一種高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)方法

戴群雄，尹繼凱

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所, 石家莊 050081 )

0 引言

在各類地面固定、車(chē)載、艦載平臺(tái)建設(shè)中，時(shí)頻系統(tǒng)為平臺(tái)提供統(tǒng)一的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，保證各用時(shí)單元工作在連續(xù)、一致、穩(wěn)定的時(shí)間參考下[1].

傳統(tǒng)時(shí)頻系統(tǒng)通常采用普通恒溫晶振作為頻率源，通過(guò)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，獲取衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)參考時(shí)間與本地晶振的鐘差，根據(jù)鐘差對(duì)晶振頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行校準(zhǔn)，輸出與參考時(shí)間同步的本地時(shí)間頻率信號(hào)[2-3]；當(dāng)參考信號(hào)丟失時(shí)，通過(guò)晶振守時(shí)維持時(shí)間頻率信號(hào)輸出[4]. 由于晶振頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移等指標(biāo)不高，守時(shí)精度偏低，且單個(gè)時(shí)鐘源組成的守時(shí)平臺(tái)，其可靠性不足. 本文提出了一種高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)方法，設(shè)計(jì)了一種高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)，首先對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的四種高穩(wěn)頻率源進(jìn)行綜合分析比較，優(yōu)選高性能銣鐘作為頻率基準(zhǔn)源，然后設(shè)計(jì)多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理方法，分析比較國(guó)內(nèi)外主流的綜合原子時(shí)算法，優(yōu)選適用于本方案的加權(quán)平均算法，并在該算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行同類源實(shí)時(shí)互比標(biāo)定設(shè)計(jì)，選擇最優(yōu)主鐘和備鐘，保證系統(tǒng)頻率源一直處于最優(yōu)狀態(tài)，使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定對(duì)外輸出時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)，從而提升系統(tǒng)的守時(shí)性能.

1 時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)組成框圖及基本原理

時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)通常由導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)、頻率基準(zhǔn)、時(shí)頻綜合處理模塊和時(shí)頻標(biāo)擴(kuò)展模塊等四部分組成[5]，如圖1所示.

圖1 時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)組成框圖

時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)是以衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間為參考，對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行馴服及校準(zhǔn)的系統(tǒng). 其基本工作原理：導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，輸出代表衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的基準(zhǔn)秒脈沖(1 pulse per second，1 PPS)，時(shí)頻綜合處理模塊測(cè)取基準(zhǔn)1 PPS與本地頻率基準(zhǔn)的鐘差信息，根據(jù)鐘差信息對(duì)本地頻率基準(zhǔn)進(jìn)行駕馭與馴服控制，從而獲得與導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間精確同步的時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào). 衛(wèi)星信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)頻率基準(zhǔn)跟蹤同步衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間，能夠保證系統(tǒng)時(shí)間同步性能；當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)丟失時(shí)，通過(guò)頻率基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、歷史調(diào)鐘數(shù)據(jù)等信息的綜合計(jì)算得到馴服參數(shù)，對(duì)頻率基準(zhǔn)進(jìn)行駕馭，保證設(shè)備的守時(shí)性能和時(shí)頻基準(zhǔn)連續(xù)、穩(wěn)定的輸出.

時(shí)頻綜合處理模塊的時(shí)鐘處理精度以及本地頻率基準(zhǔn)的精度都是影響系統(tǒng)守時(shí)精度的關(guān)鍵因素. 本文重點(diǎn)從時(shí)頻綜合處理方案的優(yōu)化以及頻率基準(zhǔn)精度的優(yōu)化來(lái)提升系統(tǒng)守時(shí)性能.

2 系統(tǒng)時(shí)頻綜合及守時(shí)性能優(yōu)化方案

2.1 頻率基準(zhǔn)源優(yōu)選

本文研究?jī)?nèi)容側(cè)重于通用化、小型化、低成本的設(shè)計(jì)原則，解決適用范圍更寬泛，使用場(chǎng)景更簡(jiǎn)單的高精度守時(shí)應(yīng)用需求. 現(xiàn)代市面常有的頻率基準(zhǔn)源通常包括恒溫晶振、銣原子鐘、銫原子鐘、氫原子鐘[6]，這些基準(zhǔn)的精度、體積、價(jià)格等因素均會(huì)制約小型化、通用化、低成本、高精度的守時(shí)應(yīng)用需求，需進(jìn)行綜合比較，選擇最優(yōu)方案.

