盧建福，高玉平，林思佳，劉彪

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時頻系統(tǒng)中主備鐘一致性保持方法的研究

盧建福1,2，高玉平1,3，林思佳1,2，劉彪1,2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院大學，北京 100039；3. 中國科學院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600）

為保證主、備鐘切換時時間信號的準確性和穩(wěn)定性，開展了主、備鐘一致性保持方法的研究。搭建了進行主、備鐘一致性保持的實驗系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的原理，分析了不同鐘差預測模型的效果，給出了計算備份鐘頻率補償量的公式，測試了系統(tǒng)在不同控制周期下的同步水平。測試結(jié)果表明：采用本系統(tǒng)的主、備鐘一致性保持方法，能夠?qū)崿F(xiàn)主、備鐘間的最大時間偏差小于1ns的指標，同時提高了備份鐘的長期頻率穩(wěn)定度。

原子鐘；時間同步；頻率駕馭

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟、國防建設和空間技術(shù)的發(fā)展，對高精度時間頻率服務的準確性、穩(wěn)定性和可靠性提出了越來越高的要求。在實際應用中，時間和頻率信號常被作為業(yè)務工作的參考基準，因此需要具有準確性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性等特點；通常，時間頻率信號是由時頻系統(tǒng)中的原子鐘產(chǎn)生，為保證輸出信號的連續(xù)性和可靠性，時頻系統(tǒng)中建有備份原子鐘，并需要對主、備鐘輸出的時頻信號進行一致性保持。為此，搭建了主、備鐘一致性保持的試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩個原子鐘間實時相位同步，必要時進行工作鐘與備份鐘間信號的切換。

1 系統(tǒng)原理

1.1 主、備鐘一致性保持的原理

圖1所示是主、備鐘一致性保持系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 主、備鐘一致性保持系統(tǒng)的原理圖

工作鐘采用中國科學院國家授時中心的銫鐘（HP5071A型），該鐘擁有較好的長期穩(wěn)定性，但噪聲較大；備份鐘采用商品銣鐘（FS725型），其噪聲小，但存在頻率漂移。系統(tǒng)正常工作時，工作鐘的1PPS信號通過轉(zhuǎn)換開關(guān)后作為時頻系統(tǒng)的輸出，同時，備份鐘的10 MHz信號經(jīng)過相位微調(diào)儀后輸出的1PPS與工作鐘的1PPS通過時間間隔計數(shù)器SR620進行鐘差的測量，測量結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和控制模塊的分析后，得出備份鐘相對于工作鐘的頻率偏差和相位偏差，并根據(jù)和的值制訂相應的頻率調(diào)整策略，計算出給備份鐘添加的頻率補償量，最后將補償量反饋到相位微調(diào)儀中對備份鐘進行頻率駕馭，實現(xiàn)工作鐘與備份鐘之間的實時相位同步。當系統(tǒng)檢測到工作鐘信號異常時，時頻系統(tǒng)的輸出將切換到相位微調(diào)儀輸出的1PPS上，保證了系統(tǒng)輸出時間信號的連續(xù)性。

1.2 系統(tǒng)運行流程

圖2給出了系統(tǒng)進行主備鐘一致性保持的流程。首先，系統(tǒng)進行等間隔的鐘差采集，當采集的點數(shù)達到某預設值時，采用3準則進行數(shù)據(jù)預處理實現(xiàn)粗差剔除；然后，求出此時備份鐘相對于工作鐘的頻率偏差以及當前的預測鐘差；最后，由與的值計算添加到備份鐘的頻率調(diào)整量，并通過相位微調(diào)儀HROG-10實現(xiàn)對備份鐘的頻率控制，整個過程稱為一個測控周期（c），頻率的測控在系統(tǒng)運行過程中是自動、連續(xù)、循環(huán)進行的。鐘差預測和頻率偏差計算的方法在第2節(jié)中介紹，頻率補償量的計算在第3節(jié)中討論。

圖2 主、備鐘一致性保持的流程

2 鐘差預測與頻偏計算

系統(tǒng)采用時差法測量2個原子鐘間的頻率偏差。時差法是根據(jù)2臺鐘輸出的1 PPS信號的時間差隨時間的變化情況來確定兩者間的頻率偏差。在時刻，工作鐘與備份鐘的時差為，經(jīng)過時間后，變?yōu)?，則相對頻率偏差的計算如式（1）所示：

在實際的數(shù)據(jù)處理中，由于噪聲對測量結(jié)果的影響，不直接用測量值求頻率偏差，需要對鐘差進行預測。下面給出了3種鐘差預測的模型：灰色模型，二階多項式模型以及一階多項式模型[1]，并給出了其對應頻偏的計算公式。

