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Research on Remote Time Traceability Technology Based on Satellite Common-View Atomic Clock Discipline Method
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摘要: 通过建立卫星共视原子钟驯服装置，将本地原子时与国家时间频率基准参考站进行共视比对，实现了铷原子钟的驯服标准差2.19 ns，时间偏差稳定度（1天）小于1×10−9，相对频率偏差−8.42×10−17，频率稳定度（1天）小于2×10−14；铯原子钟的驯服标准差1.5 ns，时间偏差稳定度（1天）小于1×10−9，相对频率偏差7.03×10−17，频率稳定度（1天）小于1×10−14。本地原子时得到有效的溯源，为完善时间标准的检定系统表提供了技术验证。Abstract: In this paper, through the establishment of a satellite common-view atomic clock discipline device, the local atomic time is compared with the national time and frequency reference station. Results show that the standard deviation of the rubidium clock is 2.19 ns, the stability of time deviation (1 day) is less than 1×10−9, the relative frequency deviation is −8.42×10−17, the frequency stability (1 day) is less than 2×10−14, and the discipline standard deviation of cesium clock is 1.5 ns. The stability of time deviation (1 day) is less than 1×10−9, the relative frequency deviation is 7.03×10−17, and the frequency stability (1 day) is less than 1×10−14. The local atomic time is effectively traced and provides technical validation to improve the verification system table of the time standard.
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Keywords:
- discipline /
- satellite common-view /
- time standard /
- time frequency /
- time traceability
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0. 引言
高准确度的时频传递系统是时间频率服务的重要组成部分，是连接我国时间频率基准到各级标准及时间频率用户之间的桥梁[1]，对于国民经济和国防建设有着举足轻重的作用。时间可利用电波进行高准确度量值传递，是时间频率计量系统溯源体系构建的重要因素。由于航空航天、电力、公安、金融等行业对授时的可靠性、安全性、稳定性的要求高，单向GPS授时技术进行溯源已无法满足[2]，时间频率标准溯源至国家原子时标基准就显得尤为重要。为构建我国时间频率量值传递体系，基于卫星共视法原理，用过对本地原子钟进行驯服，建立本地时间标准，实现实时驯服至原子时标国家计量基准(UTC(NIM))。为验证驯服的可靠性，把一台拥有高精度铷原子钟和一台铯原子钟通过参考站与UTC(NIM)进行共视比对。
1. GNSS时间频率传递原理
GNSS时间频率传递是目前时间频率远距离量值传递的主要方法之一。国际时频咨询委员会(CCTF)于1994 年讨论通过了GNSS时间频率接收机软件技术指南，具体定义了其参数、格式、跟踪时刻表和数据处理算法。1999年，CCTF会议建议逐步采用多通道GNSS接收机进行共视法比对，并给出了与原单通道接收机兼容的“全视时刻表”及计算方法[3]。由于GNSS设备成本不高、定时精度高、使用方便等特点，以卫星共视法为代表的GNSS全球卫星导航系统时间频率传递成为了远程时间频率溯源的主要手段。许多国家实验室也将这项技术用于建立国内远距离高精度时间频率量传系统，如GNSS卫星共视时间频率传递、卫星双向法时间传递等。上述方法在比对精度、覆盖范围和运行费用等方面不尽相同[4]，GNSS卫星共视时间频率传递只需要时间频率传递接收机和一个接收天线，不需要其它附属设备，运行费用相对较低，能够实现实时或准实时数据处理，可以充分满足各种范围基线比对双方的精度要求，在区域性或国家间综合时间尺度的建设中具有重要应用价值[5]。
GNSS时频传递原理如图1所示，A、B两地的GNSS时间频率传递接收机内部时间标准LTA和LTB分别同步到本地的参考时钟TA和参考时间频率标准TB（均输出秒脉冲和频率信号）[6]。同时记录GNSS观测数据，通过解算，分别得到LTA和LTB与GNSS系统时间GNSST的差