1)銫原子鐘

銫原子鐘是一種精密的計(jì)時(shí)器具，利用銫原子在微波激勵(lì)信號(hào)感應(yīng)下發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)輻射出來(lái)的電磁波作為標(biāo)準(zhǔn)，去調(diào)整校正振蕩器，將其輸出頻率鎖定到銫原子的躍遷頻率. 銫鐘的頻率漂移小，目前，最好的銫原子鐘達(dá)到500萬(wàn)年才相差1 s，多應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)或?qū)ｉT(mén)的計(jì)時(shí)測(cè)量機(jī)構(gòu)，如國(guó)際原子時(shí)比對(duì)機(jī)構(gòu)等[7]. 由于銫鐘造價(jià)較為昂貴，對(duì)于大眾通用型時(shí)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無(wú)論從價(jià)格、體積和功耗考慮，均不能滿足要求.

2)氫原子鐘

氫原子鐘與銫原子鐘一樣，同樣作為一種精密的計(jì)時(shí)器具，原理與銫鐘基本一致，是利用氫原子能級(jí)躍遷時(shí)輻射出來(lái)的電磁波去控制校準(zhǔn)振蕩器，使振蕩器輸出頻率與原子躍遷頻率具有相同量級(jí)的準(zhǔn)確度，進(jìn)而控制鐘的走動(dòng). 氫鐘的漂移特性與銫鐘接近，每天變化約為十億分之一秒，達(dá)到300萬(wàn)年相差1 s，其短期穩(wěn)定性比銫鐘稍強(qiáng)，被廣泛用于導(dǎo)航定位、時(shí)間計(jì)量、航天測(cè)控、射電天文觀測(cè)、守時(shí)服務(wù)、火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射等方面. 氫鐘的造價(jià)比銫鐘更加昂貴，且體積普遍比銫鐘更大一些，因此也不能滿足要求.

3)恒溫晶振

恒溫晶振是目前應(yīng)用較為廣泛的一種頻率發(fā)生裝置，由振蕩電路、直流穩(wěn)壓電路和恒溫槽控制電路構(gòu)成，工作原理就是通過(guò)接收外部同步參考信號(hào)，對(duì)自身振動(dòng)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，使之與參考信號(hào)的頻率精度接近，再通過(guò)恒溫槽控制電路對(duì)晶振的晶體諧振器的供電電流進(jìn)行控制，使得諧振器保持一種恒定的溫度；當(dāng)處于無(wú)外部參考后的特定時(shí)間段內(nèi)時(shí)，可以守時(shí)維持相應(yīng)精度的時(shí)間輸出，守時(shí)能力能達(dá)到優(yōu)于10 μs/d，目前恒溫晶振已經(jīng)成為時(shí)頻系統(tǒng)中最常用的一種時(shí)間源保持時(shí)鐘. 其特點(diǎn)是體積小、功耗低、具有一定的守時(shí)能力，可以作為頻率基準(zhǔn)源的選擇方案之一.

4)銣原子鐘

銣原子鐘是目前時(shí)頻系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一種高配置的時(shí)鐘源，其原理與銫鐘、氫鐘基本一致，是利用銣原子在激勵(lì)下發(fā)生能級(jí)跳躍時(shí)輻射出來(lái)的電磁波去校準(zhǔn)振蕩器的頻率準(zhǔn)確度[8]. 銣鐘通常相比銫鐘和氫鐘其漂移特性和穩(wěn)定性稍差些，很少應(yīng)用于專門(mén)的計(jì)時(shí)測(cè)量機(jī)構(gòu)和高精度時(shí)間計(jì)量及比對(duì)任務(wù)，但其體積、功耗和造價(jià)遠(yuǎn)低于前面兩種原子鐘，且性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，為目前技術(shù)成熟且最為常規(guī)的一種原子頻標(biāo)，其中短期穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較好[9]. 對(duì)于高需求的時(shí)頻服務(wù)行業(yè)是一種必選的配置. 通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，銣原子鐘在很短時(shí)間內(nèi)(約30 min)將衛(wèi)星的頻率信號(hào)穩(wěn)定住、保持住，在無(wú)衛(wèi)星信號(hào)輸出的狀態(tài)下，其保持時(shí)間的精度可達(dá)到優(yōu)于1 μs/d，守時(shí)能力強(qiáng)，因此，配置銣原子鐘是也是合適方案之一.