1）灰色模型

灰色模型是用指數(shù)函數(shù)作為擬合函數(shù)對等間隔的鐘差數(shù)據(jù)進行擬合，通過對原始鐘差數(shù)據(jù)實行累加或累減使之成為具有較強規(guī)律的新數(shù)列，然后對此生成數(shù)列進行建模。設原始鐘差數(shù)據(jù)列為

2）二階多項式模型

3）一階多項式模型

對上述3種模型下預測鐘差與實測鐘差的差異進行測試：每3 s采集1個數(shù)據(jù)，每100個點進行一次鐘差預測，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同模型下的預測鐘差值與實測鐘差值之差

由圖3可見，一階多項式和二階多項式模型下，鐘差預測值與實測值之差均在0.3 ns以內(nèi)，該差異是由原子鐘自身噪聲和系統(tǒng)測量誤差引起的，該2種模型下鐘差預測效果相當；灰色模型下，預測值與實測值之差達到1.5 ns，此差異不是簡單地由噪聲和測量誤差引起，表明灰色模型不適合對同步系統(tǒng)進行鐘差預測。與二階模型相比較，一階模型相對簡單，且預測效果不遜于二階模型，故本文選用一階多項式模型進行鐘差預測和相應頻偏的計算。

3 頻率補償與效果分析

3.1 同步狀態(tài)的劃分

將也進行區(qū)間劃分，圖5是區(qū)間劃分的示意圖。

圖5 區(qū)間劃分示意圖

3.2 頻率補償?shù)姆桨?/h3>

進行原子鐘的頻率補償時需要考慮2個問題[2]：1）為了盡可能快地去除相位差而使補償量太大，出現(xiàn)過度調(diào)整；2）為保持時間的穩(wěn)定度，對補償量加以限制，避免出現(xiàn)劇烈波動，而使相位差不能達到最小。系統(tǒng)進行頻率補償時遵循的原則是：保證相位同步精度的前提下，盡可能地提高備鐘輸出信號的頻率穩(wěn)定度，避免出現(xiàn)過度調(diào)整現(xiàn)象。下面以原子鐘處于狀態(tài)1和狀態(tài)5時為例，介紹頻率補償?shù)姆桨浮?/p>

表1根據(jù)控制后對鐘差數(shù)據(jù)的分析，列出了同步狀態(tài)1時頻率補償量的計算公式，表2列出了同步狀態(tài)5時頻率補償量的計算公式。

表1 狀態(tài)1下頻率補償量的計算公式列表

注：表中表示上一個控制點處的頻率補償量。

表2 狀態(tài)5下頻率補償量的計算公式列表

注：表中表示上一個控制點處的頻率補償量。

3.3 測試效果分析

圖6 不同測控周期下鐘差曲線圖

圖7 駕馭前后鐘差曲線（＝150 s）

圖8 駕馭前后的穩(wěn)定度曲線（＝150 s）

4 結(jié)語

本文設計并實現(xiàn)了銫原子鐘與銣原子鐘間的相位一致性保持系統(tǒng)。通過測試分析表明：采用本文所述的主、備鐘一致性保持方法，可以實現(xiàn)2個原子鐘間相位實時偏差小于1 ns的要求，并能有效地提高備份鐘輸出信號的長期頻率穩(wěn)定度。對于不同的系統(tǒng)，測控周期的大小應先根據(jù)目標精度與備份鐘的穩(wěn)定度確定相應的范圍，最后通過實際的測試效果確定測控周期的大小。

[1] 朱陵鳳, 李超, 劉利, 等. 基于國產(chǎn)氫原子鐘的鐘差預報方法研究[J]. 大地測量與地球動力學, 2009, 29(1): 148-151.

[2] 李變. 機動條件下時間保持方法研究[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2011.

[3] 邢彥超, 楊俊, 湯超, 等. 一種銣原子鐘雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的設計[J]. 時間頻率學報, 2011, 34(2): 101-106.

[4] 王正明, 袁海波. 氫鐘和銫鐘聯(lián)合守時初探[J]. 天文學報, 2007, 48(1): 72-83.

Study of methods of maintaining consistency between primary and backup clock in time/frequency system

LU Jian-fu1,2, GAO Yu-ping1,3, LIN Si-jia1,2, LIU Biao1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

In order to ensure the accuracy and stability of time signal in switching the primary and backup clock, we studied the methods of maintaining consistency between the primary and backup clock and built an experiment system to maintain the consistency between the primary and backup clock. In this paper, the principle of the system is demonstrated, the results of different clock offset prediction models are analyzed, and the formula of frequency compensation for backup clock is given. The levels of synchronization for different control cycles are tested and the tests show that by using the method described here the time difference between the primary and backup clock is less than 1ns as well as the long-term frequency stability of the output signal of the backup clock can be improved.

atomic clock; time synchronization; frequency steering

TM935.115

A

1674-0637(2013)04-0222-07

2013-01-22

國家自然科學基金資助項目（11103025）

盧建福，男，碩士，主要從事時間同步方法研究。