關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、應用最廣的物理量，諸多領域需要統一的時間頻率，對時間和頻率的準確度和穩定度不斷提高要求廣東省計量科學研究院配備了兩臺5071A銫原子頻率標準，承擔著檢定下一級頻率標準的任務，銫原子頻率標準不僅價值高，同時對工作環境要求嚴格，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。

關鍵詞：遠程時間;頻率溯源;系統搭建;共視原理

當前，很多的省級計量部門或行業應用部門不能實現與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合衛星共視技術，使區域時間標準實時同步和溯源至原子時標UTC（NIM），能夠有效的實現時間同步和溯源的需求。

一、遠程溯源方法的選擇及系統搭建

時間頻率的遠程溯源主要依賴于3種方法：衛星雙向法、光纖傳遞、GNSS衛星共視法，其中GNSS衛星共視法是最經濟便捷的時間頻率溯源方法。該方案設計的核心是通過GNSS衛星共視實現時間頻率的遠程傳遞。

鑒于廣東省計量科學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與UTC時間頻率源（或其它原子時標生成的共視數據）進行對比，對比后實現對本地原子時的相位準確度、頻率準確度的修正，實現納秒級別的時間頻率溯源。系統搭建如下圖。

納秒級遠程時間頻率溯源系統中各設備的連接關系圖

二、共視原理分析

GNSS共視法時間頻率傳遞技術是目前時間頻率遠距離高精度量值傳遞的主要方法之一，利用全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）進行時間頻率傳遞，基本原理是在一顆GNSS衛星的視角內、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星的時間信號進行時間頻率比對（見圖1）。

接收機內置的時間間隔計數器測量GNSS秒脈沖信號與本地原子鐘秒脈沖信號的時差△t_AGNSS、△t_BGNSS。兩地通過數據交互計算得到傳遞雙方參考時間及頻率之差。設地點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，在該系統搭建以前，已經配備了一臺單獨的接收機配合對應的的軟件，基本可以實現銫原子頻率標準的基礎版遠程溯源。但是這個方法存在很多不是。首先，最關鍵的一點是，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，把記錄的數據通過郵件發送給中國計量科學研究院，總體而言沒有實現較高的自動化。最后，整個流程會受到較大的外部環境因素影響。

該時間頻率遠程溯源系統的成功搭建解決了以上的問題。該系統通過Internet網絡下載中國計量科學研究院的國家授時實驗室的標準時間UTC（NIM）的共視數據，可實現對本地時鐘的校準，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等多個導航系統的衛星信號，生成Rinex、CGGTTS等格式的數據，采用“GNSS共視法”實現兩臺原子鐘之間的時間頻率的遠程比對。由此可知系統能全自動完成時間與頻率的遠程溯源。

四、遠程溯源應用探究

1）構建區域時間頻率標準

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共視數據，通過來源于兩個站之間的共視結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，實現幾乎實時、短延時、長穩的UTC（NIM）駕馭。通過與UTC（NIM）的實時比對，以此構建準確可靠、可溯源的區域時間頻率標準，向下一級有需求的應用部門傳遞，從而開展高精度的時間頻率計量服務。

2）遠程時間頻率校準

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

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觀測數據，通過計算，分別得到兩端時間頻率標準與GNSS系統時間的差，它們的差即為兩站時間頻率標準的比對（傳遞）結果。該套裝置包括了GNSS時間頻率傳遞裝置，可進行衛星信號的接收、時間和頻率差值的測量計算、CGGTTS共視數據的生成等，在遠程校準過程中，可將其作為參考站，其計算的CGGTTS數據通過網絡上傳到指定的FTP服務器目錄。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數據和從FTP服務器下載參考站上傳的CGGTTS數據，利用共視法計算客戶端和參考站之間的時差，16分針一組數據。輸出兩臺接收機比對之后的數據記為針差，從而計算相對頻率偏差、頻率穩定度和時間穩定度等。

3）網絡授時服務

網絡授時服務是利用網絡進行時間同步的時間頻率傳遞手段，主要用于校準網絡中客戶端的本地時間，以UDP協議為接入Internet網絡上的客戶端提供授時服務。采用TOD（時間戳）和1PPS對NTP Server時間服務器進行同步，構建網絡授時服務系統以高準確度和高速率面向網絡用戶免費提供優質的時間同步信息，在非擁堵網絡狀態下網絡用戶端可以獲得毫秒級的時間同步服務。

五、結束語

本文基于廣東省計量科學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。實現了銫針溯源問題的改進，最后討論了設想的時間頻率遠程傳遞的應用。