經(jīng)過(guò)分析比較，銫原子鐘和氫原子鐘性能優(yōu)越，大多應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)或?qū)ｉT(mén)的計(jì)時(shí)測(cè)量機(jī)構(gòu)，但受限于其體積大、價(jià)格高、功耗大等因素，對(duì)于適用面廣、使用場(chǎng)景簡(jiǎn)單且具有高精度守時(shí)應(yīng)用需求的領(lǐng)域顯然不能作為合適方案；而恒溫晶振和銣原子鐘目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，適用性更強(qiáng)，均可作為通用型、高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn).下面列表進(jìn)行綜合比較，選擇最優(yōu)方案.

表1中，對(duì)市面上常用的恒溫晶振和銣原子鐘的主要性能指標(biāo)進(jìn)行比較，包括頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移、工作溫度、溫度特性、功耗、體積[10]、價(jià)格等，綜合比較，晶振的功耗、體積和價(jià)格均優(yōu)于銣原子鐘，銣原子鐘在頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移、溫度特性方面優(yōu)于晶振，而擁有較高的頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移指標(biāo)及溫度特性指標(biāo)，對(duì)設(shè)備的守時(shí)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性更為關(guān)鍵. 現(xiàn)在通用的時(shí)頻裝備通常設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式結(jié)構(gòu)，其尺寸通常為1 U (1 U=4.445 cm)及以上，該尺寸并不影響銣鐘的裝配，銣鐘功耗和價(jià)格相比晶振稍高些，但并不成為制約裝備設(shè)計(jì)的主要因素，而裝備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高守時(shí)性能對(duì)系統(tǒng)更為關(guān)鍵和實(shí)用. 因此，綜合比較而言，銣原子鐘成為優(yōu)選方案.

表1 恒溫晶振和銣原子鐘性能比較

2.2 多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理

系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)置高性能銣原子鐘，在衛(wèi)星信號(hào)有效的前提下，通過(guò)時(shí)差測(cè)量及數(shù)據(jù)處理，獲得銣鐘與時(shí)間源的鐘差，根據(jù)鐘差數(shù)據(jù)校準(zhǔn)銣原子鐘頻率，實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間溯源與同步；衛(wèi)星信號(hào)丟失后，銣鐘從時(shí)間同步狀態(tài)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)，通過(guò)歷史調(diào)鐘數(shù)據(jù)、銣鐘數(shù)據(jù)等信息的綜合計(jì)算和駕馭處理，保證設(shè)備的守時(shí)性能.

高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)方法在原有單鐘源設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理方案，有效利用系統(tǒng)的多銣鐘資源，提升系統(tǒng)守時(shí)精度[11]，同時(shí)兼顧高可靠性，為其他用時(shí)系統(tǒng)提供高質(zhì)量時(shí)頻服務(wù). 圖2所示為多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理方案原理框圖.

圖2 多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理方案原理框圖

系統(tǒng)配備多臺(tái)銣鐘，通過(guò)時(shí)差測(cè)量單元分別測(cè)取每臺(tái)銣鐘與參考源的鐘差以及各臺(tái)鐘之間的鐘差[12]，時(shí)鐘綜合單元根據(jù)鐘差分析出各臺(tái)銣鐘的質(zhì)量和特性，然后根據(jù)銣鐘質(zhì)量和特性分配權(quán)重[13-14]，實(shí)現(xiàn)多銣鐘時(shí)鐘綜合，輸出綜合后的時(shí)鐘，相比單時(shí)鐘，時(shí)鐘性能得到有效提升；當(dāng)其中一個(gè)銣鐘出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)鐘差變化特性可實(shí)現(xiàn)故障鐘判斷與快速切出，其他銣鐘繼續(xù)維持時(shí)鐘輸出，系統(tǒng)時(shí)鐘輸出穩(wěn)定可靠[15].

