趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

遠程時間同步性能標(biāo)定方法及試驗驗證

趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

跨地區(qū)遠程一體化運行系統(tǒng)，尤其是測量精度要求高的測距系統(tǒng)，不同區(qū)域間時間同步精度如何精確的標(biāo)定評估是系統(tǒng)工程實現(xiàn)過程中必須要解決的重要問題。綜合考慮經(jīng)濟成本、實現(xiàn)周期、操作便捷等約束因素，在對目前常用的遠程時間同步標(biāo)定方法進行分析比較的基礎(chǔ)上，提出了基于搬運鐘的遠程時間同步標(biāo)定試驗實現(xiàn)方法，并通過試驗驗證了方法的可行性，同步測試精度可達到0.108 ns。

遠程時間同步標(biāo)定；搬運鐘法；實現(xiàn)方法；試驗驗證

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、無線電通訊、系統(tǒng)集成等高新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)研究應(yīng)用的系統(tǒng)不再僅限于同地域建設(shè)，跨地區(qū)遠程一體化運行系統(tǒng)更加適應(yīng)各類資源互通、集成管理、統(tǒng)籌分配的企業(yè)集團規(guī)?；F(xiàn)代發(fā)展潮流?？鐓^(qū)域系統(tǒng)中不同區(qū)域的各項數(shù)據(jù)都是緊密相關(guān)的，各測試設(shè)備的觸發(fā)也要求按照統(tǒng)一的時序和節(jié)拍。為了保證各區(qū)域間數(shù)據(jù)的精確測量、信息的同步更新，系統(tǒng)需要使用統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)和節(jié)拍，以保證他們能夠協(xié)調(diào)有序的工作，即所有設(shè)備(尤其是測量精度要求高的測距設(shè)備)均應(yīng)保持精準(zhǔn)的時間同步。系統(tǒng)建成后，時間同步性能評估是系統(tǒng)測試的重要項目之一，通常需要采用比被測對象更高一級精度的時間標(biāo)定設(shè)備和標(biāo)定方法來實現(xiàn)。

本文在對目前常用的遠程時間同步標(biāo)定方法進行分析比較的基礎(chǔ)上，重點論述搬運鐘法的遠程時間同步標(biāo)定試驗實現(xiàn)方法及其驗證結(jié)果。

1 遠程時間同步性能標(biāo)定方法

目前，工程上尤其是高精度測距系統(tǒng)常用的遠程時間同步性能標(biāo)定方法主要包括：搬運鐘法、衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法。

1.1 搬運鐘法

搬運鐘法是搬運鐘法是一種既古老又年輕的時刻和頻率比對方法[1]。以可便攜移動的高精度原子鐘(氫鐘、銫鐘)為中間基準(zhǔn)，將其在參考鐘實驗室與用戶所在地之間往返搬運，實現(xiàn)對用戶鐘的校準(zhǔn)和同步評估。搬運鐘法的原理如圖1所示。

該方法測試評估設(shè)備主要為精度較高的搬運鐘(通用設(shè)備)，實施方便、組成簡單，對被測設(shè)備所處環(huán)境要求不高，閉合驗證精度較高。

1.2 衛(wèi)星共視法

衛(wèi)星共視法是指在一顆衛(wèi)星的視角內(nèi)，地球上任何兩個地點的原子鐘可以利用同一時間收到的同一顆衛(wèi)星的時間信號進行時間頻率比對。20世紀(jì)90年代初，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(national institute of standards and technology，NIST)開發(fā)出全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星共視技術(shù)[2]。目前，共視法是國際原子時(coordinated universal time，UTC)合作的主要技術(shù)手段之一。GPS共視法是地球上遠距離時鐘比對性價比最優(yōu)的方法之一，傳遞不確定度可達到幾個ns[3]。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的快速發(fā)展，BDS共視法也可以完成遠距離時鐘比對，同時，BDS特有的地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星對兩地始終處于可見位置，更有利于共視法的測量與分析。衛(wèi)星共視法測試原理如圖2所示。