ΔTA 和ΔTB 如式（1）、（2）。ΔTA=TA−GNSST (1) ΔTB=TB−GNSST (2) 最终，时间频率传递偏差结果x为：
x=TA−TB=ΔTA−ΔTB (3) 通过卫星共视来驯服本地原子钟溯源至UTC(NIM)[7]，使本地原子钟与国家原子时标计量基准时刻偏差保持在±10 ns(95%)以内；时间不确定度优于20 ns(k=2)。解决了时间的远程溯源问题，大大提高时间频率的量传能力，可为用户开展高准确度的时间频率校准服务。
2. 装置结构
2.1 基于卫星共视的铷原子钟驯服
远程时间频率传递系统以可信的时间频率标准源（NIMDO）为核心，由铷原子钟、恒温控制模块、频率锁相、分路模块、GNSS及时测量模块和GNSS天线构成[8]，驯服装置结构图如图2所示。GNSS时间频率传递系统是NIMDO的重要组成部分，主要用于时间频率传输数据的测量；高性能可驯服的铷原子钟为NIMDO提供10 MHz和1 PPS信号；驯服算法及工控机构成NIMDO的控制系统[9]。铷原子钟驯服装置利用GNSS时间频率传递技术，与UTC(NIM)进行实时比对，驯服原理如图3所示。
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图 2 基于卫星共视的铷原子钟驯服装置结构图Figure 2. Structure diagram of rubidium atomic clock discipline device based on satellite common-view2.2 基于卫星共视的铯原子钟驯服
铯原子钟在守时工作中有着重要作用。一台自由运转的铯原子钟因其自身的速率影响，使得比对结果存在明显的钟差偏移现象，直接影响比对结果的准确度。驯服装置将铯原子钟与高精度相位微跃计连接，然后将微跃计输出的时间频率信号接入GNSS时间频率传递接收机，通过调整微跃计，实现对铯原子钟产生的时间频率信号的驯服，提高准确度和长期稳定度[10]。驯服装置结构如图4所示。
通过GNSS时间频率传递接收机与UTC(NIM)进行共视比对，对相位微跃计进行调整，从而实现对铯原子钟的驯服。铯原子钟驯服原理如图5所示。
3. 数据分析
3.1 铷原子钟驯服数据分析
铷原子钟驯服实验通过TS17和IM21两个站点生成的CGGTTS共视数据的比对，获得铷原子钟驯服时差数据，其中TS17为基于GNSS远程溯源至UTC(NIM)的铷钟设备的站点名称；IM21为接入UTC(NIM)信号的GNSS时间频率传递接收机，即参考接收机。共视数据的比对方法如下：
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图 4 基于卫星共视的铯原子钟驯服装置结构图Figure 4. Structure diagram of cesium atomic clock discipline device based on satellite common-view站点A在某一个时刻共有n个卫星的共视数据，记为
ΔTiA （i=1,2,⋯,n ）；站点B在某一个时刻共有m个卫星的共视数据，记为
ΔTiB （i=1,2,⋯,m ）；找到站点A和B卫星编号相同的卫星，将二者的共视数据之差，即可获得同一个时刻，不同卫星计算的钟差序列，记为：
xn=ΔTiA−ΔTiB 其中，i为站点A和B共同的卫星编号。
对不同卫星计算的钟差序列
xn 求均值，即可获得某个时刻的两个站点的钟差值。¯xn=1NN∑i=1xi 再对两个站点的共视结果钟差值，在不同时刻序列上的数据进行分析处理，其中均值为所有时刻钟差值的平均值；标准差为所有时刻钟差值
xi (i=1,2,⋯,n ，第i时刻)的标准差；相对频率偏差为最小二乘法拟合的所有时刻钟差值的直线的斜率[11]。Sx=√∑ni=1(xi−ˉx)2n−1 对80天（修订儒略日58756到58836）TS17和IM21两个站点CGGTTS共视数据进行共视比对，获得80天的钟差结果，再对其比对结果进行数据分析（结果如图6所示）：标准差为2.19 ns；均值为−0.15 ns；相对频率偏差为−8.42×10−17。
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图 6 TS17远程站与UTC(NIM)的时间偏差和相对频率偏差Figure 6. Time deviation and relative frequency deviation between TS17 remote station and UTC (NIM)TS17-UTC(NIM)的时间偏差数据结果统计如表1所示（**代表TS17-UTC(NIM)）。对其数据统计结果进行分析[12]，时间偏差测量结果97.10%在±5 ns以内，99.62%在10 ns以内。
表 1 TS17时间偏差数据统计Table 1. TS17 time deviation data statistics观测站
(REF)观测
点数0<|**|
<5 ns5 ns<|**|
<10 ns10 ns<|**|
<20 ns|**|
>20 nsTS17 7523 7305 190 18 11 97.10% 2.52% 0.23% 0.15% 铷原子钟驯服装置(NIMDO)结果的时间稳定度如图7所示，横轴为时间稳定度的时间间隔，纵轴为时间偏差。其时间偏差稳定度（1天）小于1×10−9。
频率稳定度如图8所示，横轴为频率稳定度的时间间隔，纵轴为修正的阿伦方差。其频率稳定度（1天）小于2×10−14。