目前國(guó)際主流的綜合原子時(shí)算法主要包括加權(quán)平均算法和各種濾波類算法[16-17]. 加權(quán)平均算法的具體做法是：根據(jù)某個(gè)計(jì)算周期中鐘組內(nèi)各原子鐘的穩(wěn)定度來(lái)確定每臺(tái)原子鐘在此計(jì)算周期內(nèi)的權(quán)重，通過(guò)合理的權(quán)重分配，使鐘組內(nèi)的噪聲最小. 國(guó)際計(jì)量局(The International Bureau of Weights and Measures，BIPM)采用加權(quán)平均算法對(duì)參與國(guó)際原子時(shí)比對(duì)的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室鐘組的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，以此來(lái)提高綜合原子時(shí)的穩(wěn)定度. 濾波類算法主要為卡爾曼濾波(Kalman filter, KF)算法，通過(guò)該算法對(duì)原子鐘組噪聲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與建模，抑制原子鐘噪聲帶來(lái)的影響. KF算法的穩(wěn)定性較好，但是存在發(fā)散性的問(wèn)題[18].

本文采用加權(quán)平均算法來(lái)實(shí)現(xiàn)銣鐘鐘組綜合，各鐘權(quán)重依據(jù)鐘實(shí)際運(yùn)行性能和比對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)際計(jì)算時(shí)采用給定時(shí)間的阿侖方差作為權(quán)重計(jì)算的依據(jù). 依據(jù)權(quán)重計(jì)算的結(jié)果，綜合鐘組自由運(yùn)行的各原子鐘數(shù)據(jù)，處理得到自由的綜合原子時(shí)，再依據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)輸出的北斗時(shí)基準(zhǔn)，經(jīng)頻率駕馭得到與北斗時(shí)同步的綜合原子時(shí)，在守時(shí)期間，測(cè)量出各鐘與綜合時(shí)間的頻差和相差，結(jié)合歷史駕馭數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)重調(diào)整綜合時(shí)間的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)高精度守時(shí). 理論上，綜合原子時(shí)算法的最主要內(nèi)容是根據(jù)原子鐘組內(nèi)的N臺(tái)原子鐘，利用N－1組原子鐘差對(duì)各原子鐘進(jìn)行權(quán)重計(jì)算及調(diào)整，使其對(duì)鐘組產(chǎn)生的綜合原子時(shí)影響最小化[19]，由此生成的綜合原子時(shí)比鐘組內(nèi)任何一個(gè)原子鐘具有更高的穩(wěn)定性、可靠性和頻率精度. 鐘組產(chǎn)生的綜合原子時(shí)是采用數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到的，并不是某臺(tái)鐘的時(shí)間也不是他們簡(jiǎn)單的集合. 其算法具體如下：

若有N臺(tái)原子鐘，其讀數(shù)為hi(t) ，i=1,2,3,···,N，利用加權(quán)平均算法，建立一個(gè)綜合原子時(shí)TA(t) .

式中，wi(t)為原子鐘i的權(quán)重. 由于鐘組內(nèi)的原子鐘相互獨(dú)立，且每臺(tái)原子鐘的性能不同，需采用原子時(shí)綜合處理的方式，對(duì)每臺(tái)鐘進(jìn)行合理加權(quán)與控制，從而獲得一個(gè)比任何一臺(tái)鐘更穩(wěn)、更準(zhǔn)的綜合原子時(shí)[20]，盡可能抑制或消除原子鐘噪聲帶來(lái)的影響.