該方法測試評估設(shè)備主要為專用的共視接收機及其處理軟件，測量精度較高，但被測設(shè)備需要能夠正常接收同一顆衛(wèi)星信號。

尤其在近年的研究中，內(nèi)創(chuàng)業(yè)的概念界定越來越寬：內(nèi)創(chuàng)業(yè)不僅包括組織內(nèi)新業(yè)務(wù)創(chuàng)造活動，而且也包括現(xiàn)有組織中的一種創(chuàng)業(yè)精神(Yaghoubi等，2008)；內(nèi)創(chuàng)業(yè)不僅包括新產(chǎn)品、新技術(shù)開發(fā)，也包括競爭態(tài)勢開發(fā)和新戰(zhàn)略等類創(chuàng)新活動(Hanns，2008)。

1.3 衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)自1990年逐漸被采用作為常規(guī)的時間比對方法，1999年起被用于國際原子時(international atomic time scale，TAI)產(chǎn)生計算。TWSTFT是相距遙遠的兩個時間實驗室，通過通信衛(wèi)星，同時向?qū)Ψ桨l(fā)送本地鐘的時間信號，并同時接收和測量對方鐘的時間信號和本地鐘信號之間的時刻差，經(jīng)過雙向本身的數(shù)據(jù)傳送功能交換測量數(shù)據(jù)后，就可以實時計算出兩地鐘差。由于兩地信號通過的路徑完全相同，可以很好的消除傳遞路徑時延變化所造成的影響，這種方法是目前精度最高的遠程時間比對方法，最高比對精度可達幾百ps[4-6]，它是實現(xiàn)地面站之間時間頻率傳遞的重要方法，也是國際范圍內(nèi)實現(xiàn)站間時間頻率傳遞，建立UTC/TAI的重要手段。目前歐美地區(qū)有13個實驗室采用TWSTFT，亞太地區(qū)有8個實驗室采用TWSTFT。衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞原理如圖3所示。

該方法比對精度高，但需要在被測系統(tǒng)兩地均搭建衛(wèi)通收發(fā)鏈路，測試評估設(shè)備構(gòu)建復(fù)雜、實現(xiàn)周期長、成本較高。

2 搬運鐘法遠程時間同步標(biāo)定試驗驗證

比較以上3種遠程時間同步性能標(biāo)定方法，搬運鐘法采用通用設(shè)備，且實現(xiàn)較便捷、容易，在不同行業(yè)領(lǐng)域的遠程集成系統(tǒng)中可以廣泛應(yīng)用。我們重點對搬運鐘法遠程時間同步標(biāo)定進行了試驗驗證，實現(xiàn)示意圖如圖1所示，圖中A時間基準(zhǔn)地點，B為需與A做時間同步的地點。

2.1 試驗準(zhǔn)備及要求

試驗采用瑞士產(chǎn)的銫原子鐘做搬運鐘，搬運前在基準(zhǔn)實驗室運行一個月以上，以確保其運行性能穩(wěn)定，頻率漂移K小至可忽略不計。搬運鐘采用的交通工具是汽車(帶密閉貨箱，配空調(diào)保持溫度、濕度恒定)，搬運期間，搬運鐘固定放置且始終帶電連續(xù)運行，汽車盡量運行在平坦路面，保持勻速運行，故可不考慮相對論效應(yīng)修正。

2.2 搬運鐘的校準(zhǔn)測量

搬運前，需要對搬運鐘進行校準(zhǔn)。A地時頻系統(tǒng)和搬運鐘分別向時間間隔計數(shù)器輸出秒脈沖信號，時間間隔計數(shù)器測量兩路信號的時差結(jié)果x(t)，利用該時差結(jié)果計算頻率準(zhǔn)確度，計算方法如下：

(1)

頻率準(zhǔn)確度計算公式為

(2)

利用計算得到的頻率準(zhǔn)確度，調(diào)整搬運鐘的頻率綜合器，使其與A地時頻的頻差逐漸減小，小于搬運鐘的最小步進調(diào)整量時，即完成搬運鐘的校準(zhǔn)。

2.3 B地(待測地)時頻性能測試

搬運鐘至B地，B地時頻和搬運鐘分別向時間間隔計數(shù)器輸出秒脈沖信號，時間間隔計數(shù)器測量兩路信號的時差結(jié)果x(t)，利用該時差結(jié)果可以計算B地(待測地)時頻的頻率準(zhǔn)確度(計算方法見式(2))和頻率穩(wěn)定度。