3.2 铯原子钟驯服数据分析
铯原子钟驯服实验数据的处理与铷原子钟驯服数据的处理方法一样，参考上述3.1节铷原子钟驯服数据分析。
数据分析结果如图9所示。其中TF16为基于GNSS远程溯源至UTC(NIM)的铯原子钟设备的站点名称，采取与驯服铷原子钟相同的时间段（修订儒略日58756-58836）与参考接收机（IM21）进行比对，其标准差为1.5 ns；均值为0.01 ns；相对频率偏差为7.03×10−17；
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图 9 TF16远程站与UTC(NIM)的时间偏差Figure 9. Time deviation and relative frequency deviation between TF16 remote station and UTC (NIM)and UTC (NIM)TF16-UTC(NIM)的时间偏差数据结果统计如表2所示（**代表TF16-UTC(NIM)）。时间偏差测量结果97.89%在±5 ns以内，99.67%在10 ns以内。
铯原子钟驯服结果的时间稳定度如图10所示。其时间偏差的稳定度（1天）小于1×10−9，频率稳定度如图11所示。其频率稳定度（1天）小于1×10−14。
表 2 TF16时间偏差数据统计Table 2. TF16 time deviation data statistics观测站
(REF)观测
点数0<|**|
<5 ns5 ns<|**|
<10 ns10 ns<|**|
<20 ns|**|
>20 nsTF16 7496 7338 133 22 3 97.89% 1.78% 0.29% 0.04% 4. 结论
实验结果证明铯原子钟的驯服效果较铷原子钟的驯服效果更优。通过时间间隔内（80天）CGGTTS数据与原子时标国家计量基准参考站的共视比对，铷原子钟的驯服标准差为2.19 ns，时间偏差稳定度（1天）小于1×10−9，相对频率偏差为−8.42×10−17，频率稳定度（1天）小于2×10−14；铯原子钟的驯服标准差在1.5 ns，时间偏差稳定度（1天）小于1×10−9，相对频率偏差为7.03×10−17，频率稳定度（1天）小于1×10−14。
基于GNSS时间频率传递的原子钟驯服实验，与原子时标国家计量基准实时比对，验证了原子钟驯服方案的可行。使本地原子时实时溯源至UTC(NIM)。该装置在长时间内通过驯服原子钟保持较高的稳定度和准确度。可用于地面守时系统，为电力、金融、通信、交通等行业提供时间的本地溯源。为建立省一级的时间标准，将时间直接传递到用户层提供了有效方案。
随着高精度时间频率产品的革故鼎新，无论在民用还是国防安全领域，各行业对时间频率的准确度、同步性的需求也不断提高，该系统可以满足高准确度时间频率产品量值溯源的需求，具有广阔的应用前景。
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图 2 基于卫星共视的铷原子钟驯服装置结构图
Figure 2. Structure diagram of rubidium atomic clock discipline device based on satellite common-view
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图 4 基于卫星共视的铯原子钟驯服装置结构图
Figure 4. Structure diagram of cesium atomic clock discipline device based on satellite common-view
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图 6 TS17远程站与UTC(NIM)的时间偏差和相对频率偏差
Figure 6. Time deviation and relative frequency deviation between TS17 remote station and UTC (NIM)
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图 9 TF16远程站与UTC(NIM)的时间偏差
Figure 9. Time deviation and relative frequency deviation between TF16 remote station and UTC (NIM)and UTC (NIM)
表 1 TS17时间偏差数据统计
Table 1 TS17 time deviation data statistics
观测站
(REF)观测
点数0<|**|
<5 ns5 ns<|**|
<10 ns10 ns<|**|
<20 ns|**|
>20 nsTS17 7523 7305 190 18 11 97.10% 2.52% 0.23% 0.15% 
下载: 导出CSV
表 2 TF16时间偏差数据统计
Table 2 TF16 time deviation data statistics
观测站
(REF)观测
点数0<|**|
<5 ns5 ns<|**|
<10 ns10 ns<|**|
<20 ns|**|
>20 nsTF16 7496 7338 133 22 3 97.89% 1.78% 0.29% 0.04%
下载: 导出CSV
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