TA(t)即是綜合鐘，TA(t) 的噪聲是各鐘噪聲加權(quán)和

為了使綜合鐘的噪聲 εA(t) 最小，通常按照式(3)計(jì)算權(quán)重

在進(jìn)行綜合原子時(shí)計(jì)算時(shí)，當(dāng)參與原子時(shí)計(jì)算的鐘數(shù)量發(fā)生改變或某臺(tái)鐘i的權(quán)重發(fā)生改變時(shí)，為了不影響時(shí)間的連續(xù)性，增加改正量為鐘i在t時(shí)刻讀數(shù)的預(yù)測(cè)值[21]. 所以式(1)可以寫(xiě)為[22]

式中，wi(t) 和的計(jì)算在不同原子時(shí)算法中計(jì)算方法不同.

由式(4)變換得到

為計(jì)算得到TA(t) 的數(shù)值，設(shè)鐘i和TA(t) 的差為xi(t)，記為

xi(t)可以從鐘i和鐘j的差Xij(t) 的比對(duì)數(shù)據(jù)中求出.Xij(t) 可通過(guò)測(cè)量得到

由式(5)、(6)得到

由式(7)、(8)組成方程組

式(7)共給出N-1個(gè)方程式，結(jié)合式(8)，共N個(gè)方程，可以解算得到N個(gè)xi(t).xi(t) 表示為

h′i(t)可通過(guò)線性預(yù)測(cè)得到. 預(yù)測(cè)公式為

式(11)中：t0為上一次計(jì)算的最后時(shí)刻；xi(t0) 為t0時(shí)刻鐘i相對(duì)于TA(t) 的時(shí)間偏差預(yù)測(cè)值；y′i(t) 為t0時(shí)刻鐘i相對(duì)于TA(t) 的頻率偏差預(yù)測(cè)值，一般通過(guò)最小二乘法計(jì)算得到；預(yù)測(cè)y′i(t) 所用的參考是TA(t) ，若計(jì)算TA(t)的方法不合理，則前期計(jì)算得到的TA(t) 會(huì)影響y′i(t)的準(zhǔn)確性.

在進(jìn)行多鐘綜合的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算得到的綜合原子時(shí)并非實(shí)時(shí)的物理信號(hào)，而是一個(gè)紙面時(shí)間，必須選擇一臺(tái)原子鐘作為系統(tǒng)主鐘，通過(guò)主鐘來(lái)產(chǎn)生實(shí)時(shí)物理信號(hào). 本文采用銣原子鐘作為物理信號(hào)頻率源，由于不同類型的原子鐘性能差異較大，而同種類的原子鐘差異相對(duì)較小，為了減少型號(hào)差異對(duì)系統(tǒng)綜合原子時(shí)性能帶來(lái)的影響，應(yīng)盡可能選用同型號(hào)的原子鐘；當(dāng)選擇同型號(hào)原子鐘時(shí)，還需選擇性能最優(yōu)的原子鐘作為主鐘. 主鐘輸出頻率信號(hào)的短期穩(wěn)定度由本身物理特性決定，無(wú)法通過(guò)算法補(bǔ)償?shù)确绞絹?lái)提高，即使通過(guò)具有良好長(zhǎng)穩(wěn)定特性的北斗時(shí)等參考駕馭的方式也只能改善其長(zhǎng)期穩(wěn)定度. 因此，選擇主鐘的依據(jù)之一是具有優(yōu)秀的短期頻率穩(wěn)定度.

傳統(tǒng)測(cè)量原子鐘頻率穩(wěn)定度的方式為單次標(biāo)定方式，即在組建原子鐘組前，僅對(duì)每臺(tái)原子鐘自由運(yùn)行的時(shí)差值分別進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取最優(yōu)主鐘. 隨著時(shí)間推移或者其他異常因素影響，原子鐘的性能可能會(huì)隨之發(fā)生變化，無(wú)法保證主鐘一直處于最優(yōu)狀態(tài)，因此，這種單次標(biāo)定方式存在固有缺陷，會(huì)給綜合原子時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn). 為了彌補(bǔ)這種風(fēng)險(xiǎn)，本文設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)標(biāo)定的方式，即原子鐘加入原子鐘組后，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)每臺(tái)原子鐘的時(shí)差值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲取最優(yōu)性能的主鐘，保證所選主鐘一直處于最優(yōu)狀態(tài). 本文設(shè)計(jì)的多鐘聯(lián)合時(shí)間頻率綜合與守時(shí)系統(tǒng)為試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，同時(shí)考慮系統(tǒng)通用性和低成本，設(shè)計(jì)銣鐘數(shù)量為3臺(tái)，按照同類源實(shí)時(shí)互比標(biāo)的方式，分別測(cè)得3臺(tái)鐘互比的鐘差 σy12(τ) 、 σy13(τ) 、 σy23(τ) ，則互比結(jié)果滿足以下關(guān)系：

