種噪聲在移動過程中的增加量最大，以此推測哪一種噪聲對移動過程中氫鐘的頻率穩(wěn)定度的影響最大。靜止和移動狀態(tài)下3種主要噪聲的對比結(jié)果如表6所示。

由表6可知，氫鐘1的3種主要噪聲均明顯小于氫鐘2，以此可以解釋上文氫鐘1的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于氫鐘2的結(jié)論。相較于靜止?fàn)顟B(tài)，移動狀態(tài)下氫原子鐘的3種主要噪聲均有增加。其中：頻率白噪聲增加2個量級；頻率隨機游走噪聲增加1個量級；調(diào)相白噪聲增加約3～4個量級，且在移動狀態(tài)下調(diào)相白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差可以達到0.1 ns。在移動過程中，調(diào)相白噪聲的增加量最大，由此推測在氫鐘的移動過程中，對其頻率穩(wěn)定度影響最大的噪聲是調(diào)相白噪聲。

表6 靜止和移動狀態(tài)下3種主要噪聲的對比 s

5 結(jié)束語

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Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks

LI Shuaichen1,2, WU Jianfeng1,3, CUI Haibo1,3, FANG Jing1,2

（1. National Time Service Center of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710699, China; 2. College of Integrated Circuits, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China; 3. College of Electrical, Electronic and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China）

domestic hydrogen atomic clock; frequency stability; Allen variance; mobile time keeping; atomic clock noise type

李帥辰, 武建鋒, 崔海波, 等. 國產(chǎn)氫原子鐘移動守時性能測試與分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2023, 11(3): 38-44.（LI Shuaichen, WU Jianfeng, CUI Haibo, et al. Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 38-44.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230306.

P228

A

2095-4999(2023)03-0038-07

2022-09-08

李帥辰（2000—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為移動守時、數(shù)據(jù)處理。

武建鋒（1976—），男，陜西西安人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為時間頻率與衛(wèi)星導(dǎo)航。