頻率穩(wěn)定度根據(jù)阿倫方差計算公式[7-8]的變換計算得到

(3)

2.4 A、B兩地時間同步測試

t1時刻，在A地測量A地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時差x1，然后搬運至B地，在t2時差測量B地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時差x2。

由于A、B兩地時間同源，A地時間與銫鐘的頻率偏差記為Δf，則可以推算出A地在t2時刻秒脈沖與銫鐘秒脈沖的時差為

(4)

則可以在t2時刻測試出A、B兩地的時間同步精度為

(5)

當(dāng)A、B兩地為同一個地方時，則得到的測試結(jié)果即可以認(rèn)為是搬運鐘的同步測試精度。

2.5 遠程時間同步標(biāo)定試驗驗證結(jié)果

搬運前，提前1天將搬運鐘(銫鐘)加電穩(wěn)定，并采集A地秒脈沖(開門)與搬運鐘秒脈沖(關(guān)門)時差。待搬運鐘穩(wěn)定后，計算搬運鐘相對于A地系統(tǒng)時間的相對頻率偏差為-6.99e-13，時差曲線如圖4所示。

搬運鐘搬運至B地，再由B地搬運至A地，可通過往返計算得出A地與B地的時差。從整個搬運鐘往返測試過程來分析，從A地運至B地，再由B地運至A地兩次鐘差測試結(jié)果基本一致(相差0.11 ns)，平均值為74.795 ns。搬運鐘往返測試結(jié)果詳見表1。

從A地出發(fā)至返回A地的整個過程，通過閉環(huán)驗證可得出搬運鐘的同步測試精度為0.108 ns，搬運鐘閉環(huán)測試結(jié)果詳見表2。

序號測試地點測試時間銫鐘與本地鐘之差扣除銫鐘頻率偏差引起的相位變化兩地時差1A地2014?07?21T10：34：570594765868237s2B地2014?07?21T11：46：530594765790368s302ns7485ns3B地2014?07?21T11：46：530594765790368s4A地2014?07?21T13：07：120594765861739s337ns7474nsA地與B地時差(均值)74795ns

表2 搬運鐘閉環(huán)測試結(jié)果

以上結(jié)果表明：在整個測試過程中，搬運鐘沒有出現(xiàn)顯著的頻率變化，整個測試數(shù)據(jù)合理有效。

3 結(jié)束語

常用的遠程時間同步性能標(biāo)定方法主要包括：搬運鐘法、衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法。其中，搬運鐘法標(biāo)定設(shè)備均為通用部件，操作簡單，對被測設(shè)備所處環(huán)境要求不高，閉合驗證精度較高，可以廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的遠程時間同步性能標(biāo)定。本文對搬運鐘法的標(biāo)定結(jié)果進行了驗證，試驗結(jié)果表明：在確保搬運鐘始終保持穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，搬運鐘的同步測試精度可達到0.108 ns。該試驗對搬運鐘法的工程實現(xiàn)具有借鑒意義。

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Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation

ZHAONa，TANGTingsong，WANGDongxia

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

To the multiregional long-distance integrative function system，especially to a region measure system whose measure precision demand is very high，how to demarcate and evaluate accurately the time synchronization performance is very important in system’s engineering realization.Considering the restriction such as economy cost，realization period，operation handiness，this paper brings forward the realization method of clock travel，basing on analysis and compare of the common used time synchronization performance testing method.It is validated that the method is feasibility and the time synchronization performance testing precision attains 0.108 ns.

long-distance time synchronization performance testing；clock travel method；realization method；experiment validation

2016-02-22

趙娜(1977—)，女，山東泰安人，碩士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航與工程實踐。

趙娜，湯廷松，王冬霞.遠程時間同步性能標(biāo)定方法及試驗驗證[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2017，5(1)：31-34,64.(ZHAO Na，TANG Tingsong，WANG Dongxia.Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：31-34,64.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170107.

TN98

A

2095-4999(2017)01-0031-05