式中： τ 為取樣時(shí)間； σy12(τ) 為銣鐘1、銣鐘2互比測(cè)得的阿倫標(biāo)準(zhǔn)方差； σy13(τ) 為銣鐘1、銣鐘3互比測(cè)得的阿倫標(biāo)準(zhǔn)方差； σy23(τ) 為銣鐘2、銣鐘3互比測(cè)得的阿倫標(biāo)準(zhǔn)方差.

按照式(12)、式(13)、式(14)分別算出三臺(tái)鐘的時(shí)域短期穩(wěn)定度 σy1(τ) 、 σy2(τ) 、 σy3(τ) .

式中， σy1(τ) 、 σy2(τ) 、 σy3(τ) 分別為銣鐘1、2、3的短期穩(wěn)定度， τ 是取樣時(shí)間.

通過(guò)同類源實(shí)時(shí)互比標(biāo)定的方式對(duì)鐘組短期穩(wěn)定度進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，選擇最優(yōu)主鐘和備鐘，由于方法實(shí)時(shí)性，可選擇當(dāng)前性能最好的鐘為主鐘，同時(shí)當(dāng)主鐘出現(xiàn)故障時(shí)，能切換至備鐘，保證輸出頻率信號(hào)連續(xù)，系統(tǒng)不間斷運(yùn)行[23-24].

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性和可行性，首先優(yōu)選高性能銣原子鐘作為頻率基準(zhǔn)源，隨著國(guó)產(chǎn)原子鐘技術(shù)水平的突破，為了提升自主可控性[25]，本方案選用國(guó)產(chǎn)銣鐘，其指標(biāo)如表1所示，然后設(shè)計(jì)傳統(tǒng)單鐘時(shí)頻系統(tǒng)和多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)，按照如圖3所示搭建試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái).

圖3 試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試連接圖

為保證試驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)性和有效性，通過(guò)功分器將天線信號(hào)一分為二，輸出給單鐘時(shí)頻系統(tǒng)和多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)，且進(jìn)行同時(shí)段測(cè)試，以去除不同天線、不同時(shí)間段測(cè)試帶來(lái)的誤差影響. 時(shí)頻參考采用標(biāo)準(zhǔn)型接收機(jī)或守時(shí)型銫原子頻標(biāo).

時(shí)頻參考的選擇對(duì)測(cè)試結(jié)果很重要. 守時(shí)型銫原子頻標(biāo)本身會(huì)隨著時(shí)間存在漂移，目前國(guó)產(chǎn)的高性能銫原子頻標(biāo)，其漂移約為40 ns/d，且不同批次、不同型號(hào)的銫鐘其守時(shí)性能存在差異，因此并不適合作為高精度時(shí)頻系統(tǒng)的測(cè)量參考；標(biāo)準(zhǔn)型接收機(jī)授時(shí)精度約為30 ns，本身誤差較大，無(wú)法作為高精度時(shí)頻系統(tǒng)的測(cè)量參考. 目前基于北斗三號(hào)(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)的精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)技術(shù)的高精度授時(shí)型接收機(jī)，其授時(shí)精度可達(dá)2～3 ns，誤差小且技術(shù)成熟穩(wěn)定，可作為時(shí)頻參考. 但接收機(jī)本身存在絕對(duì)零值誤差，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果. 因此，在進(jìn)行正式測(cè)試前，需對(duì)高精度授時(shí)型接收機(jī)進(jìn)行零值標(biāo)定，標(biāo)定方法為：以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)量獲取接收機(jī)輸出時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源的時(shí)間差，該時(shí)間差值即為接收機(jī)絕對(duì)零值，將零值設(shè)置進(jìn)入接收機(jī)，完成零值標(biāo)定處理. 零值標(biāo)定原理框圖如圖4所示.

圖4 高精度授時(shí)型接收機(jī)零值標(biāo)定原理框圖

高精度授時(shí)型接收機(jī)零值標(biāo)定結(jié)束后，按照?qǐng)D3所示的試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試連接框圖開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證. 為了減少溫度變化對(duì)測(cè)試帶來(lái)的影響，將測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)置于溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境. 具體測(cè)試步驟如下：

1)按照?qǐng)D3所示連接設(shè)備，將設(shè)備輸出1 PPS-1、1 PPS-2以及時(shí)頻參考輸出1 PPS基準(zhǔn)接入計(jì)數(shù)器，設(shè)備加電；

2)待設(shè)備鎖定衛(wèi)星24 h后去掉天線，使用計(jì)算機(jī)采集計(jì)數(shù)器測(cè)量的時(shí)差數(shù)據(jù)；

3)連續(xù)測(cè)量4 h后，分別獲得1 PPS-1、1 PPS-2與1 PPS基準(zhǔn)的鐘差數(shù)據(jù)，記為r1、r2；

4)計(jì)算max(r1)-min(r1)，max(r2)-min(r2)，即獲得單鐘及多鐘系統(tǒng)的守時(shí)指標(biāo).

圖5所示為試驗(yàn)結(jié)果. 其中，圖5(a)為單鐘時(shí)頻系統(tǒng)守時(shí)結(jié)果、圖5(b)為多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)守時(shí)結(jié)果，4 h守時(shí)精度分別為93.26 ns和39.87 ns.結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)過(guò)多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合優(yōu)化后，系統(tǒng)守時(shí)精度優(yōu)化了53.39 ns，得到了有效提升，由此驗(yàn)證了本文提出的高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)方法的有效性和可行性[26].

圖5 試驗(yàn)驗(yàn)證守時(shí)性能實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)單鐘源時(shí)頻系統(tǒng)守時(shí)精度偏低、可靠性不足的問(wèn)題，提出了一種高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)方法，通過(guò)頻率基準(zhǔn)源優(yōu)選、多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理的技術(shù)手段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)，以滿足高精度的守時(shí)服務(wù)應(yīng)用需求，并搭建了試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性. 方法主要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1)從性能、尺寸、價(jià)格、適用范圍、可靠性等多個(gè)方面，對(duì)現(xiàn)代市面常有的恒溫晶振、銣原子鐘、銫原子鐘、氫原子鐘等頻率源進(jìn)行了綜合比較和分析，優(yōu)選銣原子鐘作為頻率基準(zhǔn)，兼顧通用性強(qiáng)、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，滿足高精度守時(shí)應(yīng)用需求；

2)通過(guò)多鐘聯(lián)合時(shí)頻綜合處理，優(yōu)選適用于本方案的加權(quán)平均算法，得到比任何單鐘更穩(wěn)定的綜合原子時(shí)，并進(jìn)行了同類源實(shí)時(shí)互比標(biāo)定設(shè)計(jì)，選擇最優(yōu)主鐘和備鐘，保證系統(tǒng)頻率源一直處于最優(yōu)狀態(tài)，從而提升系統(tǒng)的守時(shí)性能；同時(shí)通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)主鐘出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)故障鐘判斷與快速切出，備鐘繼續(xù)維持時(shí)鐘輸出，系統(tǒng)時(shí)鐘輸出連續(xù)、穩(wěn)定和可靠.

該方法通過(guò)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并工程化實(shí)施后得出，可有效解決傳統(tǒng)單鐘源時(shí)頻系統(tǒng)守時(shí)精度偏低、可靠性不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)頻綜合及守時(shí)系統(tǒng)，提供高質(zhì)量時(shí)頻服務(wù)，也為相關(guān)行業(yè)應(yīng)用提供可借鑒的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用前景廣闊.